Ti35钛合金与低碳不锈钢在硝酸溶液中的电化学腐蚀对比研究
一种低合金钢的电化学腐蚀行为研究中期报告
一种低合金钢的电化学腐蚀行为研究中期报告摘要：本研究旨在探究一种低合金钢的电化学腐蚀行为。
研究采用了电化学测试技术和表面分析技术，考察了试样在不同电位下的腐蚀行为，并分析了电位对试样表面形貌和相应腐蚀产物的影响。
结果表明，在低于平衡电位时，试样出现大量氢气释放和活性空穴产生；在高于平衡电位时，试样表面出现了明显的钝化现象，腐蚀速率明显下降。
表面分析结果显示，在腐蚀产物中主要是氧化铁化合物，随着电位的增加，铁锈层的厚度逐渐增加。
此外，本研究还发现低合金钢表面存在微观坑洞和表面缺陷，这些缺陷对电化学腐蚀行为具有显著影响。
关键词：低合金钢、电化学腐蚀、氢气漏电、钝化、铁锈层、表面缺陷Introduction:低合金钢（low-alloy steel）是一种广泛应用于制造结构和机器设备的材料，其热处理和化学成分对其性能和腐蚀行为有重要影响。
在实际工作中，其经常处于不同的电位环境下，因此了解其电化学腐蚀行为对材料的长期稳定性和安全性具有重要意义。
本研究采用了电化学测试和表面分析技术，探究了低合金钢在不同电位下的腐蚀行为，为其实际应用提供有益参考。
Experimental Methodology:实验采用钢板作为试样，在水溶液中进行电化学腐蚀测试，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对试样表面形貌和腐蚀产物进行表征。
腐蚀测试采用的是三电极电化学腐蚀系统，以无铅锡为参比电极，工作电极为低合金钢，计时器为2小时，扫描速率为0.5mv/s。
在测试过程中，控制电位变化以探究其对腐蚀行为的影响。
Results and Analysis:实验结果表明，试样的电化学腐蚀行为受电位的影响非常显著，不同电位下呈现不同的腐蚀行为。
在低于平衡电位时，试样表面出现大量氢气释放和活性空穴产生，腐蚀速率较大；而在高于平衡电位时，试样表面出现了明显的钝化现象，腐蚀速率明显下降。
表面分析结果显示，腐蚀产物主要为氧化铁化合物，随着电位的增加，铁锈层的厚度逐渐增加。
钛合金在酸性介质中的腐蚀行为及其动力学分析
钛合金在酸性介质中的腐蚀行为及其动力学分析钛合金是一种具有优异耐腐蚀性能的金属材料，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。
然而，在酸性介质中，钛合金仍然存在一定程度的腐蚀问题。
本文将对钛合金在酸性介质中的腐蚀行为进行分析，并探讨其动力学特性。
一、钛合金的腐蚀行为钛合金在酸性介质中的腐蚀行为主要表现为钝化腐蚀和局部腐蚀两种形式。
1. 钝化腐蚀钝化腐蚀是指钛合金在酸性介质中形成一层致密的氧化膜，阻止进一步腐蚀的过程。
这种氧化膜主要由TiO2组成，具有很强的稳定性和耐蚀性。
钛合金的耐蚀性可以归因于钛与氧发生反应生成氧化膜，从而降低了钛表面的电化学反应速率。
2. 局部腐蚀局部腐蚀主要发生在钛合金表面存在缺陷或杂质的区域，如晶界、孔洞和夹杂物等。
酸性介质中的金属离子可以在这些区域聚集，导致局部腐蚀的发生。
局部腐蚀可以表现为点蚀、溶蚀和应力腐蚀等形式。
二、钛合金腐蚀动力学分析钛合金在酸性介质中的腐蚀过程是一个复杂的动力学过程，其速率和腐蚀条件密切相关。
1. 动力学参数钛合金腐蚀的速率可以用动力学参数来描述，常见的参数包括腐蚀电流密度、腐蚀速率和腐蚀电位等。
这些参数可以通过电化学测试方法来测定，如极化曲线和交流阻抗谱等。
2. 影响因素钛合金在酸性介质中的腐蚀速率受多种因素的影响，包括酸性介质的浓度和温度、钛合金表面状态、氧化膜的厚度和结构等。
这些因素可以通过实验研究来确定其对腐蚀行为的影响程度。
3. 动力学模型为了更好地描述钛合金在酸性介质中的腐蚀动力学行为，研究人员提出了一些动力学模型，如Tafel方程、Butler-Volmer方程和Boukamp 模型等。
这些模型基于电化学原理，可以预测钛合金在不同腐蚀条件下的腐蚀速率和机理。
三、减缓钛合金腐蚀的方法为了减缓钛合金在酸性介质中的腐蚀速率，可以采取以下方法：1. 表面处理：通过阳极氧化、酸洗、喷砂等方法改善钛合金表面的状态，增加氧化膜的稳定性和厚度，从而提高其耐蚀性。
钛对za35合金在碱溶液中电化学行为的影响
钛对za35合金在碱溶液中电化学行为的影响
钛合金是近年来在工业应用中受到广泛关注的新型材料。
其中，za35合金具有良好的耐腐蚀性和抗高温性，备受工业界青睐。
对于za35合金，研究其在碱溶液中的电化学行为就显得尤为重要。
za35合金是一种以钛为基础的质量比为2.7/1的Ti-Al-V合金，其中，钛的含量超过60wt%。
钛的主要组成成分是Ti, Al, V，其中Ti的含量大于Al的含量。
钛具有较好的耐腐蚀性，在碱溶液中也有很好的性能。
钛合金的电化学行为取决于其化学组成的不同。
如果za35合金中的钛量较高，钛的电极反应活性会增强，抗腐蚀性也会改善，增大电解质数n，表现出较好的抗腐蚀性能。
但如果钛含量较低，则钛反应活性会降低，耐碱度较低，从而影响电化学性能。
za35合金的电化学行为受酸碱性的影响。
