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

文章鏈接：

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

【核心內(nèi)容】

這項(xiàng)研究探究了TC4在模擬淺海和深海環(huán)境中應(yīng)力強(qiáng)度因子（KI）、溶解氧（DO）和靜水壓力（HP）對(duì)其SCC敏感性以及裂紋擴(kuò)展行為的影響。發(fā)現(xiàn)了裂紋擴(kuò)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(huì)加快SCC增長(zhǎng)率，HP會(huì)增強(qiáng)腐蝕反應(yīng)和氫脆作用。

【研究方法】

該研究通過慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）評(píng)估了TC4在3.5wt.% NaCl溶液中不同靜水壓力下的應(yīng)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(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展行為，測(cè)量了不同環(huán)境和力學(xué)條件下的裂紋增長(zhǎng)率，結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，闡明裂紋擴(kuò)展路徑、氧化膜降解和位錯(cuò)相互作用。

模擬海洋環(huán)境中的DCPD測(cè)試示意圖

【研究成果】

① 裂紋擴(kuò)展模式

TC4鈦合金在模擬海洋環(huán)境中的應(yīng)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(kuò)展行為受到了宏觀區(qū)和相特異性滑移系等微觀結(jié)構(gòu)特征影響。

在3.5wt.%的NaCl中以各種應(yīng)力比測(cè)試下（a）TC4樣品的CF裂紋擴(kuò)展和（b）SCC裂紋擴(kuò)展

0.5T CT TC4樣品的裂紋擴(kuò)展路徑（a）和斷裂表面（b）

② 應(yīng)力強(qiáng)度因子（KI）的影響

SCC增長(zhǎng)率對(duì)KI具有強(qiáng)依賴性，主要呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。在HP=0.1 MPa、DO=6000 ppb、3.5 wt% NaCl的實(shí)驗(yàn)條件下，TC4的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子（KISCC）約為25MPa√m。

(a)應(yīng)力強(qiáng)度因子和(b)溶解氧濃度和靜水壓力對(duì)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(jìn)氧化膜破裂和應(yīng)力集中加速裂紋生長(zhǎng)，而低DO則抑制裂紋尖端陽極溶解。另外，HP升高會(huì)增強(qiáng)陽極溶解動(dòng)力學(xué)和氫吸附，通過吸附誘導(dǎo)位錯(cuò)發(fā)射（AIDE）和氫增強(qiáng)塑性（HELP）機(jī)制可以促進(jìn)SCC，從而使鈍化膜保護(hù)性下降。

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

④ 微觀結(jié)構(gòu)及各因素協(xié)同作用的影響

宏觀區(qū)因取向一致加速裂紋擴(kuò)展，α相滑移系有限易發(fā)生穿晶解理，β相滑移系多裂紋擴(kuò)展阻力較大，α/β相界為優(yōu)先腐蝕位點(diǎn)。KI、DO、HP和微觀結(jié)構(gòu)共同作用于TC4的SCC擴(kuò)展行為，高HP與高DO協(xié)同促進(jìn)SCC，低DO可減輕高HP的不利影響。

用3.5 wt.%的NaCl溶液對(duì)α-Ti中的裂紋尖端進(jìn)行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%的NaCl溶液對(duì)α-Ti中的裂紋尖端進(jìn)行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%NaCl溶液對(duì)β-Ti中的裂紋尖端進(jìn)行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%NaCl溶液對(duì)β-Ti中的裂紋尖端進(jìn)行STEM-EDS分析

【總結(jié)與展望】

該研究探究了TC4在模擬淺海和深海環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性及擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)其裂紋擴(kuò)展以穿晶為主、特定晶界有少量沿晶開裂，明確了應(yīng)力強(qiáng)度因子、溶解氧、靜水壓力及微觀結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋增長(zhǎng)率的影響機(jī)制，并揭示了各因素的協(xié)同作用。未來需進(jìn)一步研究深海環(huán)境中高靜水壓力與低溶解氧的協(xié)同效應(yīng)，以完善對(duì)TC4鈦合金在深海條件下應(yīng)力腐蝕開裂行為的認(rèn)知。