鈦合金因具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和較高的比強(qiáng)度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶和生物醫(yī)療等行業(yè)。20世紀(jì)90年代，國(guó)外就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈦合金管材在石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用[1-3]。

目前，在日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)家和地區(qū)，鈦焊管在很多領(lǐng)域正在逐步取代鈦無縫管和其他管材，被廣泛應(yīng)用在石油能源工業(yè)、冶金工業(yè)、汽車工業(yè)等工程中[4]。另外，水資源缺乏已成為全世界最為關(guān)注和迫切需要解決的重要問題之一，在解決沿海地區(qū)淡水資源緊張的諸多方法中，海水淡化是一種切實(shí)可行的有效方法，而鈦焊管是蒸餾海水淡化換熱管的首選材料[5]。由于鈦焊管具有優(yōu)異的耐腐蝕性，可將其用于石油精煉的熱交換器、蒸餾塔、反應(yīng)器等，會(huì)大幅度降低設(shè)備的維修維護(hù)成本，提高設(shè)備的使用壽命，因此鈦焊管在石油化工行業(yè)的應(yīng)用將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[6-7]。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，也迫切需要在石油天然氣的開采中使用更耐腐蝕的管材，因此近年來也努力嘗試將鈦焊管應(yīng)用于石化行業(yè)。

我國(guó)對(duì)鈦合金焊管在石油天然氣方面的應(yīng)用還處于初始階段，在研制和應(yīng)用中還存在很多問題，2015年超深高含硫氣井才首次使用鈦合金油管[8-9]。本研究以TB5鈦合金為研究對(duì)象，分析研究了熱處理對(duì)TB5鈦合金電化學(xué)腐蝕性能的影響，通過試驗(yàn)得出更合理的熱處理工藝，為TB5鈦合金在石油天然氣焊管中的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

從TB5鈦合金管材上截取試樣，其化學(xué)成分見表1。

1.2試驗(yàn)方法

根據(jù)TB5鈦合金α-β相轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間（755~800℃），將TB5鈦合金試樣分為7組來分別做固溶和時(shí)效處理，熱處理的工藝參數(shù)見表2。

使用布魯克D8ADVANCE系列衍射儀對(duì)7組試樣進(jìn)行物相分析來獲得TB5鈦合金的物相組成；試樣經(jīng)過制樣、打磨、拋光處理后使用徠卡DMi8金相顯微鏡來觀察各組TB5鈦合金試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)；電化學(xué)試驗(yàn)采用的儀器是RST5000系列電化學(xué)工作站，試驗(yàn)過程中OCP、EIS、Tafel試驗(yàn)所用到的溶液均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的氯化鈉溶液，點(diǎn)蝕用到的溶液是5mol/L的鹽酸溶液，鹽酸溶液的配置要使用市場(chǎng)上36%的工業(yè)鹽酸與去離子水以體積比1∶2.4進(jìn)行配置，最終獲得不同熱處理?xiàng)l件下試樣耐腐蝕性能數(shù)據(jù)。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1XRD分析

圖1所示為3組固溶數(shù)據(jù)和4組時(shí)效數(shù)據(jù)的XRD分析圖，可看出XRD圖譜由β相和次生α相組兩種衍射峰組成，固溶處理的3組樣品以及時(shí)效溫度為400℃和450℃時(shí)試樣XRD衍射峰中全是β相，晶面指數(shù)分別為（110）、（200）、（211），無α相衍射峰出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)效溫度為500℃時(shí)圖譜中出現(xiàn)了明顯的α相衍射峰，晶面指數(shù)分別為（100）、（101）、（102）、（110）。圖2所示為XRD圖譜的局部放大圖，可以看到當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到550℃時(shí)，晶面指數(shù)為（100）和（101）的次生α相衍射峰強(qiáng)度較500℃時(shí)降低。并且晶面指數(shù)為（102）和（110）的次生相基本完全溶解。說明次生α相含量隨著時(shí)效溫度的升高先增多，到500℃時(shí)含量達(dá)到最 多，大于500℃后次生相的含量又開始減少。