在碱性条件下，za35合金具有较好的耐腐蚀性，阳极反应表现出较高的活性，在碱性溶液中具有抗腐蚀性。
但随着阳极反应活性的不断改变，za35合金在碱溶液中的抗腐蚀性也会发生变化。
Za35合金在低温下有较好的抗腐蚀性，电极反应活性低，抗腐蚀性强，耐碱度高。
高温下，碱反应活性会增加，钛表面生成碱盐膜，影响钛材料的抗腐蚀性。
总的来说，za35合金的电化学行为受钛的含量及碱的影响，因此在选用za35合金用于氢氧化钠碱溶液中，要考虑钛的化学成分及za35合金在不同温度下对碱溶液的耐腐蚀性。
钛合金在不同溶液中的电化学腐蚀行为
钛合金在不同溶液中的电化学腐蚀行为何亚峰;卢文壮;干为民【摘要】针对钛合金Ti6Al4V在不同溶液(NaCl、NaBr、KBr)和不同溶液质量分数(6.5%、12.5%、18.5%)下的电化学腐蚀行为进行研究,得到了钛合金腐蚀极化曲线和腐蚀动力学参数;根据扫描电镜腐蚀图像研究了钛合金的电化学腐蚀机理;采用像素点覆盖分形维数法对腐蚀坑的分形特征进行了计算,得到了腐蚀表面形貌与分形的关系.研究结果表明:相比在NaBr溶液和KBr溶液中,钛合金在NaCl溶液中的活化范围更宽,氧化溶解时间更长,差异效应明显;相同质量分数下钛合金在NaBr溶液中的腐蚀性更强;随着质量分数增大,钛合金在3种溶液中的分形维数逐步变化——在NaBr溶液中的分形维数最大,表面形貌更为复杂,在NaCl溶液中的分形维数最小,表面形貌比较平整.%In this paper, first, the electrochemical corrosion behaviors of titanium alloy Ti6Al4V were investigated in such different solutions as NaCl, NaBr and KBr at various mass fractions (6.5%, 12.5% and 18.5%), and the corresponding corrosion polarization curves and dynamic parameters were obtained.Then, the electrochemical corrosion mechanism of titanium alloy was explored by means of SEM.Finally, the fractal feature of corrosion pits was obtained by means of the pixel-covering fractal dimension method, and the relationship between the corrosion surface topography and the fractal was revealed.The results show that (1) different from the titanium alloy in NaBr and KBr solutions, the titanium alloy in NaCl solution possesses wider activation range and longer oxidation dissolution time;(2) the corrosivity of titanium alloy in NaBr solution is stronger than that in NaCl and KBr solutions at the same mass fraction;and(3) the fractal dimension of titanium alloy in the three kinds of solutions gra-dually changes with the increase of mass fraction;for instance, the fractal dimension in NaBr solution is the most, which results in the most complex topography, while that in NaCl solution is the least, which results in a relatively flat topography.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(045)006【总页数】7页(P124-130)【关键词】钛合金;电化学腐蚀;极化曲线;分形维数【作者】何亚峰;卢文壮;干为民【作者单位】南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室, 江苏南京 210016;江苏省数字化电化学加工重点实验室, 江苏常州 213002;南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室, 江苏南京 210016;江苏省数字化电化学加工重点实验室, 江苏常州 213002;常州工学院机械与车辆工程学院, 江苏常州 213002【正文语种】中文【中图分类】TG174.3+6钛合金Ti6Al4V是一种α+β两相材料，它具有比强度和比韧性高等优异的综合力学性能，优异的耐蚀、耐高温性，良好的成形性及焊接性，还具有无磁、抗弹、透声等特性，在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业得到高度重视和广泛应用[1].