钛/铝爆炸复合板的耐腐蚀性能研究

夏鸿博，王少刚，贲海峰

(南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016)

铝合金具有密度低、导电和导热性能好、易于加工成形，价格低廉等优点，在许多工业领域中应用广泛。但是与钢铁等其它合金材料相比，其强度和硬度等力学性能较低，耐热性能较差，在一定程度上限制了其在实际生产中的使用。如何利用铝合金的低密度又使其具有优异的综合性能，以满足某些特殊领域对材料的性能要求，一直是材料工作者致力于研究开发的重要课题之一。钛及其合金具有比强度和比模量高、耐热、耐腐蚀等特点，采用爆炸焊接方法制备的钛/铝复合板，在小幅度增加材料本身密度的同时，又能充分利用钛优异的耐腐蚀性能，从而大大提高材料的使用寿命［1-2］。目前，钛/铝复合板已在相关行业中得到应用，文献［3-4］对钛/铝爆炸复合板进行了一定研究，主要集中在钛/铝复合板的微观结构和力学性能及后续加工工艺方面，而有关钛/铝复合板的耐腐蚀性能研究还较为少见。该类复合板在实际应用中一般会涉及腐蚀环境介质，加上影响复合板爆炸焊接质量的因素众多，有可能影响其耐腐蚀性，因此有必要对钛/铝复合板的耐腐蚀性能进行分析研究，以期为钛/铝复合板在工业生产中应用提供参考。

1 试验材料及方法

试验母材以2 mm TA2工业纯钛作为覆板，6 mm 2A12硬铝合金作为基板，采用爆炸焊接方法制备钛/铝复合板。TA2和2A12的化学成分分别见表1和表2。分别采用静态失重法测定钛/铝复合板在人工海水中的失重腐蚀速率，以及采用电化学腐蚀测试方法测定复合板的动电位极化曲线和交流阻抗谱，并与基板2A12铝合金和覆板TA2在试验条件下的耐蚀情况进行对比。

表1 TA2的化学成分Table 1 Chemical compositions of TA2 w，%

表2 2A12硬铝合金的化学成分Table 2 Chemical compositions of 2A12 w，%

(1)静态失重法:分别制备2 mm×10 mm×10 mm的TA2纯钛、2 mm×10 mm×10 mm 2A12硬铝合金以及2 mm(1 mm TA2+1 mm 2A12)×10 mm×10 mm钛/铝复合板腐蚀试样，然后将其放入配比为H2O(100 ml)+NaCl(2.67 g)+MgCl2(0.23 g)+Mg2SO4(0.33 g)的人工海水中浸泡。每隔5 d测量3者的质量损失，通过质量损失的情况来比较3者的耐腐蚀性能。

(2)动电位极化曲线法:分别截取TA2纯钛、2A12硬铝合金和爆炸焊接后获得钛/铝复合板焊缝金属腐蚀试样作为研究电极。在试样背面利用导电胶和铜丝连接，外面再用A/B胶包裹住，露出面积为8 mm×8 mm的测试面，制备的腐蚀试样如图1所示。然后对测试面进行打磨、抛光和清洁处理，以保证测试面的光洁性。利用CHI660A型电化学工作站分别测定3种试样的Tafel极化曲线。所用的电极为三电极体系:饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极。电解液采用人工海水溶液。在测试之前，先将试样浸泡在溶液中约30 min，使系统稳定，然后进行测试。测试时的扫描速度为0.001V/s。

图1 电化学腐蚀实验试样Fig.1 Sample of electrochemical corrosion test

(3)交流阻抗法:对上述极化测试后的腐蚀试样进行清洁处理，然后对其进行交流阻抗的测量。将清洁后的试样在腐蚀液中浸泡约30 min，以获得稳定的开路电位(OCP)。之后进行交流阻抗的测定，所采用的技术参数为:施加交流正弦激励信号，幅值5 mV、扫描频率 105～10－2Hz、扫描速度0.01 V/s。依据测试记录的数据，绘制3种试样的Nyquist图和Bode图。

2 实验结果及分析

2.1 失重腐蚀速率

静态失重法，其衡量标准为失重腐蚀速率，即单位面积上的材料在单位时间内所损失的质量。测得3种试样的失质量腐蚀速率见表3，拍摄试样腐蚀后的点蚀形貌照片如图2所示。表3中的数据为浸泡不同时间段后，计算出的失重腐蚀速率。从表中的数据可以看出，在试验条件下，3种试样的腐蚀速率由大到小的顺序为:2A12＞钛/铝复合板＞TA2。

表3 复合板及基体母材的失重腐蚀速率Table 3 Weight-losing velocity of cladding and parent metals g/(m2·h)

图2 3种材料在人工海水中的点蚀形貌Fig.2 Three materials’corrosion morphology in the artificial sea-water

