TC4钛合金在含S2- 海水中的腐蚀磨损行为研究

doi:10.11902/1005.4537.2025.044

TC4钛合金在含S^2- 海水中的腐蚀磨损行为研究

王杰¹^,², 赵平平², 王春婷², 竺婷婷², 杨丽景^,², 宋振纶²

1 宁波大学材料科学与化学工程学院宁波 315211

2 中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室宁波 315201

Synergistic Tribo-corrosion Behavior of TC4 Ti-alloy in Artificial Seawater Containing Sulfur Ions

WANG Jie¹^,², ZHAO Pingping², WANG Chunting², ZHU Tingting², YANG Lijing^,², SONG Zhenlun²

1 Faculty of Materials Science and Chemical Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China

2 State Key Laboratory of Advanced Marine Materials, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China

通讯作者: 杨丽景，E-mail：yanglj@nimte.ac.cn，研究方向为金属腐蚀与防护

收稿日期: 2025-02-13 修回日期: 2025-03-11

基金资助:

国家重点研发计划. 2022YFB3808800
宁波市重点科技项目. 2024Z130

Corresponding authors: YANG Lijing, E-mail:yanglj@nimte.ac.cn

Received: 2025-02-13 Revised: 2025-03-11

Fund supported:

National Key Research and Development Program of China. 2022YFB3808800
Municipal Key R&D Program of Ningbo. 2024Z130

作者简介 About authors

王杰，男，2000年生，硕士生

摘要

硫化物在特殊海洋环境(如深海热液区、工业污染区等)中十分常见，本研究通过电化学技术原位监测TC4钛合金的腐蚀磨损过程，并利用台阶仪与3D轮廓仪对磨损后的体积进行量化，结合扫描电子显微镜和能谱仪观测微观形貌及成分，讨论S^2-浓度对TC4钛合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀-磨损动态损伤过程中的影响。结果表明，TC4钛合金的总腐蚀磨损量随着S^2-浓度的增加显著增大，且磨损机制从单纯磨料磨损转变为磨料、疲劳磨损共存的复合机制。在腐蚀磨损过程中，当S^2-浓度从0 mmol/L增加到60 mmol/L时，TC4钛合金的开路电位降低了400 mV左右。同时，腐蚀电流密度增大了近2个数量级。腐蚀磨损交互量化分析表明，腐蚀促进磨损分量占比从2.94%提升到5.59%。海水环境中的S^2-破坏了钛合金表面钝化膜，加速局部腐蚀并加剧磨痕区域的二次溶解，最终导致TC4钛合金在腐蚀磨损过程中的耦合损伤效应显著增强。

关键词： TC4钛合金 ; S^2- ; 腐蚀磨损 ; 耦合损伤 ; 电化学

Abstract

Sulfide is very common in special marine environments, such as microbial metabolism process, deep-sea hydrothermal area, industrial pollution area etc. In this study, the corrosion and wear process of TC4 Ti-alloy was monitored in situ by electrochemical technology, and the wear volume was quantified by step profiler and 3D profilometer. The microstructure and composition were characterized by scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer. The effect of sulfur ion concentration on the corrosion-wear dynamic damage process of TC4 Ti-alloy in 3.5%NaCl solution was systematically revealed. The results show that the total corrosion wear amount of TC4 Ti-alloy increases significantly with the increase of sulfur ion concentrations, and the wear mechanism changes from pure abrasive wear to the composite mechanism of abrasive and fatigue wear. During the corrosion wear process, when the sulfur ion concentrations increased from 0 to 60 mmol/L, the OCP of TC4 Ti-alloy decreased by about 400 mV. At the same time, the corrosion current density increased by nearly 2 orders of magnitude. The interactive quantitative analysis of corrosion and wear shows that the proportion of corrosion-promoted wear components increased from 2.94% to 5.59%. The sulfur ion in the 3.5%NaCl solution destroyed the passivation film on the surface of the TC4 Ti-alloy, accelerated the local corrosion and aggravated the secondary dissolution of the wear scar area, which eventually led to the significant enhancement of the coupling damage effect of TC4 Ti-alloy during the corrosion wear process. This study provides an important reference for the durability design of titanium alloy components in marine equipment operating in a sulfur-containing medium environment.

