引言

艦艇海水管系是艦艇推進保障系統、發電機組保障系統和輔助系統的重要組成部分，對艦艇運轉的安全性和可靠性起著重要的作用[1] 。海水管系處在高鹽、高濕和高溫的工作環境中，往往會伴隨嚴重的腐蝕問題[2] 。隨著新材料技術的發展，鈦合金以其耐腐蝕等優良的綜合性能成為了海水管系的理想使用材料，美國、日本、俄羅斯等國家已經開展鈦合金海水管系的應用研究，并逐步替換傳統的銅鎳合金等海水管系[3] 。

隨著鈦合金在艦艇海水管系上的應用，其焊接技術也越來越引起人們的重視，然而鈦合金焊接時的焊接接頭軟化、強度降低和組織不均勻以及焊縫附近區域產生的殘余應力和接頭處的焊接缺陷[4]都會使其發生應力腐蝕。

現階段的研究主要集中在鈦合金焊接過程和接頭力學性能上，對焊縫的應力腐蝕研究較少。本文以 TC4 鈦合金為研究對象，通過慢應變速率拉伸試驗，采用不同應變速率，研究了 2 mm 厚的 TIG 焊 TC4 鈦合金焊接接頭在 3.5%NaCl 溶液中的應力腐蝕斷裂行為，通過觀察應力腐蝕斷口形貌，研究了 TC4 鈦合金焊接接頭斷裂機理，為改善焊接接頭的耐蝕性以及在海洋環境下的耐應力腐蝕性提供了試驗基礎。

1 、試驗材料及方法

本試驗所用 TC4 鈦合金的主要成分如表 1 所示。

TC4 鈦合金力學性能如表 2 所示。

慢應變拉伸試驗試樣尺寸如圖 1 所示。試樣用砂紙逐級打磨，用無水乙醇清洗，丙酮脫脂處理后，安裝在慢拉伸機上。工作區浸泡在實驗溶液中，實驗溶液為 3.5%NaCl 溶液，用 40% 稀硫酸調試 PH 為 7~8 之間。試驗過程中采用的拉伸速率如表 3 所示。試驗環境為常溫常壓，試驗結束后，截取接頭斷口，放置干燥皿中備用，采用 EPMA 進行觀察。

圖 1 試樣尺寸示意圖（單位 /mm）

為了表征 TC4 鈦合金焊接接頭在 3.5%NaCl 溶液中的應力腐蝕敏感性，定義應力腐蝕指數 PRA （即韌性損失）作為應力腐蝕敏感性的判斷依據，PRA 值越小于 0.5說明材料有較高的應力腐蝕敏感性。

式中：RA 為斷裂收縮率；A i 為拉伸前橫截面積；A f 為拉伸后橫街面積；RA e 為試驗溶液中的 RA；RA c 為空氣中的 RA。

2、 試驗結果與分析

2.1 TC4 鈦合金焊接接頭組織

TC4 鈦合金焊接接頭金相組織如圖 2 所示，TC4 鈦合金焊接接頭主要分為母材區、過渡區、細晶區、粗晶區以及焊縫區。過渡區組織相變發生不完全，晶粒尺寸接近母材且區域很窄。細晶區組織在相變點以上溫度停留時間短，經過快速冷卻后，較母材組織有所長大。粗晶區峰值溫度接近熔點且高溫停留時間長，加上處于相變點以上溫度的 β 相原子擴散系數大，晶粒長大明顯。焊縫區在相變溫度以上停留的時間最長，冷卻最慢，高溫 β 相向 α' 相的過渡較充分，β 相晶粒嚴重粗大[5] ，焊縫區主要為針狀 α' 相，α' 相在 β 晶界內交織排列，形成錯綜復雜的網狀結構。由此可見粗晶區與焊縫區之間的熔合區有很強的組織不均勻性，主要為粗大的過熱組織，塑性下降嚴重，又由于有馬氏體存在，此區域硬度一般較大，是容易發生應力腐蝕的位置。

圖 2 TC4 鈦合金焊接接頭金相組織

2.2 SSRT 行為分析

不同拉伸速率下試樣在空氣和海水中的慢拉伸應力-應變曲線如圖 3 所示，拉伸變形存在彈性變形和塑性變形階段，曲線的屈服并不明顯，總體上海水中拉伸件的延伸率低于在空氣中的延伸率，這說明材料在海水中表現出一定應力腐蝕敏感性。海水中拉伸曲線的強化階段小于空氣中拉伸曲線的強化階段，說明在海水中材料的塑性有所降低。另外，材料在海水中的斷裂強度低于在空氣中的斷裂強度，說明在海水環境下會促進材料位錯運動，致使材料強度降低。

圖 3 不同應變速率下載海水和空氣中應力 - 應變曲線

試樣在空氣和海水中的慢拉伸結果如表 4 所示，隨著拉伸速率的增加，斷裂強度普遍降低，延伸率下降，說明高速率下材料應力腐蝕敏感性增加。當拉伸速率為0.24 mm/min 時的斷裂強度會率高于 0.12 mm/min 拉伸速率下的斷裂強度，這有可能與試樣斷裂位置有關，0.24 mm/min 拉伸速率斷裂位置為融合區附近，組織主要為網狀馬氏體 α' 相，所以會導致斷裂強度有所提高。在海水環境下慢拉伸的延伸率要低于在空氣中的延伸率，拉伸速率達到 0.24 mm/min 時，延伸率下降最為明顯，從 20.383% 下 降 到 13.324%。 由 表 4 可 知， 海水下的斷面收縮率普遍低于空氣中的斷面收縮率，整體趨勢為先增加后下降。通過式（1）和式（2）計算得出的敏感系數可知，當拉伸速率為 0.012 mm/min、0.018 mm/min、0.024 mm/min 時，TC4 鈦 合 金 焊 接 接頭應力腐蝕敏感性很低，斷裂位置為母材，表現出較高的應力腐蝕抵抗能力。當拉伸速率達到 0.12 mm/min 時開始出現一定的應力腐蝕敏感性，隨著拉伸速率的進一步增加，應力腐蝕敏感性不斷加大，當拉伸速率達到0.24 mm/min 時，敏感系數 Iscc 可達到 62.28，且斷裂位置出現在熱影響區與焊縫區交界處，說明焊縫熔合區成為應力腐蝕敏感區。

