軌道交通用TC4鈦合金TIG焊接頭耐腐蝕性能研究

宋坤林， 王 婷，張心周，于承雪，姜虹冶，付 娟

(1.國(guó)家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心, 青島 266111)(2.中鈦國(guó)創(chuàng)(青島)科技有限公司, 青島 266111)(3.江蘇科技大學(xué) 先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212100)

鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[1-2].近些年，高速列車上某些零部件采用鈦合金替換現(xiàn)有的不銹鋼和碳鋼，具有明顯的優(yōu)勢(shì).TC4鈦合金是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種(α+β)型鈦合金[3]，已應(yīng)用于高速列車焊接零部件.由于鈦的化學(xué)活性較強(qiáng)，極易與高溫下的氧、氮、氫反應(yīng)而引起氧化、氮化、脆化[4]，嚴(yán)重降低焊接結(jié)構(gòu)件的性能，因此，鈦合金是一種不易焊接的金屬[5-6].

鎢極氬弧焊(TIG焊)是工程中鈦合金最為普遍的焊接方法，焊接時(shí)可通過(guò)控制焊接電流、焊接速度和填充金屬得到接頭質(zhì)量好、可靠性高的焊縫.我國(guó)設(shè)計(jì)制造的下潛7 km的蛟龍?zhí)栞d人潛水器為全鈦合金結(jié)構(gòu)[7]，采用鎢極氬弧焊焊接.可見，鎢極氬弧焊在鈦合金焊接應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯.目前，關(guān)于鈦合金鎢極氬弧焊焊接接頭的研究大多集中在工藝參數(shù)優(yōu)化、顯微組織、力學(xué)性能方面，對(duì)于其腐蝕性能的研究較少.

文中從軌道交通焊接結(jié)構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用工況條件出發(fā)，開展TC4鈦合金基本性能的試驗(yàn)驗(yàn)證，研究TC4鈦合金TIG焊接頭的顯微組織，并分別以大氣環(huán)境和模擬海水環(huán)境為腐蝕介質(zhì)，開展TC4鈦合金接頭電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕行為研究，探究在模擬介質(zhì)中焊接接頭的腐蝕發(fā)生機(jī)制，為鈦合金在軌道交通上的應(yīng)用奠定理論和技術(shù)支持.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用母材為TC4鈦合金，試樣尺寸為250 mm×100 mm×5 mm，化學(xué)成分見表1，選用TC4HS、STi6402兩種實(shí)芯焊絲，直徑為3.0 mm，其成分見表2，鎢極氬弧焊選用純度為99.99%的氬氣做保護(hù)氣體.

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分

表2 焊接材料的化學(xué)成分

鈦合金高溫中極易被氧化，故采用背保護(hù)裝置、拖罩及焊槍共同輸送氬氣進(jìn)行焊縫保護(hù).背保護(hù)與拖罩中氣流量控制在30～35 L/min，焊槍中氣流量控制在9～12 L/min，焊接電流170 A，焊接電壓15 V，焊接速度5.4 mm/s.

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 顯微組織觀察

接頭試樣經(jīng)過(guò)拋光后，用Kroll試劑(HF∶HNO3∶H2O=2∶1∶17)腐蝕，腐蝕時(shí)間控制在10～15 s.將制備好的接頭試樣放置于金相顯微鏡下觀察不同區(qū)域的顯微組織.

(2) 電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

電化學(xué)測(cè)試均采用傳統(tǒng)的三電極測(cè)試體系進(jìn)行試驗(yàn)，工作電極的試樣面積為0.5 cm2.選用3.5%NaCl溶液作試驗(yàn)介質(zhì)，每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試3次.

測(cè)試順序分別為開路電位(OCP)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)和動(dòng)電位掃描極化(PP).使用Origin軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)作開路電位圖、Nyquist圖、Bode圖、Tafel圖；使用CS-Studio5電化學(xué)分析軟件和Z-Viewr軟件分別對(duì)Nyquist圖、Bode圖和Tafel圖進(jìn)行擬合，繪制出擬合曲線并模擬出等效電路.