在3种腐蚀试样中，基体2A12铝合金的耐腐蚀性能最差，这是因为在人工配置的海水中含有大量的Cl－，易在腐蚀孔口处形成Al(OH)3腐蚀产物沉积层。一部分Cl－还会被吸收进入腐蚀层，以AlCl3的形式存在［5-6］。从图2(a)中钛侧表面的腐蚀形貌可以看出，腐蚀坑的尺寸小、数量极少，表明钛的耐腐蚀性能好，这是由于在其表面容易形成一层牢固附着的致密的钝化膜，使其难以发生点蚀。由于人造海水中还含有其他金属元素，这就会使得钛的氧化膜发生一定程度的击穿，进而发生点蚀，再加上钛表面的微观形貌本来就存在一定的凹凸不平，这也为钛的点蚀提供了条件，导致其发生微量腐蚀。在图2(c)中，上部为铝、下部为钛。复合板的耐腐蚀性能介于两者之间。可以看到其腐蚀点主要位于界面处以及界面上方的2A12侧。这是因为，在人工海水环境下，钛和铝由于存在电负性差而形成了原电池效应。由于铝具有更高的电负性而作为阳极受到腐蚀，钛的耐腐蚀性能较强，钛侧受到的腐蚀很小。从图中还可以发现，在结合界面处的腐蚀相对较严重。这是由于爆炸焊接复合板在界面处可能存在较大的残余应力，在人工海水介质作用下，发生了应力腐蚀，另一方面，复合板结合界面处的显微组织所示，在复合板界面处还存在着局部熔化物，这也会促进复合界面处的腐蚀。

图3 钛/铝复合板结合界面处局部熔化物Fig.3 Local melting in the interface of Ti-Al cladding

2.2 极化曲线

测得钛/铝复合板及基体母材在人工海水中的Tafel曲线如图4所示，对应的电化学腐蚀试验数据见表4。通常，自腐蚀电位越大，材料就越难以发生电化学腐蚀，由表中的数据可以得出，3种试验材料耐腐蚀性能的大小顺序为:TA2＞复合板＞2A12。3种材料的自腐蚀电流大小排序为TA2的最小，2A12的最大，复合板的居中。腐蚀电流越大，表明材料的腐蚀速率越快，材料越容易受到腐蚀。上述测试结果与浸泡失质量法所得到的实验结果相吻合。图5为动电位极化曲线测试完成后拍摄的复合板试样的腐蚀形貌照片。图中左侧为TA2，右侧为2A12。从图中可以看出，在2A12侧可看到许多凸起的小颗粒状形貌，这是2A12被腐蚀以后形成的，在文献［7］中也观察到了类似结果。

图4 钛/铝复合板及基体母材在人工海水中Tafel曲线Fig.4 Tafel curve of Ti-Al cladding and parent metals

表4 极化曲线测试结果Table 4 Test results of Tafel curve

图5 钛/铝复合板界面处的电化学腐蚀形貌Fig.5 Electrochemical corrosion morphology in the interface of Ti-Al cladding

2.3 交流阻抗谱

测得3种试样在人工海水中的Nyquist图和Bode图分别如图6～7所示。从图6中可以看到，3种试样的交流阻抗图谱形态都表现为一个单容抗弧。在交流阻抗谱中，电荷迁移时受到的电阻大小可用Nyquist图中容抗弧的半径(Rt)来标识。一般来说，容抗弧的半径即为材料耐腐蚀性能的标志，容抗弧的半径越大，表示材料的耐腐蚀性能越好。可以看出，TA2的容抗弧半径大于2A12和复合板结合界面区，说明TA2的耐腐蚀性能要比2A12和复合板结合界面区的好。其原因如前所述，TA2表面能够迅速形成致密的钝化膜，从而阻止材料受到腐蚀。

图6 3种试样在人工海水中的Nyquist图Fig.6 Nyquist curve of three materials in artificial sea-water

图7 3种试样在人工海水中的Bode图Fig.7 Bode curve of three materials in artificial sea-water

由图7中3种材料在人工海水中的Bode图可以看到，在中高频(1～105Hz)区域，3种材料的相差不大，而在中低频(10－2～1 Hz)区域，3种材料的|Z|值大小排序为TA2＞复合板结合界面区 ＞2A12。阻抗越大，说明材料表面膜层对电荷迁移的阻力越大，在材料与电解质溶液之间的电极反应发生的速度越慢［8］，表明材料的耐腐蚀性能越好。

3 结论

(1)静态失重法和电化学腐蚀实验结果表明，在试验条件下，TA2/2A12复合板的耐腐蚀性能介于其两种组成材料之间，3种试样的耐腐蚀性能由大到小的顺序为:TA2＞复合板结合界面区 ＞2A12，总体上钛/铝复合板具有较好的耐蚀性能。

(2)TA2/2A12爆炸复合板结合界面受到腐蚀可能是由于在爆炸焊接过程中结合界面处产生了局部熔融物和爆炸焊接残余应力所致。

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