钛合金深海应力腐蚀研究进展

基于对钛合金应用及研究报道的梳理,综述了钛合金深海应力腐蚀产生原因及机理,探讨了静水压力、溶解氧含量、pH值和温度等深海环境因素对应力腐蚀开裂的影响,以期为今后钛合金深海应力腐蚀开裂等局部腐蚀行为及机制的深入研究提供参考,为优化钛合金组织性能,建立深海先进钛合金材料体系提供支撑。     

深海腐蚀环境下钛合金海洋腐蚀的发展现状及展望

综述了钛合金及其他合金在深海极端腐蚀环境下的研究成果,总结了深海环境下腐蚀特征及应力腐蚀开裂、低周疲劳及高压蠕变等主要腐蚀破坏形式,指明上方海水的高静水压造成深海装备等的腐蚀失效和缺陷对于深海空间站等大型装备的安全性等至关重要。深海腐蚀的电极反应受到深海高静水压的影响的与普通水溶液腐蚀大为不同,值得深入研究;另一方面,对近期利用材料计算工程方法对于深海极端环境下腐蚀过程的模拟进行了介绍和总结,并总结了自主研发的专用深海腐蚀模拟装置的发展现状。基于钛合金在深海会发生的应力腐蚀开裂、低周疲劳、高静水压力导致的高压压缩蠕变及相应的电极反应方面研究,提出了我国深海环境下钛合金腐蚀研究的主要问题和未来亟待解决的相关问题。     

苛刻环境中钛合金石油管材的抗腐蚀性能研究

通过高温高压腐蚀速率和应力腐蚀开裂(SCC)性能评价试验,辅以原位电化学测试分析,研究TC4钛合金石油管材在苛刻CO_2环境中的腐蚀行为和耐蚀机理。结果表明:TC4钛合金在高温高压CO_2腐蚀环境中具有极其优越的抗均匀腐蚀、局部腐蚀和SCC性能,在高达220℃的温度条件下均匀腐蚀速率仅为0.0012 mm/a。TC4钛合金在CO_2环境中的阳极极化曲线均有明显钝化区,腐蚀反应为阳极过程控制;随温度升高,TC4钛合金的自腐蚀电位降低,极化电阻减小,电化学腐蚀的热力学驱动力增大,而动力学阻滞性能减弱,腐蚀速率增大;但在高温CO_2腐蚀环境中,TC4钛合金的保护电位和点蚀电位较高,仍具有良好的钝化和再钝化能力,其在180℃时的极化电阻高达2328.2?·cm~2,具有良好的抗CO_2腐蚀性能。     

304 不锈钢在模拟深海和浅海环境中的应力腐蚀行为

目的研究304不锈钢在模拟深海和浅海中的应力腐蚀开裂(SCC)行为。方法通过控制不同环境因素模拟南海某海域环境,利用动电位扫描、交流阻抗谱、慢应变速率拉伸(SSRT)及SEM表面分析等手段进行研究。结果 304不锈钢在模拟海水溶液中呈现钝化状态,出现应力腐蚀敏感性,且裂纹扩展方式为穿晶开裂。在深海中的SCC机制为氢致开裂,浅海中的SCC机制主要为阳极溶解。结论 304不锈钢在深海与浅海中的SCC机制不同,但两者的SCC敏感性相近且相对较低,在模拟海水环境中的应用不受海水深度限制。     

外加电位对X80管线钢在轮南土壤模拟溶液中应力腐蚀行为的影响

采用慢应变速率拉伸(SSRT)实验、SEM观察和动电位极化曲线测量等方法,研究了外加电位对X80管线钢母材及焊缝在轮南土壤模拟溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)行为。结果表明,X80钢母材及焊缝在轮南土壤模拟溶液中均具有一定的应力腐蚀敏感性。在同一外加电位下,X80钢焊缝的SCC敏感性高于母材的;X80钢SCC敏感性及开裂机理受外加电位影响显著,在-500 mV外加阳极电位下,X80钢的SCC机理为裂尖阳极溶解-膜破裂机制,在-800 mV阴极电位以下(-850,-1000和-1500 mV),氢脆作用在SCC过程中的影响明显增强,阴极析氢反应促进了钢的氢致开裂,导致X80钢SCC敏感性显著增加。     