(3) 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)在慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)(LETRY)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為室溫，拉伸環(huán)境分別為空氣和3.5 % NaCl溶液模擬海水.試樣分別放置于空氣和模擬海水中進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，根據(jù)GB 15970.7-2017 鈦合金應(yīng)變速率為5×10-6/s，拉伸速率設(shè)置為0.009 mm/min.試驗(yàn)后通過(guò)掃描電鏡觀察斷口形貌.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

TC4鈦合金TIG焊接頭的宏觀形貌如圖1，焊接接頭成形良好，無(wú)明顯的氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷.焊縫處有明顯的柱狀晶，未見明顯等軸晶.

圖1 鈦合金接頭宏觀金相Fig.1 Macroscopic metallography of titanium alloy joint

TC4鈦合金在熔池凝固過(guò)程中，母材中的未熔金屬與等軸晶會(huì)在熔合線附近產(chǎn)生聯(lián)合結(jié)晶，由于溫升的影響，焊縫中心附近的晶粒尺寸明顯增大.焊縫打底和蓋面區(qū)域分布著粗大的柱狀晶.

圖2為焊接接頭各區(qū)域顯微組織，焊縫區(qū)域分布著粗大的柱狀晶和少量的等軸晶.從圖2(a)～(f)中可觀察到焊后組織均發(fā)生明顯的變化，在蓋面、打底及中間填充層形成了片狀或長(zhǎng)針狀α′相組織，該組織為六方馬氏體，是焊后連續(xù)冷卻過(guò)程中以晶體切變的方式完成晶格重構(gòu)，相鄰的α′相具有相同的取向，形成明顯的束域平行排列，其兩側(cè)有不同取向的α′束域交錯(cuò)排列，多種束域相互交織.且在α′晶界分布著β相，α′相含量較高，在蓋面和填充區(qū)域含有少量網(wǎng)籃組織.

圖2 接頭顯微組織Fig.2 Microstructure of joint

由于鈦合金導(dǎo)熱性較差，而在各個(gè)方向的散熱條件比較均勻，容易形成等軸晶，如圖2(g).在冷卻過(guò)程中，隨著溫度降低，部分β相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧瞀痢?α″)相、以及過(guò)冷的β相等亞穩(wěn)定相.因此，熱影響區(qū)是由針狀α′(α″)，過(guò)冷β相及殘余α、β相組成的混合結(jié)構(gòu).靠近焊縫的α′相首先在晶界形成，在冷卻過(guò)程中形成由細(xì)針狀α′相和殘余β相組成的交錯(cuò)組織.此時(shí)，焊縫區(qū)的針狀α′相比針狀馬氏體小很多，如圖2(h).

2.2 TC4鈦合金TIG焊焊接接頭電化學(xué)腐蝕研究

焊接接頭在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜如圖3.

圖3 TC4接頭電化學(xué)阻抗譜Fig.3 Electrochemical impedance spectrum of TC4 joints

根據(jù)圖3EIS-Nyquist圖和母材腐蝕電位E(VS SCE)為-0.425～-0.4 V，用Z-View軟件擬合數(shù)據(jù)，如表3.用極化阻抗的值R2+R3來(lái)表征工作電極的耐蝕性能，一般認(rèn)為，電阻越高，表示工作電極的耐蝕性能越優(yōu)異.由表3可知，不同區(qū)域的耐蝕性能由高到低為：母材區(qū)>焊縫區(qū)>熱影響區(qū).

表3 TC4接頭電化學(xué)阻抗譜擬合數(shù)據(jù)

接頭區(qū)域在3.5%NaCl溶液中的阻抗譜(Bode圖)如圖4.在低頻區(qū)，模值|Z|接近或超過(guò)105，說(shuō)明在電極表面上存在著電阻層；同時(shí)，相位角θ的曲線斜率的絕對(duì)值不等于1，這說(shuō)明了在電化學(xué)阻抗譜中，在電極表面有彌散行為的出現(xiàn)，因此在擬合等效電路過(guò)程中，用CPE1及CPE2代替純電容C.

在Bode圖的低頻區(qū)，相位角θ幾乎保持不變，這表明存在Rp阻抗結(jié)構(gòu)元件；在Bode的中頻區(qū)，相位角θ增大，表明存在Cdl結(jié)構(gòu)元件；在Bode圖的高頻區(qū)，相位角θ保持不變，表明存在Rs阻抗結(jié)構(gòu)元件.由此繪制出等效電路圖，如圖4(d).