Keywords： TC4 Ti-alloy ; sulfur ions ; tribo-corrosion ; coupling damage ; electrochemistry

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本文引用格式

王杰, 赵平平, 王春婷, 竺婷婷, 杨丽景, 宋振纶. TC4钛合金在含S^2- 海水中的腐蚀磨损行为研究. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(6): 1764-1772 DOI:10.11902/1005.4537.2025.044

WANG Jie, ZHAO Pingping, WANG Chunting, ZHU Tingting, YANG Lijing, SONG Zhenlun. Synergistic Tribo-corrosion Behavior of TC4 Ti-alloy in Artificial Seawater Containing Sulfur Ions. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(6): 1764-1772 DOI:10.11902/1005.4537.2025.044

TC4钛合金(Ti-6Al-4V)作为典型的α + β双相合金，凭借其高比强度、耐高温、优异耐蚀性及力学性能，在深海探测装备、船舶推进系统及海洋平台关键承力部件等得到了大量的应用^[1~3]。然而，在海洋实际服役环境中(如螺旋桨轴承、液压阀芯等摩擦副)，TC4钛合金部件长期承受机械磨损与海水腐蚀的协同作用，其失效速率显著高于单一损伤工况^[4~6]。特别是在深海热液区^[7]、工业污染海域^[8]等含S^2-环境中，S^2-对钛合金钝化膜的破坏作用可能引发“腐蚀-磨损”的耦合加速作用，导致材料过早失效，最终影响材料在海洋环境中的安全服役寿命^[9,10]。

近年来，许多研究多聚焦于钛合金在纯腐蚀或纯磨损条件下的性能演变^[11~15]。例如，Yang等^[16]研究表明TA2在酸性条件下含有S^2-的模拟海水溶液中钝化行为，说明硫化物促进钛阴极析氢反应，并且硫化物通过化学反应以TiS₂形式参与了钝化膜的形成。Zhao等^[17]证实F⁻通过竞争机制降低TC4钛合金的钝化膜稳定性。宋伟等^[18]研究表明TC4钛合金在微动条件下的磨损机制以磨粒磨损为主。谢浩民等^[19]证明了Ti80随载荷或电位的增加，粘着磨损程度加剧。然而，实际海洋环境中腐蚀与磨损的交互作用可能占据主导地位^[20]：机械磨损加速钝化膜破裂，从而导致新鲜金属表面暴露引发阳极溶解，而腐蚀产物又作为第三体磨粒加剧磨损^[21]。S^2-作为强还原性介质，不仅可加速局部腐蚀^[22]，其与钛基体反应生成的硫化物(如TiS₂)更可能影响表面摩擦行为。然而，目前关于TC4钛合金在含S^2-介质中的腐蚀磨损行为机制及S^2-浓度对其耦合损伤过程中的影响规律仍缺乏系统性研究。

本研究通过模拟含S海水环境，采用原位电化学-摩擦学耦合测试技术，系统揭示了S^2-浓度(0、20、40和60 mmol/L)对TC4钛合金腐蚀磨损损伤行为的影响。结合磨痕轨迹形貌、3D轮廓图像、微观形貌表征与损伤量化分析，阐明了含S^2-的海水环境中TC4钛合金在“机械磨损-电化学腐蚀”下的耦合损伤机制，从而为复杂腐蚀磨损工况下的材料选型设计提供参考，并进一步为深海装备钛合金部件的失效防护提供理论支撑。

1 实验方法

实验材料选取直径为25 mm的热轧Ti-6Al-4V(TC4)钛合金圆棒，其化学成分(质量分数) 6.1%Al和4%V，余量为Ti。试样被加工成尺寸为直径为22 mm，厚度为14 mm的圆片状材料，加工完成后依次使用400#、600#、800#、1000#、1500#和2000#的SiC砂纸对试样表面进行逐级打磨，以去除加工痕迹，使表面平整光洁。然后使用去离子水超声清洗，吹风机吹干后放入干燥器皿中待用。

在腐蚀磨损耦合实验中，采用多功能往复摩擦磨损试验机与电化学工作站进行原位同步监测，通过实时采集摩擦学参数与电化学信号的动态响应，系统评估了TC4钛合金的腐蚀磨损行为。摩擦实验中选用Al₂O₃陶瓷球(ϕ6 mm)，施加载荷固定为5 N，往复频率设置为2 Hz，往复长度3 mm。腐蚀介质为含有不同浓度Na₂S的3.5% (质量分数) NaCl溶液，调控溶液中的S^2-浓度分别为0、20、40和60 mmol/L，然后进行摩擦实验30 min。

使用PGSTAT302F电化学工作站进行电化学测试，采用三电极体系，以铂片为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，TC4钛合金试样为工作电极(测试面积为3.8 cm²)。首先对比了TC4钛合金在静态和动态摩擦中的动电位极化曲线。测试参数设置为：扫描速率为2 mV/s，扫描范围为-1.5~1 V (vs. SCE)，极化测试后的曲线使用Origin软件中的Tafel模式进行拟合分析。摩擦测试前10 min和摩擦测试后5 min监测无摩擦行为下样品表面开路电位(OCP)的变化，中间30 min的动态摩擦过程既检测OCP的变化，也检测摩擦系数的变化。