16Mn(HIC)钢在硫化氢环境中的应力腐蚀开裂行为

用慢应变速率拉伸实验及U形弯试样浸泡实验研究了16Mn钢和16Mn(HIC)钢的基体及焊缝材料在酸性H2S溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)行为.结果表明:在实验条件下上述材料均具有明显的SCC敏感性,其裂纹是氢致开裂引起的穿晶型应力腐蚀开裂;16Mn(HIC)钢抗SCC的性能优于16Mn钢,但16Mn(HIC)不具有明显的耐SCC的性能;两种材料焊缝的SCC敏感性明显大于母材,热处理能够改善焊缝抗应力腐蚀开裂的性能.     

16Mn钢及其热影响区在碱性硫化物环境中的应力腐蚀行为与机理

利用电化学测量技术、慢应变速率拉伸实验和U形弯试样浸泡实验,研究了16Mn钢及其模拟热影响区(HAZ)在碱性硫化物和Cl~-介质中的应力腐蚀开裂(SCC)行为与机理.结果表明:16Mn钢原始组织、粗晶组织(空冷组织)和硬化组织(淬火组织)在碱性硫化物环境中均呈钝化状态,钝化电流密度依次降低.由淬火组织、空冷组织和原始组织的自然腐蚀电位依次降低可以推知,HAZ为阴极,焊缝和基体为阳极,长期服役后靠近熔合线处由于腐蚀暴露出残余拉应力区,引起SCC.HAZ中硬化组织、粗晶组织和原始组织在碱性硫化物环境下的应力腐蚀敏感性依次降低,其中硬化组织的SCC特征明显.而其余2种组织的SCC特征不明显.16Mn钢焊缝区在碱性硫化物环境中SCC裂纹扩展机制为沿晶型阳极溶解机制.     

外加电位对X70管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中应力腐蚀开裂敏感性的影响

采用慢应变速率拉仲试验(SSRT)研究了不同外加电位下X70管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)行为,并用扫描电镜分析了不同电位下的断面形貌.结果表明,X70管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中具有SCC敏感性;在Ecorr附近施加弱极化时,应力腐蚀开裂敏感性增加;施加强阳极电位时,发生强烈阳极溶解,导致阳极溶解断裂;施加强阴极电位时,析氢过程加强,导致氢致应力腐蚀断裂.     

TA16和TA17钛合金在高温高压水中的腐蚀行为研究

研究了TA16和TA17钛合金在高温高压中性水质中的电化学行为、均匀腐蚀行为和应力腐蚀行为.结合SEM和XPS分析技术,分析了腐蚀后合金表面形貌和氧化膜的组成.研究结果表明:在高温高压中性水质中,两种钛合金具有很好的耐腐蚀性能,TA16钛合金的钝化性能、抗均匀腐蚀和抗应力腐蚀性能均优于TA17合金,腐蚀后两种钛合金表面生成了表层由TiO2组成、内层由TiO2、Ti2 O3和TiO组成的致密氧化膜.     

X70管线钢近中性环境氢致开裂与阳极溶解的关系

采用慢速率拉伸试验(SSRT)方法及电化学测量技术,研究了阴极电位下X70钢在某种近中性介质中的应力腐蚀开裂(SCC)机理.试验表明,在近中性介质中,随着电位的降低,管线钢的SCC敏感性增强.但当电位低于某一范围后,SCC敏感性减弱;随着溶液pH值的降低,管线钢的腐蚀速率增大,敏感电位区间负移.分析表明,在近中性介质中,管线钢应力腐蚀开裂主要受阳极溶解和氢致开裂两种机理的联合作用,氢的渗入可能与氢的还原过程及管线钢阳极溶解密切相关.适宜的电位可以使阳极溶解和氢的联合作用增强.增强应力腐蚀开裂倾向.     

