江苏科技大学乔岩欣副教授团队：电化学充氢对Ti-6Al-4V合金在海水中的腐蚀影响|CJME论文推荐|乔岩欣|氢化物|江苏科技大学|电化学|超导材料|钛合金|阴极

引用论文

Qiao, Y., Qin, Y., Zhou, H. et al. Electrochemical Hydrogen Charging on Corrosion Behavior of Ti-6Al-4V Alloy in Artificial Seawater. Chin. J. Mech. Eng. 37, 2 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-023-00983-6

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研究背景及目的

Ti-6Al-4V合金在海洋环境中得到了广泛的应用。然而，在海洋环境中通常采用阴极保护的方法对海工材料进行防护，在材料腐蚀和阴极保护的条件下通常会产生氢，当Ti-6Al-4V合金和阴极保护的构件连接或接触时，产生的氢极易被合金吸收，并与钛发生反应，形成氢化物(TiHx)并导致材料产生氢致开裂(HIC)，使钛合金的力学性能和耐腐蚀性能显著降低。

目前有关海洋环境中钛合金腐蚀和氢脆行为的研究较少，尤其是关于阴极充氢造成的钛合金组织演变和力学性能改变缺少定量化的研究。此外，氢脆行为和腐蚀行为之间的交互作用也需要进行进一步的探索。为此，本文选取一种传统海洋钛合金Ti-6Al-4V，对合金进行阴极充氢，研究H含量对Ti-6Al-4V微观组织演化和其在人工海水中的腐蚀电化学性能之间的关系，以期对海洋钛合金开发中的组织优化提出合理的思路，对新型高使役性能海洋钛合金的研发提供指导，促进海洋钛合金在我国海洋事业、军工和国防领域得到更为广泛的应用。

试验方法

实验所用样品为锻态Ti-6Al-4V，样品尺寸为10 mm×5 mm×3 mm 的片状试样。用于进行合金表面显微组织观察及XRD组织表征的样品，先用240目SiC砂纸打磨去除试样表面氧化皮，确保样品最终厚度在2 mm左右。将样品的其中一面用 SiC 砂纸逐级打磨至3000目，用二氧化硅悬浊液进行表面抛光至粗糙度1 μm。用超声清洗十分钟去除表面残留物，采用蒸馏水、酒精清洗表面，吹干。然后用Kroll试剂对材料表面进行表面蚀刻，然后放置在干燥箱中备用。

用于电化学腐蚀测试和充氢实验的试样，将试样其中一面与铜导线连接，用环氧树脂将样品封装，保留0.5 cm2的工作面积，采用与微观组织表征试样相同的方式对工作面进行表面抛光和蚀刻后，放置在干燥箱中。电化学实验采用经典三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片（面积40 cm2），实验溶液为人工海水溶液，实验温度为室温。电化学工作站选用美国Gamry公司的 Reference 600+电化学工作站，为了保证实验结果的可重复性，每组实验至少重复三次。

阴极充氢实验采用恒电位极化的方法，使样品处于阴极析氢电位以下，电流密度为20 mA/cm2。充氢时间分别为1 h、4 h、8 h和12 h。充氢实验结束后，对样品进行电化学阻抗、极化曲线测试和微区电化学测试。电化学阻抗谱在开路电位下测量，扫描频率范围100 kHz-10 mHz，激励信号为振幅为10 mV的正弦波，实验数据采用Zview软件拟合。动电位极化曲线的电位扫描范围为-0.5 V-2 V（相对于开路电位），扫描速率为0.333 mV/s。微区阻抗和扫描震动电极测试采用Princeton VersaSCAN电化学工作站进行，扫描范围50 mm×50 mm。

使用蔡司场发射扫描电子显微镜观察充氢前后样品的表面形貌，并利用X射线衍射对充氢前和充氢后的样品物相进行了分析，加速电压 10 kV，电流35 mA，扫描速度为6°/min，步长为0.02°。将不同充氢时间的样品在人造海水中3小时，使用X射线光电子能谱分析样品表面上形成的钝化膜的化学组分。

结果

图1（a）的XRD结果表明，充氢后合金中形成了TiH 1.7 相和TiH 1.5 相两种氢化物，图1（b）的 DSC测量结果也证实了在充氢过程中Ti-6Al-400V合金中氢化物的形成，吸热峰的面积随着充氢时间的增加而增加，表明氢化物的含量增加。

