α+β雙相TC4鈦合金由于具有高比強度和可承受極端條件的能力，常被用于深海探測，但在深海的高靜水壓力、低溫和含氯海水等極端環境下，應力腐蝕開裂（SCC）是威脅其結構完整性和運行安全的重要失效模式。中國科學院廣州能源轉換研究所和廣東腐蝕科學與技術創新研究院等單位近日在模擬海洋環境中對商用TC4鈦合金應力腐蝕開裂(SCC)行為的影響進行了研究，并深入探討了其影響機理，該研究結果以“Stress corrosion cracking susceptibility and propagation behavior of TC4 titanium alloy in simulated deep-sea environment”為題被發表在腐蝕領域期刊《Corrosion Science》上。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113201

【核心內容】

這項研究探究了TC4在模擬淺海和深海環境中應力強度因子（KI）、溶解氧（DO）和靜水壓力（HP）對其SCC敏感性以及裂紋擴展行為的影響。發現了裂紋擴展以穿晶為主，在特定晶界有少量沿晶SCC。另外，較高的KI和DO濃度會加快SCC增長率，HP會增強腐蝕反應和氫脆作用。

【研究方法】

該研究通過慢應變速率拉伸試驗（SSRT）評估了TC4在3.5wt.% NaCl溶液中不同靜水壓力下的應力腐蝕開裂敏感性，使用直流電位降法（DCPD）研究了其在該溶液中的應力腐蝕裂紋擴展行為，測量了不同環境和力學條件下的裂紋增長率，結合掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等進行微觀結構表征，闡明裂紋擴展路徑、氧化膜降解和位錯相互作用。

模擬海洋環境中的DCPD測試示意圖

【研究成果】

① 裂紋擴展模式

TC4鈦合金在模擬海洋環境中的應力腐蝕開裂（SCC）以穿晶開裂為主，在如α/β相界或特定α晶粒取向處的特定晶界中存在少量沿晶開裂，該裂紋擴展行為受到了宏觀區和相特異性滑移系等微觀結構特征影響。

在3.5wt.%的NaCl中以各種應力比測試下（a）TC4樣品的CF裂紋擴展和（b）SCC裂紋擴展

0.5T CT TC4樣品的裂紋擴展路徑（a）和斷裂表面（b）

② 應力強度因子（KI）的影響

SCC增長率對KI具有強依賴性，主要呈指數增長趨勢。在HP=0.1 MPa、DO=6000 ppb、3.5 wt% NaCl的實驗條件下，TC4的應力腐蝕臨界應力強度因子（KISCC）約為25MPa√m。

(a)應力強度因子和(b)溶解氧濃度和靜水壓力對3.5 wt% NaCl溶液中TC4樣品CGR的影響

③ 溶解氧（DO）和靜水壓力（HP）的影響

DO濃度與SCCGR呈反比，高的DO通過促進氧化膜破裂和應力集中加速裂紋生長，而低DO則抑制裂紋尖端陽極溶解。另外，HP升高會增強陽極溶解動力學和氫吸附，通過吸附誘導位錯發射（AIDE）和氫增強塑性（HELP）機制可以促進SCC，從而使鈍化膜保護性下降。

淺海環境下DO濃度影響鈦合金SCC的機理示意圖:（a）高溶解氧濃度,（b）低溶解氧濃度

④ 微觀結構及各因素協同作用的影響

宏觀區因取向一致加速裂紋擴展，α相滑移系有限易發生穿晶解理，β相滑移系多裂紋擴展阻力較大，α/β相界為優先腐蝕位點。KI、DO、HP和微觀結構共同作用于TC4的SCC擴展行為，高HP與高DO協同促進SCC，低DO可減輕高HP的不利影響。

用3.5 wt.%的NaCl溶液對α-Ti中的裂紋尖端進行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%的NaCl溶液對α-Ti中的裂紋尖端進行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%NaCl溶液對β-Ti中的裂紋尖端進行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%NaCl溶液對β-Ti中的裂紋尖端進行STEM-EDS分析

【總結與展望】

該研究探究了TC4在模擬淺海和深海環境中的應力腐蝕開裂敏感性及擴展行為，發現其裂紋擴展以穿晶為主、特定晶界有少量沿晶開裂，明確了應力強度因子、溶解氧、靜水壓力及微觀結構對裂紋增長率的影響機制，并揭示了各因素的協同作用。未來需進一步研究深海環境中高靜水壓力與低溶解氧的協同效應，以完善對TC4鈦合金在深海條件下應力腐蝕開裂行為的認知。