Electrochemical Performance of Passive Film Formed on Ti-Al-Nb-Zr Alloy in Simulated Deep Sea Environments

Titanium alloy Ti-Al-Nb-Zr has high specific strength and becomes a promising structural material used in the deep sea.The excellent corrosion resistance of the alloy is derived from the protective passive film formed on its surface.By now,full agreement on interpretation of the anti-corrosion performance of the film in marine environment,especially in the deep sea,has not been reached.In this work,the electrochemical performance of two-surface-state Ti-Al-Nb-Zr alloys which are treated by mechanical polishing and anodizing pre-passivation in the simulated shallow sea,1000 m and 3000 m deep sea environments,is investigated.By interpreting the electrochemical kinetic parameters,it is found that the dominant cathodic process becomes hydrogen evolution in simulated deep sea environments,but the reduction rate is restrained by high hydrostatic pressure,which arrests the passivation of the alloy.Assisted by X-ray photoelectron spectroscopy analysis,it is found that the passive film mainly consists of titanium oxides.There are intermediate oxides with non-stoichiometric ratio involved in the film formation due to the low dissolved oxygen concentration and low temperature.The results of Mott-Schottky and electrochemical impedance show that the film has n-type semiconducting property with oxygen vacancies as the main point defects.The anti-corrosion performance in simulated deep sea environments is one order of magnitude lower than that in the simulated shallow sea environment.However,from 1000 to 3000 m,the corrosion resistance is reduced very slightly.In the inner layers of the passive film and the passive film formed in simulated deep sea environments,the proportion of lowvalence titanium oxides is relatively high.The doping of low-valence titanium(Ti(Ⅱ) or Ti(Ⅲ)) results in a porous structure and ion permeability of the passive film,as well as relatively low corro sion resistance.     

碳钢/Ti和碳钢/Ti/海军黄铜在海水中电偶腐蚀的研究

采用动电位极化技术及失重法研究Q235B碳钢/TA2钛和Q235B碳钢/TA2钛/海军黄铜在海水中的电偶腐蚀规律.测定了Q235B碳钢、TA2钛和海军黄铜在海水中的自然腐蚀电位、腐蚀速率和稳态极化曲线,测定了不同面积比时电偶对电偶电流的大小、方向,电偶电位以及电偶对阳极和阴极的失重速率,由电偶对不同面积比的数据得到Q235B碳钢被Ti电偶极化的动态极化曲线.结果表明,阳极的腐蚀速率随阴/阳极面积比的增大而增加;阳极腐蚀速率随阴/阳极面积比的增大有一个极限值,即当阴/阳极面积比大于这个极限值时,阳极腐蚀速率不再增加.这三种金属构成的电偶对,海军黄铜是这个系统的阴极,受到碳钢的保护.     

Al-Zn-In-Si牺牲阳极在模拟海水及海泥环境中的电化学性能

目的 分析A13型Al-Zn-In-Si牺牲阳极在海水、海泥中的电化学性能.方法 采用恒电流极化进行4 d的加速实验,使用电化学阻抗谱(EIS)分析电化学腐蚀过程,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)及三维超景深显微镜观察分析腐蚀形貌及表面化学成分,对比研究了Al-Zn-In-Si牺牲阳极在模拟海水和海泥环境下的腐蚀形貌、电化学性能.结果 在模拟海水和海泥环境中,尽管Al-Zn-In-Si牺牲阳极都满足DNVGL-RP-B401的要求,但在海泥环境中,其电化学效率仅为65.97％,远低于海水环境中的89.43％.牺牲阳极在海水环境中发生均匀腐蚀,而在海泥环境中却呈现严重的不均匀腐蚀现象,表面腐蚀坑为疏松多孔蜂窝状.结论 在海泥环境下,Al-Zn-In-Si牺牲阳极的腐蚀产物扩散困难,局部呈现腐蚀坑,自腐蚀速率高,导致电化学效率降低.溶解过程中,由于组织脱落,自身消耗增加,电化学容量降低,从而导致阳极在模拟海泥环境中的电化学性能低于海水环境,并揭示了阳极在模拟海水、海泥环境中的腐蚀机理.     