但钛合金也存在着变形系数小、切削温度高、切削呈挤裂状、易产生严重的粘刀现象等问题，在切削加工中刀具磨损快，加工表面易生成硬脆变质层和损伤，从而影响着钛合金的使用性能.而化学腐蚀加工是特种加工工艺的一种，可以通过对化学溶液的有效控制,从工件上预先确定的部位、范围与深度上除去基体材料,从而获得所需的加工尺寸和尺寸精度[2].多年来国内外学者对钛合金化学腐蚀开展了大量的研究，取得了许多成果. Durgalakshmi等[3- 5]对钛合金进行了电化学腐蚀，得到了其表面形貌.林翠等[6]对TC4钛合金腐蚀加工速度和表面质量影响因素进行了研究，结果表明氢氟酸浓度和溶液温度直接决定着腐蚀加工速度,硝酸具有显著降低表面粗糙度的作用，溶液中钛离子含量较低时,腐蚀加工速度较快,表面平整度较好.王海杰等[7]对钛合金在3.5%NaCl 溶液中的腐蚀行为开展研究，得出了TC4、TC18 和TC21钛合金的点蚀击破电位、点蚀敏感性和应力腐蚀形貌.刘贵立[8]对钛的腐蚀与钝化机理进行理论研究，采用递归法计算了钛的电子结构参量,并研究了氧、氯、钯等元素对钛电子结构的影响.由于钛合金的自钝性很强，在大多溶液下通常非常容易钝化，其化学行为也各有差别，为了研究钛合金的腐蚀规律，一般采用电化学方法以减少研究周期.钛合金在NaCl溶液下的腐蚀行为研究较多，而在有溴离子的溶液中的腐蚀研究较少，因而文中开展了钛合金在NaCl溶液、NaBr溶液和KBr溶液下的电化学腐蚀行为试验，研究钛合金在不同溶液及不同溶液质量分数下的腐蚀机理，为钛合金腐蚀加工提供一定的理论和参考.钛合金电化学腐蚀是钛合金表面与导电离子的介质发生电化学反应产生破坏，在外加电源作用下，钛离子从钛合金材料转移到介质中放出电子的阳极氧化过程，也包含介质中的氧化剂氢离子吸收来自阳极电子的还原过程，这两个过程相对独立，可同时进行.电化学腐蚀实验一般采用三电极体系，外加电源正极施加于钛合金材料，外加电源负极施加于辅助电极，在电势差作用下电子从阳极区流向阴极区产生电流，其电流与反应物质的转移可通过法拉第定律定量描述，腐蚀中钛合金材料表面的钛离子溶解，使阳极区浓度提高，氢离子还原，使阴极区溶液的pH值升高，从而溶液中出现钛离子浓度和pH值不同的区域，形成浓度梯度.为了使溶液中所有区域组成趋于一致，扩散作用立即发生，通常情况下在钛离子浓度梯度和电场电势差共同存在的情况下采用Nernst-Planck方程来表述，其方程如式(1)所示:式中，Dn为扩散系数，cn为浓度，u为流速，zn为电荷数，φ1为溶液电势，F为法拉第常数，i1为溶液电流密度，Q1为溶液电荷转移量，Rn,src为多孔电极中腐蚀物质的分，um,j为离子移动量.外加电源产生的电场符合拉普拉斯方程，其为式中，is为电极电流密度，Qs为电极电荷转移量，σs为电导率，φs为电极电位. 电极动力反应式为式中，iloc为电荷转移电流密度，aα为阳极传递系数；ac为阴极传递系数，T为温度，η为过电位，i0为交换电流密度，R为普适气体常数.η=φs-φ1-Eeq式中，Eeq为平衡电位.2.1 试验材料试验材料为钛合金Ti6Al4V板材，试样尺寸为40 mm×40 mm×5 mm;化学成分含量：Al为6.1%，V为4.2%，其余为Ti.2.2 试验材料预处理试验材料用由粗到细的金相砂纸打磨后放入温度为50 ℃的除油液中去除表面油脂，除油液主要成分为：磷酸钠、OP乳化剂和硅酸钠混合组成，试样除油后用超声波清洗10 min.2.3 试验原理为了研究钛合金在不同溶液下的腐蚀机理，通常采用三电极体系电化学试验，该体系主要由工作电极、参比电极和辅助电极组成，钛合金材料作为工作电极，石墨电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极.如图1所示，在电化学工作站采用线性扫描伏安方法进行腐蚀试验，试验扫描速率为0.01 V/s，起扫电位为-2.0 V，溶液为300 mL.3.1 相同质量分数的不同溶液中钛合金的腐蚀极化曲线钛合金电化学腐蚀试验过程中，在外加电源作用下，一定大小的电流通过电极时，如果单位时间内转移走的电子不能及时被钛合金氧化反应补充，或单位时间内输送来的电子来不及全部被氢离子还原消耗，则会在电极表面出现积累的剩余电荷，使得电极电位偏离平衡电位[9]，为了达到重新平衡状态，电子转移过程中引起了电化学极化，极化曲线揭示了电极反应过程和腐蚀机理，图2为相同质量分数的不同溶液(NaCl、NaBr、KBr)中钛合金的极化曲线.从图2中可以得到，钛合金在质量分数为6.5%的 NaCl溶液、NaBr溶液和KBr溶液中的自腐蚀电位分别为-0.561、-0.689和-0.636 V，相同质量分数下钛合金在NaBr溶液中的自腐蚀电位相比NaCl溶液和KBr溶液负值要大一些，说明钛合金在NaBr溶液中的腐蚀倾向大一些.