α+β双相TC4钛合金由于具有高比强度和可承受极端条件的能力，常被用于深海探测，但在深海的高静水压力、低温和含氯海水等极端环境下，应力腐蚀开裂（SCC）是威胁其结构完整性和运行安全的重要失效模式。中国科学院广州能源转换研究所和广东腐蚀科学与技术创新研究院等单位近日在模拟海洋环境中对商用TC4钛合金应力腐蚀开裂(SCC)行为的影响进行了研究，并深入探讨了其影响机理，该研究结果以“Stress corrosion cracking susceptibility and propagation behavior of TC4 titanium alloy in simulated deep-sea environment”为题被发表在腐蚀领域期刊《Corrosion Science》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113201

【核心内容】

这项研究探究了TC4在模拟浅海和深海环境中应力强度因子（KI）、溶解氧（DO）和静水压力（HP）对其SCC敏感性以及裂纹扩展行为的影响。发现了裂纹扩展以穿晶为主，在特定晶界有少量沿晶SCC。另外，较高的KI和DO浓度会加快SCC增长率，HP会增强腐蚀反应和氢脆作用。

【研究方法】

该研究通过慢应变速率拉伸试验（SSRT）评估了TC4在3.5wt.% NaCl溶液中不同静水压力下的应力腐蚀开裂敏感性，使用直流电位降法（DCPD）研究了其在该溶液中的应力腐蚀裂纹扩展行为，测量了不同环境和力学条件下的裂纹增长率，结合扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等进行微观结构表征，阐明裂纹扩展路径、氧化膜降解和位错相互作用。

模拟海洋环境中的DCPD测试示意图

【研究成果】

① 裂纹扩展模式

TC4钛合金在模拟海洋环境中的应力腐蚀开裂（SCC）以穿晶开裂为主，在如α/β相界或特定α晶粒取向处的特定晶界中存在少量沿晶开裂，该裂纹扩展行为受到了宏观区和相特异性滑移系等微观结构特征影响。

在3.5wt.%的NaCl中以各种应力比测试下（a）TC4样品的CF裂纹扩展和（b）SCC裂纹扩展

0.5T CT TC4样品的裂纹扩展路径（a）和断裂表面（b）

② 应力强度因子（KI）的影响

SCC增长率对KI具有强依赖性，主要呈指数增长趋势。在HP=0.1 MPa、DO=6000 ppb、3.5 wt% NaCl的实验条件下，TC4的应力腐蚀临界应力强度因子（KISCC）约为25MPa√m。

(a)应力强度因子和(b)溶解氧浓度和静水压力对3.5 wt% NaCl溶液中TC4样品CGR的影响

③ 溶解氧（DO）和静水压力（HP）的影响

DO浓度与SCCGR呈反比，高的DO通过促进氧化膜破裂和应力集中加速裂纹生长，而低DO则抑制裂纹尖端阳极溶解。另外，HP升高会增强阳极溶解动力学和氢吸附，通过吸附诱导位错发射（AIDE）和氢增强塑性（HELP）机制可以促进SCC，从而使钝化膜保护性下降。

浅海环境下DO浓度影响钛合金SCC的机理示意图:（a）高溶解氧浓度,（b）低溶解氧浓度

④ 微观结构及各因素协同作用的影响

宏观区因取向一致加速裂纹扩展，α相滑移系有限易发生穿晶解理，β相滑移系多裂纹扩展阻力较大，α/β相界为优先腐蚀位点。KI、DO、HP和微观结构共同作用于TC4的SCC扩展行为，高HP与高DO协同促进SCC，低DO可减轻高HP的不利影响。

用3.5 wt.%的NaCl溶液对α-Ti中的裂纹尖端进行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%的NaCl溶液对α-Ti中的裂纹尖端进行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%NaCl溶液对β-Ti中的裂纹尖端进行STEM-EDS分析

用3.5 wt.%NaCl溶液对β-Ti中的裂纹尖端进行STEM-EDS分析

【总结与展望】

该研究探究了TC4在模拟浅海和深海环境中的应力腐蚀开裂敏感性及扩展行为，发现其裂纹扩展以穿晶为主、特定晶界有少量沿晶开裂，明确了应力强度因子、溶解氧、静水压力及微观结构对裂纹增长率的影响机制，并揭示了各因素的协同作用。未来需进一步研究深海环境中高静水压力与低溶解氧的协同效应，以完善对TC4钛合金在深海条件下应力腐蚀开裂行为的认知。