圖4 Bode圖和等效電路圖Fig.4 Bode diagram and equivalent circuit diagram

接頭區(qū)域的極化曲線如圖5.由圖可知，在E(VS SCE)為-0.127 V～1.06 V，隨著電位的增加，TC4鈦合金焊縫區(qū)的電流密度幾乎保持不變，這表明焊縫區(qū)發(fā)生了鈍化反應(yīng)，TC4鈦合金焊縫表面形成了鈍化膜.同時(shí)，在E(VS SCE)-0.065 V～0.738 V，隨著電位的增加，熱影響區(qū)的電流密度幾乎保持不變，在E(VS SCE)為0.372 V存在輕微點(diǎn)蝕.

圖5 接頭極化曲線Fig.5 Polarization curve of joint

通過(guò)極化曲線的Tafel擬合，擬合數(shù)據(jù)如表4.

表4 Tafel擬合結(jié)果

腐蝕電流密度(Icorr)從大到小依次為熱影響區(qū)>焊縫區(qū)>母材，腐蝕電位(Ecorr)從大到小依次為熱影響區(qū)>母材>焊縫，在極化曲線中，一般認(rèn)為擁有更高的腐蝕電位且同時(shí)擁有較小的腐蝕電流密度的工作電極，具有更好的耐腐蝕性能.考慮腐蝕電位存在測(cè)量誤差，主要通過(guò)腐蝕電流密度來(lái)表征耐腐蝕性能.所以，通過(guò)極化曲線能夠更加證明接頭各區(qū)域的耐蝕性從高到低為：母材>焊縫>熱影響區(qū).

2.3 TC4鈦合金TIG焊接頭應(yīng)力腐蝕研究

2.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

將TC4焊接接頭試樣分別置于空氣和海水中進(jìn)行慢應(yīng)變速率試驗(yàn)，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6.由圖中可見，TC4接頭在空氣中抗拉強(qiáng)度達(dá)到772 MPa，斷后延伸率為7.9%，在海水中慢應(yīng)變的拉伸試樣，其抗拉強(qiáng)度為766 MPa，斷后延伸率為7%.TC4接頭在海水和空氣中的延伸率接近，說(shuō)明材料在海水中表現(xiàn)出較好的抗應(yīng)力腐蝕敏感性.

圖6 接頭在空氣和海水中的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of joints in air and sea

2.3.2 應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)

測(cè)量試驗(yàn)后試樣的長(zhǎng)度和截面積，計(jì)算接頭延伸率δ、斷面收縮率Ψ和相應(yīng)的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F(δ)、F(Ψ)，見表 5.

表5 接頭慢應(yīng)變腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可以直觀地看到，TC4接頭在空氣和海水中慢應(yīng)變?cè)囼?yàn)后的延伸率和斷面收縮率有所降低，說(shuō)明海水的作用使得TC4焊接接頭的力學(xué)性能在浸蝕過(guò)程中有所變化，但是相差很小，表明海水對(duì)TC4焊接接頭的力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生明顯影響.同時(shí)，TC4接頭在海水中的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)F(δ)和F(Ψ)均小于15%，表明TC4接頭對(duì)海水應(yīng)力腐蝕敏感性較低.

2.3.3 應(yīng)力腐蝕斷口形貌

鈦合金應(yīng)力腐蝕微觀斷口如圖7，7(a、b)分別為TC4在空氣中、海水中拉伸微觀斷口形貌，斷口形貌為淺韌窩及河流花樣組成的復(fù)合型形貌，兩種介質(zhì)中的斷口形貌相差較小.從而可以看出TC4鈦合金接頭應(yīng)力腐蝕敏感性低.

圖7 應(yīng)力腐蝕微觀斷口Fig.7 Stress corrosion microfracture

3 結(jié)論

(1) TC4鈦合金在熔池凝固過(guò)程中，母材中的未熔金屬與等軸晶會(huì)在熔合線附近產(chǎn)生聯(lián)合結(jié)晶，由于溫升的影響，焊縫中心附近的晶粒尺寸明顯增大.焊縫打底和蓋面區(qū)域分布著粗大的柱狀晶.

(2) 在3.5%NaCl溶液腐蝕介質(zhì)中，TC4接頭各區(qū)域的耐腐蝕性能從高到低為：母材>焊縫>熱影響區(qū).

(3) 對(duì)比TC4接頭在空氣和海水中慢應(yīng)變?cè)囼?yàn)后的延伸率和斷面收縮率，TC4接頭的力學(xué)性能受海水的影響不明顯，其對(duì)海水應(yīng)力腐蝕敏感性較低.