钛合金在NaBr溶液和KBr溶液中的腐蚀电流密度随外加电压升高出现相互交替变化并逐步趋于稳定，腐蚀电流密度在0～0.5 V电压范围内增大，在0.5～1.0 V范围内减小，在1.0～4.0 V范围内增大，在4.0～8.0 V范围内稳定，由此可知钛合金在NaBr和KBr腐蚀溶液中出现了活化、钝化、再活化、后钝化的交替过程.钛合金在NaCl溶液中的腐蚀电流密度随外加电压的变化趋势更为复杂一些，腐蚀电流密度在0～2.0 V电压范围内出现3次增大和减小，在2.0～7.5 V电压范围内腐蚀电流密度持续增长，在7.5～8.0 V电压范围内趋于稳定，这说明钛合金在0～2.0 V电压范围内出现活化和钝化交替过程，随后一直活化到电压为7.5 V为止，后钝化.相比来说钛合金在NaBr溶液和KBr溶液中的腐蚀电流密度在0～2.0 V电压范围内比在NaCl溶液中增速快，极化率明显，但在2.0～8.0 V电压范围内NaCl溶液的活化范围更宽一些，这是由于Cl-活化能力大于Br-，持续的宽活化范围更有利于腐蚀表面质量的提高.3.2 不同溶液中钛合金的腐蚀动力学参数钛合金腐蚀体系中，由于电化学极化作用产生了钛合金氧化反应和氢离子还原反应的共轭腐蚀，当氧化反应和还原反应的平衡电位远离自腐蚀电位时，自腐蚀电位附近的极化曲线存在着塔菲尔区[10]，如果钛合金氧化反应所产生的钝化电位区在自腐蚀范围内，则维钝电流等于自腐蚀电流，此时腐蚀过程主要被钛合金氧化过程所控制；如果钛合金氧化反应所产生的活化电位区远离自腐蚀范围，则腐蚀过程主要被氢离子还原过程所控制，此时加剧了钛合金的腐蚀溶解速度.表1为不同溶液下钛合金的腐蚀动力学参数，从表中可以看出，钛合金在不同溶液中的腐蚀性能有较大差别：钛合金在NaCl溶液中随着质量分数(6.5%、12.5%、18.5%)升高其自腐蚀电位负值、腐蚀电流和腐蚀率先减小后增大，钛合金在NaBr 溶液中随着质量分数升高其自腐蚀电位、腐蚀电流和腐蚀率均相应减小，钛合金在KBr溶液中时腐蚀电位、腐蚀电流和腐蚀率均先减小后增大.钛合金在相同质量分数不同溶液(NaCl、NaBr、KBr)中的腐蚀性能呈现为：在NaBr溶液、KBr溶液中相比在NaCl溶液中腐蚀性能要更强一些.3.3 不同溶液中钛合金的腐蚀区域表面形貌钛合金腐蚀形式可分为均匀腐蚀和局部腐蚀.局部腐蚀又分为应力腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀以及接触腐蚀等.一般而言,钛合金的成分、组织、晶粒度、晶体缺陷、性能、热处理以及表面状态等都会对其腐蚀行为和腐蚀程度产生不同的影响[11].图3为扫描电镜得到的不同溶液和不同质量分数下钛合金的腐蚀区域表面形貌.可以看出，在相同扫描电镜倍率下，钛合金在NaCl溶液中相比在NaBr溶液和KBr溶液中腐蚀坑尺寸要大一些，腐蚀边缘更加清晰，这是电化学腐蚀中由于钛合金极化引起了内部腐蚀电流的改变，形成了差异效应，由钛合金极化曲线可以得到，随着外加电压的升高，钛合金在NaCl溶液中相比在NaBr溶液和KBr溶液中其腐蚀电流密度持续增加范围宽、时间长，析氢的速度逐步加快，钛合金氧化溶解过程长，差异效应比较明显，从而导致腐蚀坑面积大一些.而钛合金在NaBr溶液和KBr溶液中的腐蚀电流密度随外加电压迅速上升后维持稳定，形成了向深处发展的腐蚀小孔，这是由于钛合金比较容易钝化，在极化作用下介质中存在活性的Br-使钝化膜的平衡发生破坏，有选择地吸附在钝化膜上把氧原子挤掉，从而和钛离子结合生成可溶物，形成蚀孔，蚀孔内的钛合金表面处于活态，蚀孔内区域失去电子使电位相对较低，蚀孔外的钛合金表面处于钝态，蚀孔外区域得到电子使电位相对较高，于是孔内和孔外构成一个活态和钝态的腐蚀体系，导致蚀孔向纵深发展.从图3也可以看出,钛合金在相同溶液下随着质量分数升高其腐蚀形貌基本一致，腐蚀相连区域增多.3.4 不同溶液中钛合金的腐蚀坑结果与分析3.4.1 钛合金腐蚀坑表面形貌图4为钛合金在不同质量分数的不同溶液中的腐蚀坑放大1 000倍的扫描电镜形貌.从图中可以看出，钛合金在NaCl溶液中相比在NaBr溶液和KBr溶液中的腐蚀坑要平整一些，腐蚀坑杂物排除比较干净，而钛合金在KBr溶液中时一些杂物仍留在腐蚀表；也可以看出，相同低质量分数下钛合金在NaBr溶液中的腐蚀形貌最复杂，腐蚀深度较深，相同高质量分数下钛合金在KBr溶液中的腐蚀形貌最复杂.3.4.2 钛合金腐蚀坑的像素点覆盖分形维数分形理论是非线性科学重要的分支，不同溶液下的钛合金Ti6Al4V腐蚀坑具有分形特征，其分形维数对于研究钛合金腐蚀坑结构、规律和性质具有重要的意义.文中采用的像素点覆盖分形维数法[12- 14]原理为：扫描电镜图像为灰度级图像，它是由大小为δ*的像素点组成，对图像进行二值化处理，使得每一个像素点只呈现白或黑两种颜色，对特征部位取边界，再转化成数据文件使每一个数值对应于原二值化图中相应位置的像素点，数值1代表白色，数值0代表黑色.然后将得到的数据文件划分成若干块，每一块的行数和列数都为k，把所有含有1的块数记为Nk，通常取k=1，2，4，…，2i，以k个像素点的尺寸为边长对块进行划分，可以得到盒子数N1，N2，N4…，N2i.