关于热处理对深海TC4 ELI钛合金焊接接头腐蚀行为影响机制的研究

《Materials Chemistry and Physics》：Study on the Mechanism of the Effect of Heat Treatment on the Corrosion Behavior of Welded Joints in Deep-Sea TC4 ELI Titanium Alloy

　　刘洪鹏|王金杰|赵勇|叶永林|王飞云|臧乾豪|傅娟
江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江212100，江苏，中国

摘要
作为航空航天和海洋工程等领域中的关键结构材料，TC4ELI钛合金由于其焊接接头处的腐蚀诱导失效而面临严重的服役安全性挑战。针对TC4ELI钛合金的窄间隙激光-电弧混合焊接，系统地研究了其微观组织特性、机械性能、残余应力和耐腐蚀性。结果表明：焊接区主要呈现α′马氏体组织，而热影响区在620°C热处理前后均稳定保持α+β+α′三相结构。原始焊接的α′结构显示出快速凝固的、无序的篮状网络，在热处理后经历了轻微的细化，并呈现出更均匀的针状排列。在机械性能方面，原始焊接的抗拉强度为1018.14 MPa，超过了基体金属的值，热处理后增加了3.2%。断裂模式从韧性断裂转变为韧性-脆性混合断裂；焊接区和热影响区的冲击能量分别增加了19.5%和23.6%，而焊接区的硬度显著降低。热源模型被证明是可靠的，接头温度场表现出中心区域较高、周边区域较低的特点，残余应力集中在焊接中心。热处理后，焊接区的纵向残余应力减少了34.3%，横向应力减少了50.6%，热影响区的应力也发生了显著变化。电化学腐蚀测试显示，热处理后的焊接腐蚀电流从1.465×10-7 A·cm-2降至1.231×10-7 A·cm-2，腐蚀电位从-0.395 V升至-0.338 V。阻抗半径扩大，表明耐腐蚀性得到增强。本研究通过数值模拟分析了残余应力的分布，阐明了热处理对微观组织、残余应力和腐蚀行为的影响机制，并为TC4ELI钛合金的应用及其耐腐蚀性的提高提供了理论基础。

引言
钛合金以其低密度、高比强度、优异的耐腐蚀性和稳定的高温机械性能而成为航空航天、海洋工程和生物医学应用等高端领域的核心结构材料[1]，[3]。然而，钛合金的工程应用很大程度上依赖于焊接来实现形状加工，例如压力抵抗性钛球的周向焊接和深海管道的现场对接焊接。作为关键加工步骤，焊接虽然实现了结构连接，但不可避免地在接头区域引入了复杂的微观组织演变和内部应力，成为限制接头服役性能的主要瓶颈[4]，[6]。在焊接过程中，由于热输入导致的不均匀温度场会引起局部塑性变形和相变。冷却时，这会在接头区域内形成梯度分布的残余应力[7]，[8]。残余应力的存在不仅降低了接头的疲劳强度并引起变形，还会与腐蚀环境协同作用，显著加剧应力腐蚀开裂（SCC）和氢致开裂（HIC）等失效风险[9]，[10]。例如，在海洋环境中，钛合金焊接接头中的残余拉应力会加速Cl-诱导的点蚀起始，并为裂纹扩展提供驱动力，显著缩短结构的安全服役寿命[11]，[12]。同时，焊接热循环引起的接头微观组织不均匀性进一步削弱了耐腐蚀性，使焊接区成为优先腐蚀的部位[13]，[14]。因此，如何通过工艺控制减少残余应力并提高接头耐腐蚀性是钛合金焊接结构可靠应用的关键科学问题。

