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TA23船用钛合金微量Ta合金化钻研:α相组织演变与仿照海水耐蚀机能提升

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引言

钛合金相对于传统钢材拥有密度幼、比强度高、耐侵蚀、无磁性、抗冲击震荡蹬着良特质 ,被称作“海洋金属” ,是一种梦想的船用金属资料 。双态组织钛合金因其混合了初生等轴a相与晶间针状β相,兼备了等轴组织和魏氏组织的利益,阐发出优良的综合机能,在工程方面利用最为宽泛 。我国近年来研发了一系列船用钛合金如:TA23、Ti91、TA5、TC11等,其中TA23(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)的综合机能比力优良 ,利用极度宽泛 。大量钻研批注,在钛合金中参与Ta,能够显著提高合金的抗侵蚀机能,并且对钛钽合金在强酸介质中的侵蚀机能发展了钻研[7-8] 。同时有钻研批注,在钛合金中参与Ta固然能够提高其侵蚀机能,但是会造成力学机能的恶化 ,无法宽泛在船舶领域推广[9] 。因而 ,有必要钻研在钛合金中Ta的合适参与量以及对合金在海水中的耐侵蚀机能,以拓展钽钛合金在船舶等领域的利用与发展 。为此 ,笔者系统钻研分歧Ta含量对TA23合金微观组织、显微硬度和化学侵蚀机能的影响 ,旨在优化TA23合金的力学和侵蚀机能匹配性 ,为其在船舶领域的推广利用提供理论凭据 。

1、试验资料及步骤

TA23合金的名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo 。本试验在TA23合金的基础上参与了分歧含量的Ta元素,造备出分歧Ta含量的TA23合金,其化学成分如表1所示 。

表1 合金化学成分

Table 1 Chemical compositions of different samples%


AlZr ZrNbMoTa
TA236.382.003.111.060
TA23-0.2%Ta6.382.103.361.190.2
TA23-0.5%Ta6.252.063.411.150.5

利用OLYMPUS-BX51M显微镜对分歧Ta含量TA23合金的金相显微组织进行观察 ,金相试样选取机械抛光造备 ,侵蚀剂选取3%HF+7%HNO3+90%H2O,侵蚀10~15s后立即水冲并吹干 。利用UIV-X射线衍射仪(XRD)对三种分歧Ta含量TA23合金的物相进行分析 。使用HV-1000IS维氏显微硬度计对试样的维氏硬度进行测试,试验力拔取

300N,保荷功夫10s,每个试样别离拔取5个分歧区域进行测试并取其均匀值 。

电化学测试仪器选取上 ;紺HI760e电化学工作站,试样保留有效工作面积为1cm2,通过杜国线试样背面衔接 ,其余面选取环氧树脂密封 。测试前顺次通过240#、600#、1000#、1500#砂纸打磨 ,并使用酒精洗濯工作面 ,在室温下人为仿照海水3.5%NaCl溶液中浸泡30min并吹干 ,保留待用 。动电位极化曲线测试选取三电极系统,Pt电极作为辅助电极、鼓和甘汞电极为参比电极(SCE)、待测试样作为工作电极 。测试温度为(23±3)℃,扫描领域选择-2~3V,扫描速度选取0.01V/s,并在丈量下一试样之前更换溶液 。

2、了局与分析

2.1金相描摹

图1别离为Ta含量为0%、0.2%和0.5%的三种双态组织TA23合金的金相组织照片 。通过对金相组织分析可知,在一样的热加工和热处置前提下,TA23中初生α相的比例为35.5% ,TA23-0.2%Ta中初生α相的比例为53.8%,显著高于TA23 。TA23-0.5%Ta中初生α相的比例有所降落,为44.4% 。参与微量Ta元素后 ,次生a相被“归并” ,其比例相对TA23均有所削减 。进一步观察发现TA23-0.5%Ta的初生a相晶粒尺寸相较于TA23与TA23-0.2%Ta稍有增大 ,且TA23中次生a相大多为扁平的条状,增长微量Ta元素后则与之前有所分歧,其次生  α相多为块状且数量显著削减 。

截图20260120175208.png

2.2 XRD

分歧Ta含量双态组织TA23合金X射线衍射图谱如图2所示  D芄豢吹 ,随着Ta含量的增长 ,X射线衍射谱中并没有出现新的衍射峰 ,注明在双态组织TA23合金中参与少量Ta元素之后 ,无新相天生 。其次 ,通过观察能够发现 ,当Ta含量增长到0.5%时,(10-11)a的峰强度显著加强,(10-11)取向的初生α晶粒显著增多 ,其(10-11)织构越来越显著 。TA23的X射线衍射谱中(11-20)α的峰显著高于TA23-0.2%Ta与TA23-0.5%Ta,TA23的次生a相的比例最高 ,与显微组织分析结论一致 。