2.2金相分析

圖3所示為固溶處理試樣的金相照片，可看出TB5鈦合金固溶處理后為單一的β相組織，這與理論相吻合，根據(jù)鈦合金的相變點(diǎn)公式可以算出其相變點(diǎn)溫度大約為755℃[10]，為確保固溶溫度在其相變點(diǎn)之上，試驗(yàn)最低固溶溫度取為800℃，此時(shí)鈦合金中的α相完全轉(zhuǎn)變成β相。

此外還可以看出，隨著固溶溫度的升高，TB5鈦合金的晶粒尺寸越來越大，800℃固溶時(shí)晶粒尺寸為86μm，950℃固溶時(shí)晶粒尺寸增大到了210μm，由此可見在TB5鈦合金相變點(diǎn)以上的固溶處理效果為改變晶粒尺寸，且固溶溫度越高晶粒尺寸越大。

圖4所示為時(shí)效處理后的各組金相照片，當(dāng)固溶溫度過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致β晶粒迅速長(zhǎng)大，晶界體積相應(yīng)減少，這樣會(huì)使TB5鈦合金試樣一些性能降低，并且可能產(chǎn)生β脆性相[11]。為了保證試樣良好的力學(xué)性能，以便對(duì)其之后的耐腐蝕性能的研究，選取800℃為固溶溫度，在此固溶溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)效。根據(jù)金相照片，400℃時(shí)效處理的組織仍為單一的β相組織，這是由于時(shí)效溫度較低，析出次生α相是一個(gè)很慢的過程，組織反應(yīng)速度慢，β相還來不及析出次生α相[12-13]；當(dāng)時(shí)效溫度達(dá)到500℃時(shí)可以觀察出晶粒組織中析出大量的α相，并且分布均勻，幾乎彌漫了全部的晶界；繼續(xù)提高時(shí)效溫度，當(dāng)時(shí)效溫度為550℃時(shí)，次生相的含量比500℃時(shí)少了很多，這是因?yàn)門B5鈦合金在時(shí)效過程中同時(shí)存在次生相的析出和溶解，當(dāng)時(shí)效溫度過大時(shí)次生相的溶解速度將會(huì)大于其析出速度[10]，在之前晶粒中存在的彌散的次生相將會(huì)重新溶解到β相中。

2.3電化學(xué)測(cè)試分析

表3和圖5為Tafel測(cè)試結(jié)果，測(cè)試溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液?？梢钥吹焦倘艿?組試樣腐蝕電位和腐蝕電流密度有明顯的趨勢(shì)，隨著固溶溫度的升高，腐蝕電位越來越低，腐蝕電流密度越來越高，表明晶粒越小越耐腐蝕，這是因?yàn)榫Ы缑娣e越大，晶界體積分?jǐn)?shù)越高，必然會(huì)提供更多的活性位點(diǎn)，迅速形成保護(hù)鈍化層[11-15]。

通過對(duì)比4組時(shí)效Tafel數(shù)據(jù)與3組固溶數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)時(shí)效后的試樣腐蝕電位基本都有明顯的提升，另外腐蝕電流密度也有明顯下降。對(duì)比時(shí)效的4組數(shù)據(jù)可以看出，材料的耐腐蝕性隨著時(shí)效溫度的升高呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。綜合上述規(guī)律可以看出，TB5鈦合金經(jīng)過時(shí)效后的耐腐蝕性優(yōu)于固溶處理，且耐腐蝕性強(qiáng)弱與次生相的多少有關(guān)，次生相越多TB5鈦合金的耐腐蝕性能越好。

圖6所示為7組試樣經(jīng)過擬合后的阻抗譜Nyqust圖，可以看出時(shí)效處理后的TB5鈦合金的圓弧曲率半徑均比固溶處理的圓弧半徑大，代表著時(shí)效后的試樣耐腐蝕性能更好。從3條固溶圓弧線來看，耐腐蝕性能的強(qiáng)弱由大到小對(duì)應(yīng)的固溶溫度依次為800℃、850℃和950℃，這與Tafel測(cè)試得到的結(jié)論一致。圖6中圓弧曲率半徑最大的是500℃時(shí)效的試樣，呈現(xiàn)出的規(guī)律為隨著時(shí)效溫度的提高，材料的耐腐蝕性能先增大后減小，有一個(gè)峰值，這與此前的Tafel測(cè)試結(jié)果也符合。