热处理作为关键的焊接后处理技术，被广泛用于调节焊接接头的残余应力和微观组织性能。常见的技术包括应力消除退火和固溶处理后进行时效处理，这些方法通过控制再结晶、相变和扩散过程从根本上实现应力释放和微观组织优化[15]。先前的研究表明，应力消除退火可以有效降低接头的峰值残余应力，表明它通过消除应力集中来抑制腐蚀速率[16]。Jiang[17]等人使用X射线衍射和深孔钻探技术研究了106毫米厚的TC4钛合金电子束焊接接头在焊接后热处理（PWHT）后的残余应力纵向分布。研究发现，在600°C PWHT过程中接头发生了相变，显著改变了残余应力分布和机械性能。处理前，接头表面主要呈现压缩应力，而内部呈现拉伸应力，表面残余应力的绝对值高于内部。PWHT后，残余应力整体显著降低，尤其是表面应力降低明显。Alireza Nasresfahani[18]等人发现，焊接后热处理可以显著调节Ti-6Al-4V钛合金不同焊接区域的腐蚀行为。处理后，所有试样的腐蚀电位变为正值，热机械区的腐蚀速率降低了三分之二，不同焊接区域之间的腐蚀速率差异得到有效缓解。Su[19]等人研究了退火处理对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo (Ti80)合金在3.5 wt.% NaCl溶液中耐腐蚀性的影响，发现退火可以有效提高合金的耐腐蚀性，主要是由于相体积分数的增加和相厚度的减小。Ettefagh[20]研究了退火后对AM零件耐腐蚀性的影响，发现原始AM零件的腐蚀速率是商业等级的1/16，这是由于非平衡相的存在。在800°C下热处理2小时后，由于马氏体应力的释放和耐腐蚀β相的形成，腐蚀行为得到改善。尽管固溶时效可以通过沉淀强化相来提高强度，但高温处理可能会引入新的不均匀应力分布，甚至恶化局部耐腐蚀性[21]。Nilay Comez[22]等人研究了固溶处理对Ti6Al4V合金耐腐蚀性的影响，发现热处理可以将腐蚀速率降低3到4倍。总体而言，现有研究大多集中在单一性能（如残余应力或耐腐蚀性）的优化上，缺乏对“热处理 - 残余应力 - 腐蚀性能”之间相关机制的系统性揭示，特别是在复杂服役环境中的长期耦合效应仍不清楚。

为了解决上述问题，本研究对典型的α+β钛合金（TC4ELI）的焊接接头进行了系统的热处理工艺实验。研究重点关注通过热处理调节焊接接头残余应力分布的机制，以及热处理引起的微观组织演变对耐腐蚀性的影响机制。本研究旨在为焊接钛合金结构的优化热处理工艺提供理论支持，从而在恶劣环境条件下提高其长期可靠的服役寿命。

**部分内容**
**测试材料**
实验选用的测试板为尺寸为350 × 150 × 12.5 mm的TC4ELI钛合金板。使用的焊丝为直径为1.2 mm的TC3焊丝，其化学成分见表1。

**焊接工艺**
钛合金焊接测试对环境和测试板预处理有严格的要求，需要在无尘环境中进行以防止杂质干扰。在测试之前，对于窄间隙坡口区域（坡口角度6°，钝边5.5mm）...

**微观组织**
图4显示了TC4ELI钛合金对接接头在原始焊接和热处理状态下的焊接区和热影响区的微观组织特性。TC4ELI钛合金的激光-电弧混合焊接接头在不同区域表现出显著的微观组织差异。焊接区的微观组织以α'马氏体相为主，而热影响区在原始焊接条件下始终保持稳定的α + β + α'三相共存。

**断裂机制分析**
图18显示了不同条件下TC4ELI钛合金激光-电弧混合焊接接头的断裂形态。由于冷却速率高，激光-电弧混合焊接接头呈现出以亚稳态α'马氏体为主的非平衡微观组织，伴随局部Al蒸发和Fe晶界偏聚。尽管亚稳态α'具有过饱和的HCP结构，但其细小的层状形态和高位错密度赋予了优异的塑性：

**结论与展望**
(1) TC4ELI钛合金窄间隙激光-电弧混合焊接在不同区域表现出明显的微观组织变化：焊接区以α′马氏体为主；热影响区在620°C热处理前后均保持稳定的α+β+α′三相结构。原始焊接的α′相具有快速凝固特性，形成取向无序的篮状网络。620°C热处理后，α′相经历了轻微的细化，呈现出针状排列...

**作者声明**
作者没有需要披露的利益冲突。

**作者贡献声明**
赵勇：撰写 - 审稿与编辑、资源获取。
王金杰：撰写 - 原始草案、方法论、概念化。
刘洪鹏：撰写 - 原始草案、方法论、概念化。
傅娟：调查、形式分析。
臧乾豪：调查、形式分析。
王飞云：调查、形式分析。
叶永林：撰写 - 审稿与编辑、资源获取。

**未引用参考文献**
[2]，[5]

**数据可用性**
支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

**伦理批准**
不适用。

**利益冲突声明**
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。

**致谢**
我们衷心感谢相应的作者赵勇教授和叶永林研究员在整个研究过程中的细致指导、宝贵建议和持续支持。从研究计划的设计和实验实施到手稿的起草和修改，他们严谨的科学方法和深厚的学术专长为这项工作的成功完成奠定了关键基础。我们感谢他们的巨大贡献。