假设δ*为一个像素点的尺寸，则行和列都为k块的边长为δk=kδ*，对数据点(-lg δ，lg Nk)进行直线拟合，所得直线的斜率为图像的物理计盒维数D,则有根据像素点覆盖分形维数原理选取一组腐蚀坑(18.5%NaCl溶液腐蚀坑)进行分形，如图5所示，图5(a)是18.5%NaCl溶液腐蚀坑形貌图片，利用编制的Matlab程序经过二值化处理后如图5(b)所示，分形后取边界，如图5(c)所示.钛合金在不同溶液、不同质量分数下发生电化学腐蚀，其表面形貌是衡量腐蚀程度的重要指标，通过像素点覆盖分形法可建立腐蚀坑表面形貌与分形维数之间的关系，表2是对钛合金在不同溶液中腐蚀坑表面的扫描电镜照片经分形程序得到的分形维数结果.从表中可知：钛合金在NaCl溶液中随着质量分数升高其分形维数降低，表面形貌复杂性降低；在NaBr溶液中随着质量分数升高其分形维数基本保持不变；在KBr溶液中随着质量分数升高其分形维数降低，表面形貌复杂性降低；在相同低质量分数下，不同溶液中钛合金腐蚀坑的分形维数基本相同；在相同高质量分数下，不同溶液中钛合金腐蚀坑的分形维数不同，在NaBr溶液中钛合金腐蚀坑形貌更复杂.(1)根据钛合金电化学腐蚀极化曲线可知，在不同溶液、相同质量分数下，钛合金的极化过程不尽相同；钛合金在NaCl溶液中的腐蚀电流密度随外加电压的变化相比在NaBr溶液和KBr溶液中其活化范围要宽一些.(2)钛合金在相同质量分数、不同溶液(NaCl、NaBr、KBr)中的腐蚀性能呈现为：在NaBr溶液、KBr溶液中相比在NaCl溶液中腐蚀性能更强一些.(3)随着外加电压的升高，钛合金在NaCl溶液中相比在NaBr溶液和KBr溶液中其腐蚀电流密度持续增加，活化时间延长，析氢速度逐步加快，钛合金氧化溶解过程长，差异效应比较明显.(4)钛合金在NaCl溶液中相比在NaBr溶液和KBr溶液中其腐蚀坑要平整一些.采用像素点覆盖分形维数方法的结果表明，钛合金在NaCl溶液和KBr溶液中随着质量分数升高其分形维数降低，表面形貌复杂性降低;在NaBr溶液中随着质量分数升高其分形维数变化不大；相同高质量分数下，钛合金腐蚀坑在NaBr溶液中的分形维数更大一些，腐蚀坑形貌更复杂一些.† 通信作者: 卢文壮(1972-)，男，教授，博士生导师，主要从事现代加工技术研究.E-mail:****************.cn【相关文献】[1] 杨东,郭金明.钛合金的腐蚀机理及耐蚀钛合金的发展现状 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Ti35合金在沸腾硝酸中钝化膜及过渡层形成及组成分析
Ti35合金在沸腾硝酸中钝化膜及过渡层形成及组成分析郭荻子;杨英丽;赵彬;赵恒章;吴金平;苏航标【摘要】The composition and phase constitution of the passive film and the transition layer on Ti35 alloy after immersion corrosion test in 8 mol/L boiling nitric acid were investigated.By using atomic forcemicroscope(AFM), scanning electron microscopy ( SEM) , X ray diffractometer ( XRD) and X ray photoelectron spectroscopy ( XPS) , the corrosion behavior and the structure of the oxide film of Ti35 corrosion samples were investigated.The results show that Ta atoms preferentially react with nitrate.The passive film consists of TiO2 and Ta2 O5 , and the evolution of these oxides is step by step.And corrosion resistance to nitric acid of titanium alloy can effectively improve by adding element Ta.%研究了Ti35合金在8 mol／L 沸腾浓硝酸中腐蚀240 h后表面钝化膜及过渡层的相结构。
采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对Ti35合金腐蚀后样品的钝化膜和过渡层形貌、相结构等进行分析。
一种耐硝酸腐蚀的Ti35钛合金[发明专利]
![一种耐硝酸腐蚀的Ti35钛合金[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e292771df61fb7360a4c6538.png)
专利名称：一种耐硝酸腐蚀的Ti35钛合金
专利类型：发明专利