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2.3显微硬度测试

图3为分歧Ta含量双态组织TA23合金的显微硬度  D芄豢吹,合金中不参与Ta元素时硬度(HV)最高 ,为337.5 。随着Ta元素含量的增长 ,显微硬度出现降低,当 Ta元素含量达到 0.5%时,显微硬度达到最幼,为 317.5 。总体来说,随着双态组织 TA23合金中 Ta含量的增长,其显微硬度出现了轻微的降落 。造成这种景象的原因是钛合金中初生  α相晶 ;泼娼隙喔菀妆湫,因而相对于  β相,初生  α相较软,塑性较好  [10] 。而结合显微组织观察能够发现,相对于 TA23, TA23-0.2% Ta与TA23-0.5%Ta中塑性较好的初生  α相比例显著增

多,因而 TA23-0.2%Ta与 TA23-0.5%Ta的显微硬度相对 TA23均有所降落 。而 TA23-0.2%Ta中初生  α相的晶粒尺寸显著幼于TA23-0.5%Ta,凭据hall-petch公式:

截图20260120175152.png

其中:  σ y 为资料屈服极限;  σ 0 为移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力;  k y 为常数; d为均匀晶粒直径 。

截图20260120175238.png

TA23-0.2% Ta相对 TA23-0.5% Ta晶粒尺寸较幼,由于细晶强化的作用,导致TA23-0.2%Ta的初生  α相比例固然高于 TA23-0.5%Ta,但其显微硬度依然高于 TA23-0.5%Ta 。其次,由于 TA23-0.2%Ta相界比例相对较高,更容易故障位错的开动,也肯定水平上提高了TA23-0.2%Ta的显微硬度  [11] 。

2.4耐侵蚀机能

图 4为分歧 Ta含量双态组织 TA23合金在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线  D芄豢吹,随着 Ta含量的增长,钛合金的自侵蚀电位不休右移,当 Ta含量增长到  0.5%时,试样的自侵蚀电位最高,约为-1.09V 。Ta元素含量的增长,肯定水平上提高了双态组织 TA23合金的自侵蚀电位,从而提高了钛合金侵蚀的难易水平 。

进一步观察发现,在 TA23-0.2%Ta极化曲线阳极区-1.3 V左右试样产生钝化,随着电位的升高,在-1.2 V左右时自侵蚀电流密度上升,最终在-0.9 V左右时趋于不变,而TA23与TA23-0.5%Ta并未出现类活化再钝化过程  [12] 。通过对动电位极化曲线Tafel区进行拟合,自侵蚀电位与自侵蚀电流密度如表 2所示  D芄环⑾,随着 Ta含量的增长,试样的自侵蚀电流密度越来越幼, TA23-0.5%Ta的自侵蚀电流密度最幼,约为1.43×10-6A/cm2,注明其侵蚀速度最慢,TA23-0.5%Ta的耐侵蚀性最强[13],这也与自侵蚀电位法规一致 。

截图20260120175254.png

表2 分歧Ta含量双态TA23合金在人为仿照海水溶液中的电化学参数

Table 2 Electrochemical parameters of polarization curves of the TA23 alloys in simulated seawater


φ corr (vs SCE  )/VJcorr/(A·cm-2)
TA23-1.461.119×10-5
TA23-0.2%Ta-1.341.49×10-6
TA23-0.5%Ta-1.091.43×10-6

综上所述 ,参与微量Ta元素后 ,双态组织TA23合金自侵蚀电位增大、自侵蚀电流密度降落 ,其耐侵蚀机能加强  ?赡艿脑蚴荰a元素作为易钝化合金元素 ,在双态组织TA23合金中参与易钝化元

素可能使钛合金的阳极活性降低 ,提高其钝化能力 ,降低了自侵蚀电流密度[14] 。其次 ,晶界处因杂质原子偏聚而存在电位差 ,易形成侵蚀原电池 ,结合显微组织分析 ,Ta含量达到0.5%时 ,初生a相晶粒尺寸偏大 ,使其晶界密度削减 ,削减了侵蚀原电池的数量 ,从而使其耐侵蚀机能进一步提高[15-16] 。

3、结论

1)分歧Ta含量双态组织TA23初生a相比例有所分歧;参与Ta元素之后 ,次生a相由扁平的条状变为块状且数量有所削减 ,结合XRD测试了局可知,参与Ta元素后双态组织TA23合金中并无新相天生 。

2)通过显微硬度测试发现 ,TA23-0.2%Ta、TA23-0.5%Ta中塑性较好的初生a相比例大于TA23,因而显微硬度出现轻微降落 。而TA23-0.2%Ta固然初生a相比例高于TA23-0.5%Ta,但TA23-0.2%Ta中初生a相晶粒尺寸相对较幼 ,由于细晶强化的作用导致TA23-0.2%Ta的硬度略微高于TA23-0.5%Ta 。

3)在双态组织TA23合金中参与微量易钝化的Ta元素之后 ,降低了钛合金的阳极活性 ,且当Ta含量达到0.5%时,初生a相晶粒尺寸增大,削减了侵蚀原电池的形成 ,增长了钛合金在海水中的耐侵蚀性 。

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(注 ,原文标题:Ta元素对TA23合金显微组织及侵蚀机能的影响)

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