3、結(jié)論

（1）隨著固溶溫度的提高，TB5鈦合金的晶粒尺寸逐漸變大，950℃固溶處理比800℃固溶的尺寸增大了約125μm，TB5鈦合金的耐腐蝕性隨晶粒尺寸的增大而降低。

（2）由于次生α相的析出，TB5試樣經(jīng)過時(shí)效后的耐腐蝕性能要比經(jīng)過固溶處理的顯著提升，樣品耐腐蝕性能隨時(shí)效溫度的提高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

（3）耐電化學(xué)腐蝕性能最優(yōu)的熱處理工藝是800℃固溶+500℃時(shí)效、保溫1h，腐蝕速率為1.44×10-3mm/a。

參考文獻(xiàn)：

[1] SCHUTZ R W ， WATKINS H B. Recent developments in titanium alloy application in the energy industry[J]. Mate-rials Science and Engineering A ， 1998 ， 243 （ 1-2 ）： 305-315.

[2] 劉強(qiáng)，宋生印，李德君，等 . 鈦合金油井管的耐腐蝕性能及應(yīng)用研究進(jìn)展 [J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械， 2014 ， 43 （ 12 ）：88-94.

[3] 謝祎，羅求能，吳芝華，等 . 國(guó)內(nèi)鈦焊管的發(fā)展及其在石化行業(yè)的應(yīng)用 [J]. 焊管， 2016 （ 3 ）： 12-15.

[4] 郭鯉，何偉霞，周鵬，等 . 我國(guó)鈦及鈦合金產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 [J]. 熱加工工藝， 2020 ， 49 （ 22 ）： 22-28.

[5] 謝祎 . 超薄壁鈦焊管在蒸餾海水淡化中的應(yīng)用 [J]. 焊管， 2018 ， 41 （ 10 ）： 30-35.

[6] 屠振密，李寧，朱永明 . 鈦及鈦合金表面處理技術(shù)和應(yīng)用 [M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2010.

[7] 李獻(xiàn)軍，王鎬，羊玉蘭，等 . 鈦及鈦合金在油氣開采中的應(yīng)用 [J]. 中國(guó)金屬通報(bào)， 2012 （ 38 ）： 22-23.

[8] 史雪芝，周小虎 . 鈦合金油井管性能研究及應(yīng)用評(píng)價(jià)現(xiàn)狀 [J]. 鋼管， 2015 ， 44 （ 1 ）： 10-14.

[9] 張峰，等 . 鈦合金油井管應(yīng)用研究現(xiàn)狀及進(jìn)展 [J]. 焊管， 2017 ， 40 （ 11 ）： 7-11

[10] 張虎 . 一種新型 β 鈦合金的固溶處理試驗(yàn)研究 [J].熱加工工藝， 2014 ， 43 （ 22 ）： 206-207.

[11] 胡志杰，馮軍寧，馬忠賢，等 . 我國(guó)鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀 [J]. 金屬熱處理， 2021 ， 46 （ 3 ）： 243-246.

[12] 鹿超龍，楊文成，權(quán)國(guó)政，等 . 固溶 + 時(shí)效處理對(duì) TB6 鈦合金組織的影響 [J]. 熱加工工藝， 2021 ， 45(12): 24-28.

[13] 劉洋，王穎，劉崇智，等 . Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 鈦合金固溶 - 時(shí)效過程的析出行為 [J]. 稀有金屬材料與工程，2019 ， 48 （ 6 ）： 1936-1943.

[14] 羅檢，張勇，鐘慶東，等 . 晶粒度對(duì)一些常用金屬耐腐蝕性能的影響 [J]. 腐蝕與防護(hù)， 2012 ， 33 （ 4 ）： 349-352 ， 356.

[15] TING K. Grain size effects on the corrosion behavior of Ni 50.5 Ti 49.5 and Ni 45.6 Ti 49.3 Al 5.1 films[J]. Journal of Electro-analytical Chemistry ， 2008 ， 68 （ 14 ）： 454-461.

作者簡(jiǎn)介： 孟亞閣 （ 1998 —）， 男， 石家莊鐵道大學(xué)在讀碩士研究生， 主要研究鈦合金的腐蝕與防護(hù)。