发明人：吴金平,赵恒章,赵彬,杨帆,张于胜,潘晓龙,田丰申请号：CN202011404069.2
申请日：20201203
公开号：CN112662913A
公开日：
20210416
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种耐硝酸腐蚀的Ti35钛合金，其特征在于，由以下质量含量的成分组成：钽5.5％～6.5％，氧0.07％～0.15％，余量为钛及不可避免的杂质。
本发明的Ti35钛合金通过控制钽的质量含量为5.5％～6.5％，在兼顾材料低成本的同时，保证了Ti35钛合金具有稳定可靠的低腐蚀速率；同时采用氧作为间隙原子添加到钛合金中并控制氧的质量含量为0.07％～0.15％，有效提高Ti35钛合金的抗拉强度至350MPa以上，且Ti35钛合金的延伸率保持在25％以上，从而有效调控了Ti35钛合金的强塑性，方法简单，便于工业化应用。
申请人：西安稀有金属材料研究院有限公司
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国籍：CN
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钛合金的电化学特性和腐蚀行为
钛合金的电化学特性和腐蚀行为
刘天晴;瞿进;顾捷
【期刊名称】《材料保护》
【年(卷),期】1997(30)1
【摘要】SST－861钛合金在含有Cl-的H2SO4溶液中的电化学特性和腐蚀行为
表明，Cl-对钛合金有一定的活化作用，使钛合金溶解电位降低，Cl-浓度越大，其活化作用越强，腐蚀速度也越大，稳定的钝化膜和MnO2层对钛合金有保护作用，使腐蚀速度变小，Cl-对其特性的影响也较小。
【总页数】3页(P11-13)
【关键词】钛合金;电化学;腐蚀;镀合金
【作者】刘天晴;瞿进;顾捷
【作者单位】扬州大学师范学院化学化工系;扬州市环境监测中心站
【正文语种】中文
【中图分类】TQ153.2
【相关文献】
1.模拟海水环境中电化学状态对 TC4钛合金腐蚀磨损行为的影响 [J], 陈君;张清
2.不同电流密度下TC4钛合金微弧氧化膜的电化学腐蚀行为 [J], 李明哲;牛宗伟
3.钛合金在不同溶液中的电化学腐蚀行为 [J], 何亚峰;卢文壮;干为民
4.模拟海水环境中电化学状态对TC4钛合金腐蚀磨损行为的影响（英文） [J], 陈
君;张清;;
5.温度对钛合金膜电阻及其电化学腐蚀特性的影响 [J], 刘天晴;瞿进
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钛合金在不同溶液中的电化学腐蚀行为
但 钛合 金也 存在 着 变形 系数 小 、 切削 温度 高 、 切 削呈 挤 裂状 、 易 产生 严重 的粘 刀现 象 等 问题 ， 在 切 削加 工 中刀具 磨损 快 ， 加工 表 面易生 成硬 脆变 质 层和损 伤 ， 从 而影 响着 钛合 金 的使 用 性 能 ． 而 化 学 腐 蚀加 工是 特 种加 工工 艺 的一 种 ， 可 以通 过 对 化 学 溶 液 的 有效
关 键词 ：钛合 金 ； 电化 学腐 蚀 ； 极化曲线； 分 形 维数
中图分类号 ： Ｔ Ｇ １ ７ ４ ． ３ ＋ ６
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ． ５ ６ ５ Ｘ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ６ ． ０ １ ９
钛 合金 Ｔ ｉ ６ Ａ １ ４ Ｖ是 一种 Ｏ ／ ＋ 两相 材料 ， 它 具有 比强度 和 比韧性 高 等 优 异 的 综合 力学 性 能 ， 优 异 的 耐蚀、 耐高 温性 ， 良好 的成 形 性及 焊 接性 ， 还具 有无
（ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
文章编号 ： １ ０ ０ ０ ． ５ ６ ５ Ｘ（ ２ ０ １ ７ ） ０ ６ — ０ １ ２ ４ － ０ ７
钛合金在不 同溶液 中的电化学腐蚀行为 水
何 亚峰 ’ 卢 文壮 干为 民 ’
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６ ． ０ ３ ． １ １
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CNIC201846SINRE20167Ti35钛合金与低碳不锈钢在硝酸溶液中的电化学腐蚀对比研究商佳程 王晓敏 盛钟琦(中国核动力研究设计院,核燃料与材料国家级重点实验室,成都,610041)摘 要从电化学角度对Ti35合金(Ti25%Ta)和超低碳不锈钢在硝酸溶液中的抗腐蚀性能进行了对比评价。
对不同温度、不同浓度、不同添加离子等条件下的阳极极化曲线进行了测试。
得到结论:在相同温度下,硝酸溶液浓度的变化导致了钛合金的腐蚀加剧。
在相同浓度下,随着温度的升高,钛合金腐蚀越来越不明显。
Cr6+离子浓度对钛合金腐蚀能力的影响不大。
铀酰离子的作用较弱,加了铬和钌离子后表现出对阳极反应的明显抑制作用。
