钛合金的电偶腐蚀研究现状

钛合金的电偶腐蚀研究现状

作者：漆路平丁一廖庆亮张跃

来源：《新材料产业》 2017年第3期

■ 文/ 漆路平丁一廖庆亮张跃

北京科技大学纳米中心

一、钛合金简介

室温下，根据钛（T i）合金的不同组织分为以下3类：α型合金、（α＋β）型合金和

β型合金，其中最常用的是α钛合金和（α＋β）型钛合金。α钛合金用符号“TA”表示，

β钛合金用符号“T B”表示，（α＋β）钛合金用符号“TC”表示。

1. 钛合金的应用

钛合金具有质量轻、强度高、耐蚀耐热性能好等特点，有“未来金属”的美称，是一种具

有很大发展前景的新型材料。随着钛合金应用领域的不断扩大，钛合金在航空、海洋装备、化工、石油、冶金、轻工等许多部门中具有广泛的应用。

（1）航空领域

钛合金应用于航空领域可以极大减轻飞机、火箭、飞行器的质量，而且钛合金本身的强度高，耐蚀性能好，是不可缺少的“太空金属”。有学者研究，目前国内外航空钛合金的研究和

应用现状大致分为4个：高强钛合金、高温钛合金、阻燃钛合金和损伤容限钛合金。

（2）海洋装备领域

钛合金作为一种抗蚀性能很好的材料被大量应用于海洋装备领域，是一种理想的船舶材料。俄罗斯、美国和中国是最早从事海洋装备用钛合金研究的国家，并且目前都研究出了自己的舰

船用钛合金体系。目前钛合金应用于海洋船舶装备的系统有：钛合金余热排出冷却器、舰用燃

气系统、钛合金声扫雷具、舰艇喷水推进装置、螺旋桨和紧固件等。

（3）其他领域

钛合金在其他领域也有广泛应用，例如：钛合金用于汽车制造中不仅可以减轻汽车的质量，降低能耗，而且可以提高汽车的耐蚀性能和稳定性。此外，钛合金也在医学部件、化工、石油、冶金方面也有应用。

2. 钛合金的腐蚀

（1）缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是指在金属或合金的缺陷处，在电解质溶液的条件下金属合金内部构成了电化学

电池而产生腐蚀的现象。缝隙腐蚀常发生在金属与金属的缝隙处，此外，腐蚀产物、灰尘、沉

淀等附着物在金属表面的缝隙处也可能发生缝隙腐蚀。钛合金的抗缝隙腐蚀能力较强，对于

TC4来说，在常温和碱性条件下，一般都不会发生缝隙腐蚀。

（2）点蚀

点蚀主要是指金属表面钝化膜被卤素离子破坏产生的、发生在金属的表面。钛合金在一般

盐溶液中不会发生点蚀，只有在高浓度沸腾的卤素离子溶液中，卤素离子破坏钛合金表面的钝

化膜并扩散到钛合金内部，导致钛合金的表面发生点蚀。并且，钛合金在硫化物和氯化物电解

质溶液中发生点蚀需要特定的条件。

（3）氢脆

氢脆是钛合金损伤的原因之一，当钛合金表面的吸氢量达到一定程度时，就会导致致氢开裂。钛合金的表面钝化膜强度越高，发生氢脆的可能性越大。钛合金的吸氢能力与氢在钛合金

中的溶解度和钛合金的结构成分有关。α型钛合金中氢的溶解度比β型钛合金的要低得多，

因此α型钛合金和（α+β）型钛合金的抗氢脆能力比β型钛合金强得多。

（4）电偶腐蚀

钛合金表面的钝化膜导致钛合金的电位升高，提高了钛合金的耐蚀性。一般来说，钛合金

相比其他合金具有较高的正电位，与异种合金偶接时作为阴极被保护从而加速偶接合金的腐蚀。钛合金易在下面2种介质中发生电偶腐蚀：一种是在自来水、海水、盐溶液等，这种介质中锌（Zn）、铝（Al）的稳定电极电位比T i的更负，导致钛合金的阳极腐蚀速率更快；另一种是

