不同工艺制备的Ti6Al4V钛合金电化学腐蚀行为研究

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钛合金因具有比强度高和良好的耐蚀性等特点,在航空航天、海洋和生物医学等领域得到了迅速发展及应用。以Ti6Al4V钛合金为例,作为一种典型的α+β钛合金,其应用总量超过钛合金应用总量的60%。其良好的耐蚀性是由于材料表面易形成钝化膜,但在潮湿、多雨、沿海等地区,钝化膜会发生破裂,进而对合金产生腐蚀作用。钛合金常用的加工工艺有铸造、锻造、轧制以及3D打印等,不同工艺制备的材料其微观组织存在明显差异,另外对于3D打印钛合金,在成型过程中不可避免的存在孔洞缺陷。材料的微观组织结构、缺陷等通常会影响其耐腐蚀性能,从而影响材料及结构的服役寿命。本文将对不同工艺制备的Ti6Al4V钛合金电化学腐蚀行为进行研究,分析加工工艺、微观组织形态等对Ti6Al4V钛合金腐蚀行为的影响,对该材料的应用是至关重要的,具有重要的工程实际意义。本文采用电化学腐蚀实验与数值模拟相结合的方法,对Ti6Al4V钛合金的腐蚀行为展开了研究。具体研究内容如下:(1)通过扫描电子显微镜,对腐蚀前的传统锻造和3D打印Ti6Al4V合金的显微组织形貌进行了表征,对3D打印Ti6Al4V合金测定了材料的孔隙率为2.66%。配制了 NaCl和HCl电化学腐蚀溶液,并对厦门港海水样本进行了理化性质检测。(2)对3D打印和传统锻造Ti6Al4V合金,分别在海水、3.5 wt.%NaCl、3.5 wt.%HCl、5 wt.%HCl和10 wt.%HCl溶液中进行了极化曲线的测定。通过Tafel外推法得到腐蚀动力学参数,分析了加工工艺、显微组织结构对Ti6Al4V合金极化曲线的影响。研究发现:由于3D打印Ti6Al4V合金存在孔洞缺陷,易富集Cl-,而表现出较差的耐蚀性,尤其在HCl浓度较高的溶液中,3D打印Ti6Al4V合金的腐蚀速率成倍的增加甚至升高一个数量级,因而对3D打印合金,在服役过程中,对腐蚀损伤而导致的机械性能劣化应进行充分的评估和考虑。且激光功率与扫描速度的比值和合金的相组成也会对Ti6Al4V合金的耐蚀性产生一定的影响。(3)测定了 3D打印和传统锻造Ti6Al4V合金在海水、3.5 wt.%NaCl、3.5 wt.%HCl、5wt.%HCl和10 wt.%HCl溶液中的电化学阻抗谱,通过对等效电路的拟合,对比分析了 3D打印和传统锻造Ti6Al4V合金电化学阻抗谱之间的差异,以及显微组织对传统锻造Ti6Al4V合金、工艺参数对3D打印Ti6Al4V合金电化学阻抗谱的影响,并进一步估算了钝化膜厚度。结果表明:与传统锻造Ti6Al4V合金相比,3D打印Ti6Al4V合金具有较差的耐蚀性,微观结构也是影响Ti6Al4V合金耐蚀性的重要因素,这与极化曲线分析得到的结果相似。(4)应用COMSOL Multi-Physics,建立了钛合金/电解质界面的电化学模型,进行了阻抗的数值模拟及钝化膜厚度估算;同时,分析了 HCl溶液中,Ti6Al4V合金α相和β相的电偶腐蚀机理,预测了β相的腐蚀速率。模拟结果与实验结果吻合较好。因此,数值模拟方法可以用于快速地为Ti6Al4V合金在腐蚀环境中的腐蚀评估提供数据支持。
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