通过表面微观形貌的观察,发现不锈钢对硝酸浓度的变化更为敏感,氧化性离子的综合作用对于不锈钢的耐蚀性影响很大。
研究结果表明,Ti35合金具有比不锈钢优异得多的抗腐蚀性能,有希望取代000Cr25Ni20不锈钢而用于后处理设备。
关键词:乏燃料后处理 Ti35 电化学P arallel E lectrochemical Corrosion Study of Ti35and Low C arbon Stainless Steel in Nitric Acid(I n Chi nese)S HAN G Jiacheng WAN G Xiaomin S H EN G Zhongqi(National Key Lab.for Nuclear f ual and Materials,Nuclear Power Instit ute of China,Chengdu,610041)ABS TRAC TThe corro sion resistance of Alloy Ti35(Ti25%Ta)in t he nitric acid solu2 tion f rom t he view of electrochemical factor is evaluated.Tested t he anodic po2 larization curves in different temperat ure,concentration and additional ions. The result s showed:In t he same temperature t he increase of concentration of nit ric acid enhanced t he corro sion of Ti;in t he same concentration,t he increase of temperat ure rest rained t he corro sion.The concent ration of Cr6+didn’t influ2 ence t he result s acutely.Cr6+,Ru3+restrained t he corro sion greatly despite t he affection of uranium is weak.After t he surface observation,t he SS were found more sensible to t he concent ration of HNO3t han Ti35;t he oxiding ions influ2 enced corro sion resistance of t he SS harder.It indicated t hat t he Ti35could in2 stead t he SS to be used on t he rep rocessing equip ment s because of t he better corro sion resistance.K ey w ords:Rep rocessing,Ti35,Elect rochemical corro sion 引 言核燃料后处理是核燃料循环中的一个重要组成部分。
它不仅是实现核燃料循环必需的步骤,而且从环境保护和最终安全处置放射性物质方面来看也是十分重要的。
核燃料后处理设备的工作条件是高温的强酸环境,溶解了铀、钚、裂变元素和其他元素,有很强的氧化性和放射性。
在这种条件下其设备(特别是元件溶解器、高放射性废酸蒸发器以及硝酸回收器这样的关键设备[1])材料都要求有高耐蚀性。
目前在后处理设备中被普遍采用的超低碳不锈钢,在强氧化性离子作用下晶间腐蚀现象很严重,特别是随着动力堆燃料中235U浓度的提高和燃耗的加深,具有高氧化还原电位的裂变产物的含量不断增加,他们的电位均高于硝酸,对不锈钢都具有加速腐蚀的作用,这造成了很多设备失效,具有严重的安全隐患。
世界上正在运行的几个动力堆元件后处理厂都出现过因关键设备材料腐蚀损坏而被迫长期停产的事故。
例如,1980年西德WA K后处理厂因溶解器漏液而停产检修27个月。
日本东海村后处理厂元件溶解器[2,3]和废酸回收器采用法国产的Uranus—65,于1982年和1983年两次因渗漏而被迫停产检修。
在运行了6000h和13000h之后,均因腐蚀而更新。
我国某厂的六台废酸蒸发器十年内全部泄漏并陆续更换,采用25—50Nb制作的废酸蒸发器只运行了4080h就腐蚀损坏。
所以十分有必要进行新材料的开发和研究。
在本次试验中对Ti35合金和不锈钢在硝酸溶液中的电化学腐蚀行为进行了对比研究,以期为材料的换代提供数据的支持。
1 实验材料与实验方法111 实验材料所用材料为核工业第二研究设计院提供的Ti35二元合金,其实测化学成分见表1。
表1 所用Ti35合金试样的实测化学成分元素Ta Fe O H Ti 质量分数/%514301047010901004余试样取材于3mm厚的板材,线切割加工为<15×1(mm)的小圆片,双面打磨后用酒精浸洗。
