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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系

發布時間：2024-12-21

鈦及鈦合金具有低密度、高強度、高耐蝕性、無磁、焊接性能良好等一系列優點，廣泛應用于海洋結構平臺、深海探測、航空航天、軍事裝備、化工、環境保護、醫學等行業。其中，相比于鋼鐵材料，鈦合金具有更加優異的抗海水腐蝕性能，包括抗靜態腐蝕及抗循環加載條件下的動態腐蝕，這使得海洋鈦合金具有巨大的應用潛力。我國自主設計的“奮斗者號”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10909米。

圖1 “奮斗者號”深海載人球倉（圖片來源：百度百科）

然而，服役于海洋環境中的鈦合金設備常與異種金屬（通常為不銹鋼）連接，也常處于陰極保護系統之中，這兩種情況均可能誘發鈦合金發生陰極析氫反應，進而導致合金產生氫脆斷裂風險，造成巨大的安全隱患。因此，對鈦合金的氫脆行為的研究具有重要的理論和現實意義。材料的服役行為與微觀組織息息相關，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在關聯。在金屬材料學領域，掃描電鏡觀察是進行材料的微觀組織表征和失效分析的重要手段之一。

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

利用EM科特Cube-II掃描電鏡 (SEM)，可以實現對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。可以看出，在掃描電鏡下，合金由深色的α相和淺色的 β 相構成，β 相彌散分布在 α 相周圍。在 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科特臺式掃描電鏡 (SEM)設備還可以對實現對鈦合金的氫損傷形式的精準分析。

圖3 (a) 和3 (b) 為充氫24小時后合金的二次電子 (SE) 和背散射 (BSE) 形貌。可以清楚地看到，大量針狀氫化物從α相內部析出，而β相未發生明顯改變。由于氫化物本身具有脆性，故氫化物的析出會導致鈦合金塑性的下降，斷裂風險增大。此外，大量氫致裂紋出現在合金α相內部，這些裂紋會破壞合金表面完整性，引發應力集中，進一步降低合金的力學性能。