圖 4 不同應變速率下 TC4 鈦合金焊接接頭在海水環境中的宏觀斷口形貌

TC4 鈦合金焊接接頭表現出在低應變速率下對應力腐蝕不敏感，在高速率下對應力腐蝕較為敏感的特征，這與鈦合金的鈍化膜自愈性有關，當其鈍化膜遭到破壞時，能夠迅速修復，彌合形成新的保護膜[6] 。在較低拉伸速率下，氧化膜被破壞后新氧化膜形成較快，有很強的應力腐蝕抵抗能力。隨著拉伸速率的提高，TC4 鈦合金焊接接頭的應力腐蝕敏感性增加，且斷裂位置出現在熔合區附近，可能與此區域存在的少量缺陷、表面氧化導致接頭質量的下降與組織不均勻性的共同作用有關，導致此處應力腐蝕敏感性變大。

2.3 斷口形貌分析

不同拉伸速率下 TC4 鈦合金焊接接頭在海水中的宏觀斷口形貌如圖 4 所示，在不同拉伸速率下，TC4 鈦合金焊接接頭都出現了不同程度的縮頸現象。實驗過程中發現，隨著拉伸速率的增加，縮頸程度下降，當拉伸速度為 0.24 mm/min 時，縮頸程度最小。慢拉伸后材料的斷裂位置普遍發生在母材，只有當拉伸速率為0.24 mm/min 時，斷裂位置發生在熔合區附近，熔合區成為敏感區域。綜上所述可知，隨著拉伸速率增大，TC4 鈦合金應力腐蝕敏感性越大，熔合區由于其組織不均勻和可能存在的缺陷將會成為敏感性高的斷裂位置。

不同應變速率下 TC4 鈦合金焊接接頭在海水環境中的微觀形貌圖如圖 5 所示，圖 5（a）是在 0.18 mm/min速率下的微觀形貌圖，圖中可以看出斷口存在大量韌窩，說明斷裂形式主要為韌性斷裂。韌窩包含著微孔的形成、長大、匯合并最終斷裂，其主要收到夾雜物或第二相粒子影響，韌窩越大說明塑性越好，可見當拉伸速率為0.18 mm/min 時表現出一定良好的塑韌性。圖 5（b）是在 0.24 mm/min 拉伸速率下的微觀形貌，從斷口微觀形貌中可以看出，斷裂位置出現韌窩，韌窩數量變少，主要以韌性斷裂為主。在海水環境下，以不同速率斷裂的TC4 鈦合金焊接接頭以韌性斷裂為主，表現出良好的耐應力腐蝕特性，當速率增加到 0.24 mm/min 時表現出一定的應力腐蝕敏感程度上升，這與之前結果一致。

圖 5 不同應變速率下 TC4 鈦合金焊接接頭在海水環境中的微觀斷口形貌

3、 結語

1）TC4 鈦合金焊接接頭熔合區附近為粗大的過熱組織，存在嚴重的組織不均勻性，此區域晶粒長大嚴重，塑性下降較大，又因為有大量馬氏體，硬度較高，成為焊接接頭薄弱區域。

2）TC4 鈦合金焊接接頭在海水中隨拉伸速率的增加，應力腐蝕敏感性不斷增加。斷面收縮率在拉伸速率為 0.24 mm/min 時最小，應力腐蝕敏感系數達到最大。拉伸速率較低時，并未表現出應力腐蝕敏感性，當速率增加時表現出一定應力腐蝕敏感性，但是 TC4鈦合金焊接接頭整體抵抗應力腐蝕能力較強，不易發生應力腐蝕。

3） TC4 鈦合金焊接接頭在拉伸速率為 0.24 mm/min時斷裂位置出現在融合區附近，宏觀斷口顯示縮頸程度較低，微觀斷口下觀察到較少的韌窩。焊縫熔合區成為發生應力腐蝕敏感區域，這與融合區組織不均勻性、焊縫本身存在一定缺陷和應力協同作用的有關。

參考文獻：

[1] 王炳欽 , 夏登輝 , 李卓玄 , 等 . 海水管系中異種金屬管道耦接腐蝕模擬研究 [J]. 裝備環境工程 ,2023(4):64-71.

[2] 張挺 , 楊鋒 , 羅寧昭 , 等 . 船舶海水管路腐蝕及監測技術發展綜述 [J]. 艦船科學技術 ,2019,41(13):1-5.

[3]董潔,李獻民,姜鐘林,等.鈦在海軍潛艇上的應用與展望[J].金屬世界 ,2015(4):1-5.

[4] 房衛萍 , 肖鐵 , 張宇鵬 , 等 . 超厚板 TC4 鈦合金電子束焊接頭應力腐蝕敏感性 [J] . 焊接學報 , 2019, 40(12) :121-128.

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[6] 錢江 , 趙滿 , 姜祎 . 鈦合金海水管路上艦應用影響與關鍵技術問題 [J]. 艦船科學技術 ,2019,41(9):55-56.

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