【摘 要】
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钛是地壳中含量最丰富的金属之一。钛合金由于具有耐蚀性优异、低导热性和高比强度等优点,普遍应用于航运、化工和医疗等行业中。目前烟囱逐渐由铁和不锈钢等材料向钛合金的使用转变,但烟气环境下凝结的酸露依然会对钛合金烟囱造成腐蚀侵害,尤其焊缝区的金属更容易发生腐蚀。本文选取工业上最常用的三种钛合金材料:TA2、TC4和TB6,采用不同浓度(1 wt.%和3 wt.%)的硫酸溶液模拟烟囱的露点腐蚀环境,通过电
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钛是地壳中含量最丰富的金属之一。钛合金由于具有耐蚀性优异、低导热性和高比强度等优点,普遍应用于航运、化工和医疗等行业中。目前烟囱逐渐由铁和不锈钢等材料向钛合金的使用转变,但烟气环境下凝结的酸露依然会对钛合金烟囱造成腐蚀侵害,尤其焊缝区的金属更容易发生腐蚀。本文选取工业上最常用的三种钛合金材料:TA2、TC4和TB6,采用不同浓度(1 wt.%和3 wt.%)的硫酸溶液模拟烟囱的露点腐蚀环境,通过电化学交流阻抗技术(EIS)和动电位极化曲线测试对比研究了三种钛材及氩弧焊(TIG)焊缝部位在烟气环境模拟液中的耐腐蚀性能。结果表明,在1 wt.%硫酸烟气模拟液中,三种钛合金的母材与对应焊缝的电化学测试结果基本相同,耐蚀性没有明显差别。在3 wt.%硫酸烟气模拟液中,25℃和55℃两种温度条件下,TC4和TB6的母材金属与对应焊缝金属相比钝化电流密度更低,腐蚀电位更高;EIS谱图结果显示,最大相位角、容抗弧半径和低频区的最大阻抗值相对更高,因此母材金属耐蚀性均优于焊缝金属,且钝化膜更为稳定。而TA2焊缝的腐蚀行为与TC4和TB6不同,综合分析电化学测试结果,说明TA2焊缝区域金属相比母材腐蚀速率更低,且在溶液中生成的钝化膜也更稳定。利用金相显微镜、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和X射线能谱(EDS)分析了三种钛合金焊接前后的组织形貌、相组成和元素含量的变化,引起腐蚀行为存在差别的原因是TC4和TB6存在β相变,焊接前细小的等轴晶粒在相变过程中转变为针状α’马氏体晶粒或粗大的柱状晶粒,导致晶粒尺寸增大,耐蚀性下降;而TA2在焊接过程没有经历晶粒尺寸的明显变大,而且微观形貌上晶粒更细且分布更均匀。对比研究了三种钛合金母材金属与焊缝金属在含有3 wt.%H2SO4、0.131 g/LHF和0.268 g/LHCl的混合酸烟气模拟液中露点温度以下两种温度(25℃和55℃)下的腐蚀行为,并与纯硫酸烟气模拟溶液腐蚀行为对比分析,在溶液中含有F-和Cl-的情况下,极化曲线出现了活化-钝化转变的现象,腐蚀电流在达到峰值以后下降,随后才进入钝化区,并且腐蚀电位(-0.75V)相比纯硫酸烟气模拟溶液中腐蚀电位(-0.27V)也有明显下降。通过浸泡失重方法,对比了存在焊缝区对钛合金焊件电偶腐蚀形貌和腐蚀速率的影响,浸泡结果再次验证了 TA2焊缝区域的耐蚀性提高以及TC4和TB6两种钛合金焊缝金属的耐蚀性相比母材减弱。综合电化学测试和浸泡失重结果,温度升高,钛合金的腐蚀程度明显增大,表面生成的钝化膜也更不稳定。针对TC4和TB6的焊缝耐腐蚀性较差的问题,选用阳极氧化的方式对焊缝金属进行了氧化修复,控制不同电参数进行工艺优化,并通过电化学方法进行对比分析。氧化后的膜层进行硬脂酸后处理相比于热水封孔后处理方式表面接触角从45°提高到90°,从而增强了氧化膜阻挡溶液离子渗入的能力,提高了耐蚀性能。最终得到的宝蓝色氧化膜的钝化电流密度(0.06 μA/cm2)相比氧化前焊缝试样的钝化电流密度(70μA/cm2)明显降低,腐蚀电位从-0.78 V升高到0.3 V,因此提高了钛合金焊缝的耐腐蚀性能,延长了钛合金烟囱的使用寿命。
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