用于金相观察的TC4钛合金样品，用砂纸打磨至2000#，使用SiO₂悬浮液将TC4钛合金表面抛光至镜面效果，在常温条件下使用Kroll's试剂(2%HF + 5%HNO₃ + 93%H₂O，体积分数)刻蚀；最后通过场发射扫描电子显微镜(SEM，Quanta TM 250 FEG)观察样品的显微组织。

使用SEM观察TC4钛合金在腐蚀磨损实验后的表面形貌，并使用SEM自带的EDS能谱分析表面的成分分布。样品在阴极保护(-1.5 V vs. SCE)状态下的磨损(无腐蚀纯机械磨损损失量)和OCP开路状态的下磨损(腐蚀磨损总体积损失量)表面均使用探针式台阶仪测量磨痕轮廓。利用3D光学轮廓仪(3D Profiler，UP-Lambda)观察其磨损区域的三维形貌。

2 结果与讨论

2.1 TC4钛合金的微观结构

TC4钛合金的显微组织如图1所示，TC4钛合金呈现出典型的等轴双相组织。α相呈深色块状形态分布，其尺寸范围约为2~6 μm；而β相则以白色三角形块状形态分散于α相周围，其平均晶粒尺寸为(1.4 ± 0.3) μm。这种双相组织赋予了TC4钛合金优异的力学性能和良好的综合性能^[23,24]。

图1

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图1 TC4钛合金显微组织的SEM像

Fig.1 SEM image (a) and enlarged image (b) of microstructure of TC4 Ti-alloy

2.2 极化曲线

图2显示了TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中静态腐蚀和动态腐蚀磨损的动电位极化曲线。使用Tafel拟合后的腐蚀电位(E_corr)、腐蚀电流(I_corr)结果列于表1中。从图中可以看出，静态腐蚀和动态腐蚀磨损下的动电位极化曲线形状上相似，阳极分支显示TC4钛合金在静态与摩擦腐蚀条件下均呈现钝化行为。尽管摩擦载荷会机械剥离表面钝化膜，但磨损的钛合金表面始终具备动态钝化能力，新鲜金属表面可在< 2 s内(根据电流瞬态恢复速率估算)重新生成钝化膜。不含S^2-的溶液中，腐蚀磨损与静态腐蚀条件下的极化曲线有明显差异。动态摩擦过程中在相同电位下摩擦作用下钝化膜的溶解-钝化电流相对较高，表明表面钝化膜溶解加剧，这与TC4钛合金在摩擦时表面氧化膜持续破损，新鲜金属暴露加速腐蚀有关。在腐蚀磨损过程中的极化曲线出现明显的电流震荡，这可能是由于对偶球与样品表面接触发生往复摩擦，样品表面钝化膜在被重复破坏和生成所导致^[25]。

图2

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图2 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中静态腐蚀和动态腐蚀磨损条件下的动电位极化曲线

Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of TC4 Ti-alloy in 3.5%NaCl solutions containing 0, 20, 40 and 60 mmol/L S^2- under static corrosion (a) and tribocorrosion (c) conditions, and 0 mmol/L S^2- under corrosion and tribocorrosion conditions (b)

表1 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线拟合结果

Table 1 Fitting results of potentiodynamic polarization curves of TC4 Ti-alloy in 3.5%NaCl solutions containing different concentration of S^2-

	Concentration ofS^2- / mmol·L^-1	E_corrV	I_corr μA·cm^-2
Static corrosion	0	-0.33	0.08
	20	-0.74	0.50
	40	-0.87	0.89
	60	-0.95	1.35
Tribo-corrosion	0	-0.81	6.91
	20	-1.21	10.4
	40	-1.39	13.5
	60	-1.40	16.6

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根据静态极化曲线(图2a)可见，随着溶液中S^2-浓度的增加，阳极分支逐渐右移而阴极分支逐渐左移，最终导致E_corr逐渐下降而I_corr逐渐增加。这表明S^2-浓度的增加使得钛合金钝化膜耐蚀性能下降。当耦合机械作用后，对膜层的破坏作用极有可能被加剧。首先，从图2b和表1中可以看出，在不含S的3.5%NaCl溶液中TC4钛合金静态E_corr为-330 mV，I_corr为0.08 μA/cm²；而在动态摩擦后E_corr为-810 mV，I_corr为6.91 μA/cm²。动态摩擦过程中，机械作用下钝化膜发生损伤，新鲜Ti表面持续暴露，阳极溶解加速，阳极分支右移；而阴极反应速率几乎不变。阴阳极耦合作用下，动态摩擦过程中OCP明显负移，自腐蚀电流密度比静态时增大两个数量级。OCP的负移及自腐蚀电流密度的增加，均说明摩擦磨损加速了TC4钛合金的腐蚀^[26]。其次，从图2c看，在动态摩擦的条件下，相同S^2-浓度的环境中，相对静态条件，动态E_corr为显著下降，动态I_corr升高。同时，随着溶液中S^2-浓度的增加，动态I_corr逐渐升高。这说明当耦合机械作用后，S^2-对钛合金表面的损伤作用被加剧。