静水压对X80表面铈转化膜腐蚀行为的影响

铈转化膜作为一种环境友好的转化膜,有利提高材料的耐腐蚀性能。采用电化学沉积方法在X80表面制备了铈转化膜,研究了其在0.1和20 MPa静水压3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为。通过高温高压在线电化学测试反应釜对开路电位、交流阻抗、线性极化电阻、极化曲线等进行测试,利用扫描电镜、能谱仪及接触角测试仪对腐蚀前后的表面形貌、元素及表面亲水性进行分析。结果表明,X80表面铈转化膜显著提高X80在浅海0.1 MPa静水压中的腐蚀电化学性质,但在深海20 MPa静水压中X80表面铈转化膜的开路电位、线性极化电阻、交流阻抗明显降低,且腐蚀电流密度明显增加;X80表面铈转化膜在深海20 MPa静水压中腐蚀后表面膜存在大量的裂纹,而在浅海0.1 MPa静水压中腐蚀后表面无明显缺陷;X80表面铈转化膜腐蚀前表面表现出亲水性,而腐蚀后表面接触角明显增大,表现为疏水性。     

深海环境下金属及合金材料腐蚀研究进展

综述了深海环境下溶解氧含量、温度、pH、溶解CO2含量、含盐度、静压力、流速以及生物环境等各项因素对金属及合金材料腐蚀的影响,认为溶解氧含量通常为金属及合金材料腐蚀的最主要因素;重点介绍了实海暴露方法和室内模拟加速腐蚀方法在深海环境下的研究进展及具体应用,指出最好将室内模拟加速腐蚀试验和实海暴露方法相结合,同时体现二者的优势以研究金属及合金材料的腐蚀行为;总结了深海环境下金属及合金材料的腐蚀状况,对其防护手段-阴极保护及涂层保护进行了概述.     

Two distinct fracture modes of copper alloys in fluoride environments

The susceptibility of aluminum brass and aluminum bronze to stress corrosion cracking (SCC) was evaluated in fluoride environments by means of the slow strain rate technique. The effects of fluoride concentration and applied electrochemical potential on the SCC susceptibility were investigated. The SCC mechanism of aluminum brass was found to be dependent upon the de-alloying phenomenon while that of aluminum bronze on the film-rupture mechanism occurring within a certain range of applied electrochemical potentials. For aluminum brass, both the stress ratio and the time-to-fracture ratio were closely related to the logarithmic concentration of F⁻ ions. The fracture modes were ductile dimpled tearing fracture for the aluminum brass at the corrosion potential while intergranular for the aluminum bronze at various anodic potentials. The micro-galvanic effects of the constituent elements were used to estimate the anodic equilibrium potentials of the two alloys.     

X80和X52钢在模拟海水环境中的腐蚀行为与规律

采用模拟浸泡实验、腐蚀形貌分析以及动电位极化和电化学阻抗技术研究了X52和X80钢在模拟海水环境中的腐蚀行为。结果表明:饱和氧时即模拟浅海条件下,X80和X52钢试样表面全面腐蚀和点蚀都会发生,腐蚀速率较大;低氧时即模拟深海条件下,二者主要发生点蚀,腐蚀速率较小。通过对X52和X80钢在模拟海水环境中针对含氧量这一影响因素的腐蚀行为与规律的对比分析得出,X80钢更适用于深海。