EM科特掃描電鏡揭示鈦合金的氫損傷形式及其與微觀組織間的關(guān)系

2024/03/12

鈦及鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度、高耐蝕性、無(wú)磁、焊接性能良好等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋結(jié)構(gòu)平臺(tái)、深海探測(cè)、航空航天、軍事裝備、化工、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)。其中，相比于鋼鐵材料，鈦合金具有更加優(yōu)異的抗海水腐蝕性能，包括抗靜態(tài)腐蝕及抗循環(huán)加載條件下的動(dòng)態(tài)腐蝕，這使得海洋鈦合金具有巨大的應(yīng)用潛力。我國(guó)自主設(shè)計(jì)的“奮斗者號(hào)”深海載人球艙（圖1）所用原材料即為鈦合金，其下潛深度可達(dá)10909米。

圖1 “奮斗者號(hào)”深海載人球倉(cāng)（圖片來(lái)源：百度百科）

然而，服役于海洋環(huán)境中的鈦合金設(shè)備常與異種金屬（通常為不銹鋼）連接，也常處于陰極保護(hù)系統(tǒng)之中，這兩種情況均可能誘發(fā)鈦合金發(fā)生陰極析氫反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致合金產(chǎn)生氫脆斷裂風(fēng)險(xiǎn)，造成巨大的安全隱患。因此，對(duì)鈦合金的氫脆行為的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。材料的服役行為與微觀組織息息相關(guān)，研究鈦合金的氫脆行為，首先要揭示合金的氫損傷形式及其與微觀組織之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。在金屬材料學(xué)領(lǐng)域，掃描電鏡觀察是進(jìn)行材料的微觀組織表征和失效分析的重要手段之一。

實(shí)驗(yàn)材料選用TC4雙相鈦合金，采用 - 50 mA/cm2陰極電流密度對(duì)合金進(jìn)行陰極充氫24 小時(shí)，采用EM科特Cube-II掃描電鏡 (SEM) 對(duì)充氫前后合金的微觀組織進(jìn)行觀察。

利用EM科特Cube-II掃描電鏡 (SEM)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的微觀組織表征。圖2為未充氫TC4鈦合金微觀組織的二次電子(SE)形貌?？梢钥闯觯趻呙桦婄R下，合金由深色的α相和淺色的 β 相構(gòu)成，β 相彌散分布在 α 相周?chē)?。?5000 倍下，兩相具有清晰的襯度。

圖2 TC4鈦合金的微觀組織

利用EM科特臺(tái)式掃描電鏡 (SEM)設(shè)備還可以對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金的氫損傷形式的精準(zhǔn)分析。

圖3 (a) 和3 (b) 為充氫24小時(shí)后合金的二次電子 (SE) 和背散射 (BSE) 形貌?？梢郧宄乜吹?，大量針狀氫化物從α相內(nèi)部析出，而β相未發(fā)生明顯改變。由于氫化物本身具有脆性，故氫化物的析出會(huì)導(dǎo)致鈦合金塑性的下降，斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大。此外，大量氫致裂紋出現(xiàn)在合金α相內(nèi)部，這些裂紋會(huì)破壞合金表面完整性，引發(fā)應(yīng)力集中，進(jìn)一步降低合金的力學(xué)性能。

圖3 TC4合金的氫損傷形式

綜上，通過(guò)SEM觀察及分析可知，TC4鈦合金的氫損傷形式主要為氫化物析出和氫致開(kāi)裂，氫損傷易產(chǎn)生在α相內(nèi)部。