图 1 充氢不同时间的Ti-6Al-4V样品的 (a)XRD 衍射和 (b)DSC 曲线

图2为Ti-6Al-4V样品在充氢12小时后的横截面形貌，从图中可以观察到样品表面形成了氢化物，氢化物呈针状和絮状两种，且α相和α/β相界面更容易形成氢化物。

图2 充氢12h后Ti-6Al-4V的截面形貌: (a) 低倍形貌, (b) , (c) 图a中的区域高倍形貌

随着充氢时间的增加，红色和蓝色值之间的差异变得更加明显，表明样品表面的电势差更大，局部腐蚀的趋势更严重。

图 3 充氢不同时间后的 Ti-6Al-4V 合金在人工海水中的微区阻抗 (a) 0 h; (b) 1 h; (c) 4 h; (d) 8 h (e) 12 h

结论

电化学充氢导致Ti-6Al-4V合金中产生了γ-TiH和δ-TiH 2氢化物，导致Ti-6Al-4V合金在海水中的耐腐蚀性降低。随着充氢时间的增加，氢化物的含量增加，极化电阻降低、腐蚀电流密度增加和钝化区变窄。SVET和LEIS数据进一步支持充氢导致的局部腐蚀趋势增强。耐腐蚀性的降低是由于钝化膜的保护性发生了劣化，Mott-Schottky和XPS分析表明，钝化膜中载流子密度增加，且TiO 2含量降低。

团队带头人

乔岩欣，男，1980年生，博士，主持国家自然科学、江苏省自然科学基金、海洋防务基金和校企联合项目多项。担任Coatings、Metals编委，International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials，Transactions of Nonferrous Metals Society of China和Journal of Iron and Steel Research International青年编委，以第一作者或通讯作者在Corrosion Science, Electrochimica Acta, Journal of Materials Science & Technology, Wear, Tribology Letters以及金属学报等SCI期刊发表论文130余篇，授权中国发明专利4项。

团队研究方向

1、环境力学和化学交互作用下材料的失效行为；

2、材料的腐蚀电化学行为研究；

3、核电结构材料在高温高压水条件下的腐蚀行为研究；

4、焊接接头的腐蚀行为及规律。

近年团队发表文章

[1] F.Y. Gao, Y.X. Qiao, J. Chen, L.L. Yang, H.l. Zhou, Z.B. Zheng, L.M. Zhang, Effect of nitrogen content on corrosion behavior of high nitrogen austenitic stainless steel, npj Materials Degradation, 7 (2023) 75.

[2] Y.X. Qiao, Z.B. Zheng, H.K. Yang, J. Long, P.X. Han, Recent progress in microstructural evolution, mechanical and corrosion properties of medium-Mn steel, Journal of Iron and Steel Research International, 30 (2023) 1463 -1476.

[3] L. Li, Y.X. Qiao, L.M. Zhang, A.L. Ma, E.F. Daniel, R.Y. Ma, J. Chen, Y.G. Zheng, Effect of cavitation erosion induced surface damage on pitting and passive behaviors of 304L stainless steel, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 30 (2023) 1338-1352.

[4] L. Li, Y.X. Qiao, L.M. Zhang, C.T. Li, Z. Liu, R.Y. Ma, L.L. Yang, J.Y. Li, Y.G. Zheng, Effect of cavitation erosion induced surface damage on the corrosion behavior of TA31 titanium alloy, Ultrasonics Sonochemistry, 98 (2023) 106498.

[5] Y.X. Qiao*, W.T. Zhang, X.W. Shen, S.L. Zheng, M.H. Helal, Z.M. El-Bahy, M.M. Ibrahim, H. Algadi, W. Liu, Improved passivation behaviours of Inconel 718 alloy in 0.05 mol/L H2SO4 solution by selective laser melting, Advanced Composites and Hybrid Materials, 7 (2023) 203.

[6] 黄鼎, 乔岩欣, 杨兰兰, 王金龙, 陈明辉, 朱圣龙, 王福会, 基体表面喷丸处理对纳米晶涂层循环氧化行为的影响，金属学报，59 (2023) 668-678.

[7] Y.X. Qiao, X.Y. Wang, L.L. Yang, X.J. Wang, J. Chen, Z.B. Wang, H.L. Zhou, J.S. Zou, F.H. Wang, Effect of aging treatment on microstructure and corrosion behavior of a Fe–18Cr–15Mn–0.66N stainless steel, Journal of Materials Science & Technology, 107 (2022) 197–206.

[8] Y.X. Qiao, Q. Yan, J. Cui, H. Wang, Q. Yin, H.T. Yuan, E. Wilfred, W. Liu, Z.G. Liu, J.Y. Li, J.S. Zou, Effect of hydrogen charging on the corrosion behavior of E690 steel in 3.5 wt.% NaCl solution, Journal of Materials Engineering and Performance, 31 (2022) 3826–3834.

[9] L.L. Yang, Z.H. Zhou, R.Z. Yang, J.L. Wang, M.H. Chen, Y.X. Qiao, S.L. Zhu, F.H. Wang, Effect of Al and Cr on the oxidation behavior of nanocrystalline coatings at 1050 °C, Corrosion Science, 200 (2022) 110191.

作者：乔岩欣

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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