在高浓度的SO42-、Cl -溶液中，T i在这类溶液中既可能处于钝化态，也可能处于活化态。

二、电偶腐蚀介绍

同种介质中异种金属由于腐蚀电位不同而在接触处产生局部腐蚀的现象称为电偶腐蚀，又

叫接触腐蚀或双金属腐蚀。2种金属构成的宏电池产生电偶电流，使电位较低的金属（阳极）

溶解速度增加，电位较高的金属（阴极）溶解速度减小所以，阴极是受到阳极保护的。由于钛

合金自腐蚀电位较正，在同种电解质溶液中，钛合金与异种金属偶接时会作为偶合阴极从而加

速异种偶接金属的腐蚀。

1. 电偶腐蚀发生判据

（1）热力学判据

热力学判据认为产生电偶腐蚀的动力来源于2种不同金属接触时产生的电势差，一般来说，2金属的电势差越大，产生的电偶腐蚀越严重。电势差可以由电偶序来判定，所谓电偶序，就

是根据金属或合金在特定的电解质溶液中所测的腐蚀电位值按大小来排列成表的形式。目前研

究人员对金属的电偶序做了大量的测试工作，测定了几十种常用金属在特定腐蚀环境中的电偶序，可以用来判断电偶腐蚀体系中电偶电流的方向和金属腐蚀发生的方向。

（2）动力学判据

动力学判据用发生电偶腐蚀由阴极流向阳极的电偶电流来判定电偶腐蚀的程度，电偶腐蚀

的速率与电偶电流的大小成正比，电偶电流可用式（1）表示：

式中：I g为电偶电流密度。E a、E c分别为阳极、阴极金属偶接前的电极电位。P a、P c分别为阳极、阴极平均极化率。P a、P c分别为阳极、阴极金属的面积。R为基体的欧姆电阻。

2. 电偶腐蚀影响因素

影响电偶腐蚀的主要因素有：自腐蚀电位差；金属表面的极化和由于阴、阳极反应生成表面膜或腐蚀产物的影响；电偶间的几何位置（几何因素）；腐蚀介质的导电性等因素。下面介绍几种常见的影响因素：

（1）自腐蚀电位差

自腐蚀电位差是影响电偶腐蚀最主要的因素，是发生电偶腐蚀的必要条件。自电偶腐蚀电位差越大，发生电偶腐蚀的可能性越大。对于某个电偶体系，电位较负的金属作为阳极从而加速腐蚀，电位较正的金属作为阴极受到保护，当电位差大于0.25V时，将发生较为严重的电偶腐蚀。D a - L e iZhang根据式（1）得出，接触电位差越大，电偶电流越大。刘建华和莫斯克文通过测量自腐蚀体系的电化学电位和电偶电流来研究自腐蚀电位差对电偶腐蚀的影响，研究表明：自腐蚀电位差越大，电偶腐蚀速率越大；且随着自腐蚀电位差的继续增大，电偶电流会趋于一个稳定值。

（2）极化作用

虽然自腐蚀电位差是发生电偶腐蚀的必要条件，但是不能决定电偶腐蚀的速度，电偶腐蚀的速率还与金属在腐蚀介质中的极化能力有关。有研究表明：电偶对不锈钢/铝和铜/铝在海洋环境中的电位差相近，但实际上铜/铝电偶对的腐蚀速率要比不锈钢/铝的腐蚀速率要快得多，这是因为铜的极化率小，作为腐蚀体系的阴极反应速度大；而不锈钢的极化率比铜的大，作为腐蚀体系的阴极反应速度小。

（3）几何因素

电偶间的几何位置对电偶腐蚀也有重要的影响。根据电化学原理，在保持其他条件不变的条件下，增大电偶对之间的距离就相当于增大了带电离子的扩散距离，这就增大了溶液对带电离子传输的阻碍作用，导致电偶电流密度变小。

（4）介质导电性

金属相对于电解质来说是良导体，局部腐蚀电流遇到电阻更高的电解质就会产生电位降，形成电场分布。有文献表明：电解质溶液的电阻越大，则“有效距离”越小，电偶腐蚀速率越小。