TC4鈦合金雖因其優(yōu)異的綜合性能廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備，但在實(shí)際服役中，尤其在深海熱液區(qū)、工業(yè)污染區(qū)等含硫離子(S2?)的特殊海水環(huán)境中，材料表面同時(shí)遭受機(jī)械磨損與電化學(xué)腐蝕的協(xié)同作用，導(dǎo)致其失效速率顯著高于單一損傷工況，嚴(yán)重威脅構(gòu)件服役安全。究其根源，S2?作為一種強(qiáng)還原性介質(zhì)，會(huì)破壞鈦合金表面賴以耐蝕的鈍化膜，可能引發(fā)“腐蝕-磨損”的耦合加速損傷，然而目前關(guān)于S2?濃度如何系統(tǒng)性影響TC4鈦合金腐蝕磨損行為與機(jī)制的研究尚不充分。Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究通過(guò)模擬含S2?海水環(huán)境，采用原位電化學(xué)-摩擦學(xué)耦合測(cè)試技術(shù)，結(jié)合表面輪廓量化與微觀分析，旨在系統(tǒng)揭示S2?濃度對(duì)TC4鈦合金腐蝕磨損動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響規(guī)律與耦合機(jī)制，以期為該類材料在苛刻海洋環(huán)境中的耐久性設(shè)計(jì)與防護(hù)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1

實(shí)驗(yàn)方法

flexfilm

實(shí)驗(yàn)材料為Ti-6Al-4V合金，試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)金相制備。采用往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)與電化學(xué)工作站聯(lián)用，在含不同濃度S2?（0、20、40、60 mmol/L）的3.5% NaCl溶液中進(jìn)行腐蝕磨損測(cè)試。摩擦副為Al?O?陶瓷球，載荷5 N，頻率2 Hz。

電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，監(jiān)測(cè)開路電位(OCP)并獲取動(dòng)電位極化曲線。使用臺(tái)階儀和3D光學(xué)輪廓儀量化磨損體積與形貌，并通過(guò)SEM/EDS進(jìn)行表面微觀分析。

2

結(jié)果與討論

flexfilm

微觀結(jié)構(gòu)

TC4鈦合金顯微組織的SEM像

TC4鈦合金呈現(xiàn)典型的等軸α+β雙相組織，α相尺寸約2–6 μm，β相平均尺寸約1.4±0.3 μm。

極化曲線

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中靜態(tài)腐蝕和動(dòng)態(tài)腐蝕磨損條件下的動(dòng)電位極化曲線

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線擬合結(jié)果

動(dòng)電位極化曲線顯示，無(wú)論靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)摩擦條件下，TC4均呈現(xiàn)鈍化行為。隨著S2?濃度升高，腐蝕電位（Ecorr）負(fù)移，腐蝕電流密度（Icorr）顯著增大。在動(dòng)態(tài)摩擦過(guò)程中，相同電位下電流密度高于靜態(tài)條件，表明摩擦加速了鈍化膜的破壞與金屬溶解。

原位開路電位

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損條件下的原位開路電位變化曲線

OCP曲線在摩擦開始后迅速負(fù)移，摩擦過(guò)程中呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，反映鈍化膜“破損?再鈍化”的動(dòng)態(tài)過(guò)程。摩擦停止后，OCP逐漸回升，但在含S2?溶液中恢復(fù)緩慢且穩(wěn)態(tài)值低于初始值，說(shuō)明S2?抑制了鈍化膜的修復(fù)。

摩擦系數(shù)與磨損形貌

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中的摩擦系數(shù)曲線

TC4鈦合金在含不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損后磨痕參數(shù)

TC4鈦合金在含不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中摩擦后的3D輪廓圖像

摩擦系數(shù)未隨S2?濃度增加呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，僅在60 mmol/L時(shí)輕微升高。3D輪廓與臺(tái)階儀測(cè)量結(jié)果顯示，隨著S2?濃度增加，磨痕截面面積逐漸增大（從10915 μm2增至12674 μm2），表明總磨損量上升。SEM圖像顯示，低S2?濃度下磨損表面以磨料磨損為主，塑性變形均勻；而在60 mmol/L S2?條件下，磨損表面出現(xiàn)深溝、凹坑、層狀撕裂及疲勞裂紋，EDS檢測(cè)到S元素信號(hào)，表明形成了鈦硫化物并加劇了腐蝕磨損耦合。

腐蝕磨損耦合量化分析

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中摩擦后的腐蝕磨損表面形貌

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損后各體積損失占總體積損失的比例

TC4鈦合金在不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損后各體積損失分量

采用協(xié)同法量化腐蝕與磨損的交互作用，總磨損體積VT由純機(jī)械磨損體積VW、靜態(tài)腐蝕損失VC及交互作用體積VS組成：

其中VS包括腐蝕促進(jìn)磨損分量ΔVW與磨損促進(jìn)腐蝕分量ΔVC。計(jì)算結(jié)果表明，隨著S2?濃度從0 mmol/L增至60 mmol/L，ΔVW占比從2.94%提升至5.59%，說(shuō)明S2?顯著增強(qiáng)了腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)作用。

本研究結(jié)果表明，硫離子(S2?)對(duì)TC4鈦合金在模擬海水環(huán)境中的腐蝕磨損行為具有顯著影響。隨著S2?濃度增加，合金表面鈍化膜的穩(wěn)定性下降，腐蝕電位負(fù)移，腐蝕電流密度大幅上升，電化學(xué)腐蝕過(guò)程明顯加速。同時(shí)，材料磨損程度加劇，磨損機(jī)制由單一的磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp、疲勞磨損及腐蝕磨損共同作用的復(fù)合機(jī)制，在高濃度S2?條件下磨損表面出現(xiàn)深溝、凹坑與疲勞裂紋。通過(guò)量化分析進(jìn)一步表明，腐蝕與磨損的協(xié)同效應(yīng)隨S2?濃度升高而增強(qiáng)，其中腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)作用占比從2.94%提升至5.59%，凸顯了在含硫環(huán)境中腐蝕?磨損耦合損傷的重要性。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

flexfilm

在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

#臺(tái)階儀#TC4鈦合金#腐蝕磨損#耦合損傷#量化分析

原文參考：《TC4鈦合金在含S2?海水中的腐蝕磨損行為研究》

*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問(wèn)題，敬請(qǐng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。