钛合金活塞体表面剥蚀原因分析

张秋颖 马天骄

摘 要：氢气压缩机使用的钛合金活塞体表面严重剥蚀，经过各项检测分析，得出活塞体剥蚀主要是由于钛合金在氢气环境发生了氢脆，氢化物集中在活塞体环槽表面，造成了活塞体表面脆性氢化物剥落。

关键词：活塞体;钛合金;剥蚀;氢脆

中图分类号：TK422 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0047-02

0 概述

某用户现场使用的氢气压缩机在工艺运行20天左右时，出现了气缸剧烈振动导致机组报警停机的状况，对压缩机进行拆缸盖检修，抽出活塞体后发现了活塞体表面已经完全损坏，活塞环槽全部消失（见图1）。据现场了解和资料显示，本次氢气压缩机项目使用的活塞体材料为钛合金，气缸的进排气温度均在100℃以下，由于第一次出现这样严重的活塞体损坏现象，需要根据已知情况对活塞体进行检测分析。

1 检测分析

由于活塞体出现了严重的剥蚀现象，表面环槽全部剥蚀不见，拆卸后对损坏最为严重的活塞体进行了以下检测分析，以下分析的所有取样均来自同一活塞体。

1.1 活塞体材料检测

在活塞体损坏处取样，利用X射线荧光光谱仪进行材质的化学成分复检，活塞体主要成分见表1，分析结果为此活塞体材料确为钛合金TC4，即活塞体材料与资料显示相同。

1.2 活塞体含氢量检测

对活塞体进行取样，制成直径4mm的试棒，经TCH600仪器检测，试棒氢含量为2700ppm。

1.3 活塞体宏观检测

取样活塞体表面已严重损坏，活塞环槽完全剥蚀，见图2。

1.4 活塞体金相组织检测

在活塞体环槽位置取金相样品，磨制金相样品后在金相显微镜及扫描电镜下观察其组织形貌。样品由两相组织构成，外表面有氢化物析出，其组织形貌见图3、图4、图5。

1.5 力学性能检测

力学性能测试时，样品以脆断方式断裂，因此未能检测出延伸率和断面收缩率具体见表2，样品的冲击性能很差，断口为脆断形貌，同时拉伸强度和屈服强度都有所下降，钛合金TC4材料的力学性能见表3。

1.6 断口检测

取样品的冲击及拉伸断口，在扫描电镜下观察其断口形貌，端口上均表现出沿晶断裂断口形貌特征。断口形貌见图6、图7。

1.7 XRD检测

在样品剥蚀严重处取样，制备成XRD样品，经XRD检测，样品由氢化物析出。

2 检测结果分析

样品金相组织、断口形貌、氢含量及氢化物的检出都说明活塞体是在氢介质环境下发生了氢脆。氢化物集中在活塞体表面，造成了活塞体表面脆性氢化物剥落。

钛合金是一种极易吸氢的材料，比较容易析出钛的氢化物。浸入少量的氢就有可能严重影响钛合金的机械性能，钛中的氢含量直接影响着钛的氢脆敏感性。氢在钛中有一定的固溶度，该固溶度存在最大临界值，TC4中氢的固溶度大约为0.012wt%左右。氢的敏感性影响是有一定范围的，随着氢含量的增大而增大。当氢含量超过了钛合金材料中氢的固溶度时，氢就有可能与钛结合生成氢化钛。当钛氢化物的量达到一定程度，钛基体的塑形韧性就会显著降低，并在外加应力的作用下，钛合金发生塑形变形，并从氢化物的富集区开始发生脆性断裂。

钛合金发生脆性的过程实质上就是氢在钛中积聚生成TiHx钛氢化物，并在钛基体重渗透扩散，最后导致脆性开裂的过程。氢在钛中的扩散渗透过程包括三种进程：一是渗入钛基体中的氢与钛氢化合物自身分解的氢在氢压的推动作用下在钛基体内的扩散过程;二是氫被位错所携带一同运动而进行的扩散过程;三是钛氢化合物的生成和迁移过程。

钛合金表面污染对氢脆也有影响，若钛合金表面受金属铁污染时，会增大钛的吸氢量，因为铁可以和钛基体形成腐蚀微电池，增加了氢进入的活性点和活性通道。钛合金表面不洁净，造成金属表面划伤会破坏钛合金的表面氧化膜，无氧化膜保护则会加重氢腐蚀。

温度对钛合金氢致裂纹长大速度有很大的影响，在较低的温度范围内，温度升高，氢的扩散速度加快，裂纹扩展更快;在较高的温度范围内，由钛的氢化物形成的放热反应，温度升高使氢化物成核困难，从而降低了裂纹的扩散速度。

3 结语

钛合金由于强度高，耐腐蚀性强及高温下的良好性能越来越多的被化工行业关注，作为一种优质的防腐蚀材料，今后在压缩机行业会得到广泛应用。避免钛合金发生氢脆反应是钛合金应用的首要条件，而完全阻断钛合金与氢离子接触是很难的，因此只能通过以下一些措施来有效的减少或防止清脆失效。

（1）工艺条件，避免将钛合金直接应用于氢气或含有氢离子的环境;（2）强化处理，对钛合金设备及零部件进行氧化处理、阳极硬化、化学氧化、离子氮化等，通过加厚或强化氧化膜等阻断与氢离子的接触。（3）退火处理，对钛合金冷热加工后的零部件进行真空退火，消除应力使成等轴晶粒，对抗氢脆有利。对经过一段时间运行后的吸氢零件也可进行真空退火脱氢处理。（4）保持清洁，安装或检修时要保持零件表面洁净，避免铁污染，严禁使用钢制工具进行敲打、紧固或除污，定期进行酸洗除垢。（5）结构设计合理，设计结构时避免留有缝隙或滞留死角，防止氢离子堆积。（6）加强检测，加强化工钛合金设备的无损检测，除常规压力容器检测方法外，还应进行现场的覆膜金相分析，这是至今无损检测钛合金设备吸氢与氢脆的较为有效的方法。

钛合金作为压缩机行业的一种新型材料，一直没有被特别研究及关注，通过对这次事故中损坏的活塞体的全面分析，对钛合金有了进一步了解，对于钛合金在压缩机行业的应用和推广极为重要。

参考文献

[1] 陈永定，等.金属和合金中的氢[M].北京：冶金工业出版社，1988.

[2] 黄显亚，等.钛合金应用腐蚀开过程中氢的作用[J].中国腐蚀与防护学报，1984（1）：41-45.

[3] 朱祖芳.有色金属的耐腐蚀性及其应用[M].北京：化学工业出版社，1995.

[4] 化学工业部化工机械研究院.化工生产装置的腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，1991.