对比试验用的为00Cr25Ni20超低碳不锈钢,取材于5mm厚的板材,线切割加工为<15×1(mm)的小圆片,双面打磨后用酒精浸洗。
112 实验设备与方法用电化学方法进行腐蚀试验,其主要特点[4,5]是快速,直观。
用全面腐蚀方法要进行几个月的试验,用电化学方法很快就可以得到腐蚀电压,腐蚀电流,腐蚀速率等数据,而且从阳极极化曲线上,就可以判断出腐蚀反应进行到的阶段,理解腐蚀进行的程度以及推断腐蚀发展的趋势。
所以电化学方法在腐蚀试验中被广泛地采用。
在分析阳极极化曲线时,致钝电流密度和维钝电流密度越小,则该合金的耐蚀性越好,因此,可通过比较不同合金在同一介质或同一合金在不同介质中的阳极极化曲线以及以上特征参数来评定耐蚀性能的优劣。
本次实验所用的仪器是美国产的EG&G M283型电化学分析仪。
采用的是三电极系统,稳态动电位法测量,参比电极是饱和甘汞电极(SCE ),辅助电极是石墨,扫描速率是01333mV/s 。
实验时的温度分别为15℃,40℃,65℃,用恒温水浴槽来保持。
硝酸溶液的浓度分别是2mol/L 、4mol/L 、6mol/L 、8mol/L ;在6mol/L 浓度的溶液中添加Cr 6+离子时,试验的温度为65℃,离子的浓度分别为1g/L ,4g/L ,7g/L 和10g/L 。
2 试验结果及分析211 不同硝酸浓度下钛合金的电化学腐蚀行为图1是15℃不同硝酸浓度下的电化学阳极极化曲线,由此图可见,钛合金在硝酸溶液中的自腐蚀电位比较高,且在不同浓度的溶液中的差异不大,都在015V 左右,可见钛合金在硝酸溶液中有较好的耐蚀性,且受到浓度的影响不是十分的明显。
随着浓度的变化,致钝电流也相应地变化,总的趋势是致钝电流随浓度提高而变大,说明浓度越高腐蚀得就越厉害。
浓度变大后,在一定的面积里参与反应的氢离子和硝酸根离子也相应地增加,造成腐蚀加剧。
图1 15℃不同浓度下钛合金阳极极化曲线2,4,6,8分别表示不同的硝酸浓度(mol/L )图2 40℃不同浓度下钛合金阳极极化曲线2,4,6,8分别表示不同的硝酸浓度(mol/L )图2是40℃不同硝酸浓度下的电化学阳极极化曲线,但在8mol/L 的溶液中致钝电流有所变化,推测可能是浓度达到一定的值以后,反而促成了快速的钝化,加强了钛合金的抗腐蚀能力。
图3 65℃不同浓度下钛合金阳极极化曲线2,4,6,8分别表示不同的硝酸浓度(mol/L ) 图4 2mol/L 不同温度下钛合金阳极极化曲线图3是65℃不同硝酸浓度下的电化学阳极极化曲线,关系与图2中的大致一样,8 mol/L时耐蚀性有一定的好转,可能是快速的钝化产生的钝化膜要致密一些。
此外,由以上几个图可以看出钛合金的钝化区非常的陡峭,也很长,而且都没有过钝化区,这与文献所述的一致,说明钛合金的耐蚀性非常好。
212 不同温度下钛合金的电化学行为图4是2mol/L浓度下不同温度的阳极极化曲线,可见随着温度的增加,致钝电流的值逐渐下降,说明温度增加,抗腐蚀的能力也提高,因为很早就进入了钝化区,这种钝化极有可能是氧化膜造成的,并且钝化区很长。
总体上说抗蚀性能是提高的,而且温度越高,阳极和阴极过程的反应速率越快,同时随着氧溶解度的降低,也会促进保所性氧化膜的生成,这一点可以从65℃的曲线看出。
图5是4mol/L浓度下不同温度的阳极极化曲线。
与图4的趋势一致,温度越高,耐蚀性越好。
由此推断在更高温度下,耐蚀性也会很好。
图6中的40℃曲线与前两图稍有不同,它的致钝电流比15℃的要大,耐蚀性有所下降,在6mol/L的溶液中,40℃是腐蚀最厉害的。
由于温度和浓度是同时作用于样品的因素,它们的各自变化会交互地体现在实验结果中,导致此时的腐蚀敏感性最高。
图5 4mol/L浓度不同温度下钛合金阳极极化曲线 图6 6mol/L浓度不同温度下钛合金阳极极化曲线图7中的曲线趋势与前两图一致。
213 不同Cr6+离子添加量时钛合金的电化学腐蚀行为从图8可以看出,几条曲线的自腐蚀电位非常接近,而且致钝电流的差异也不大,表明离子浓度的变化对钛合金抗腐蚀性能影响不大。
214 不锈钢在硝酸溶液中的电化学腐蚀我们也作了不锈钢在硝酸中的电化学腐蚀试验,图9是15℃不同浓度下不锈钢的阳极极化曲线。
从图中我们可以看出,随浓度的增加,不锈钢的自腐蚀电位不断升高,6mol/L 时最高,8mol/L有所下降。
致钝电流不断下降,在4mol/L之后又开始增加,可以看出浓度对不锈钢电化学腐蚀的影响分两个阶段。
开始浓度不高时,耐蚀性增强,这与不锈钢表面生成了氧化膜有关,当高浓度时,耐蚀性下降,原因是不锈钢开始进入了过钝化区,腐蚀又开始加剧。
图10是40℃不同浓度下不锈钢的阳极极化曲线,其趋势与图9大致相同,但随着溶液浓度的增加,钝化区的长度也随之缩短,由2mol/L时的1V左右,缩短到6mol/L时的图7 8mol/L 浓度不同温度下钛合金的阳极极化曲线 图8 不同Cr 6+离子浓度下钛合金的阳极极化曲线图9 15℃不同浓度下不锈钢的阳极极化曲线 图10 40℃不同浓度下不锈钢的阳极极化曲线图11 65℃不同浓度下不锈钢的阳极极化曲线 图12 不同Cr 6+离子浓度下不锈钢的阳极极化曲线014V 左右,说明其更早就进入了过钝化区,有更多的腐蚀量。