2.3 原位开路电位

图3显示了在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中静止-磨损交替实验获得的TC4钛合金合金开路电位曲线。由图可见，开路电位根据实验阶段的变化呈现出“稳态-降低-缓增”的变化趋势。

图3

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图3 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损条件下的原位开路电位变化曲线

Fig.3 Open-circuit potential changes of TC4 Ti-alloy during tribo-corrosion in 3.5%NaCl solutions containing different concentration of S^2-

在摩擦开始的瞬间，由于外加载荷的作用，试样表面的钝化膜发生破裂，此时新鲜基体暴露在不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中。此时，TC4钛合金的开路电位均显著下降。在磨损轨迹区域内，钝化膜在摩擦过程中不断被去除并重新生成，因此钝化膜的钝化与去钝化行为持续反复进行。如图3所示，在静止-磨损交替过程的磨损阶段，OCP值呈现出上下波动的趋势。这种波动现象揭示了钝化膜在磨损过程中的动态变化。具体而言，当钝化膜受到磨损作用而发生破损时，OCP值会下降；而当钝化膜进行自我修复时，OCP值则会上升。这种上下波动的OCP值，实时反映了钝化膜的破损与再钝化这一动态过程。

当摩擦终止后，OCP值于几十秒内呈现快速上升态势，而后转为缓慢增长，并最终稳定在一个低于加载前稳态值的水平。特别是不含S^2-的3.5%NaCl溶液中，摩擦结束后OCP值迅速恢复至稳态。而在含有S^2-的3.5%NaCl溶液中，其余3条曲线的增长较为缓慢，且稳定值远低于未摩擦前的稳态值。这表明，TC4钛合金表面因摩擦而受损的钝化膜，在S^2-的腐蚀作用影响下，难以在短时间内实现完全修复，其再生过程受到了显著阻碍。

2.4 摩擦系数和腐蚀磨损形貌

图4显示了TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液的摩擦系数曲线。摩擦过程中的平均摩擦系数并未呈现出随S^2-浓度增加而逐渐升高的趋势，而是在S^2-浓度达到60 mmol/L时，摩擦系数轻微增加。这可能是由于在这种高浓度S^2-环境中，钝化膜难以有效发挥其润滑效能。

图4

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图4 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中的摩擦系数曲线

Fig.4 Friction coefficient curves of TC4 Ti-alloy in 3.5%NaCl solutions containing different concentration of S^2-

图5显示了TC4钛合金在含不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中形成的三维轮廓图。可见TC4钛合金表面在不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中均呈现出较为粗糙的磨损区域轮廓^[27]，其轨迹形貌呈“C形”开口的抛物线形状。经过计算，磨损轨迹的具体尺寸结果如表2所示。当溶液中S^2-浓度分别为0、20、40和60 mmol/L时，磨痕截面积分别为10915、11424、12138和12674 μm²。这表明随着S^2-浓度的持续升高，总磨损量相应增大。

图5

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图5 TC4钛合金在含不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中摩擦后的3D轮廓图像

Fig.5 3D profile images of TC4 Ti-alloy after tribo-corrosion in 3.5%NaCl solutions containing 0 (a), 20 (b), 40 (c) and 60 (d) mmol/L S^2-

表2 TC4钛合金在含不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后磨痕参数

Table 2 Parameters of wear marks of TC4 Ti-alloy after corrosive wear in 3.5%NaCl solutions containing different concentration of S^2-

Concentration of S^2-mmol·L^-1	Max depthμm	Sectional areaμm²
0	26.4	10915
20	24.0	11424
40	27.4	12138
60	28.1	12674

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从图5可知，在摩擦磨损实验中，持续的摩擦作用导致对偶球与材料表面的接触面积增加，进而使磨损区域的宽度有所扩展。尽管磨痕的最大深度基本保持稳定，但磨痕的截面面积逐渐增大，磨损区域的磨损量相应增加。在滑动过程中，磨损区域的边缘部位因持续与磨球发生强烈的挤压作用，进而产生明显的塑性变形。这种变形使得磨损轨迹边缘的材料发生位移和堆积，最终在磨损轨迹的边缘区域形成了相较于未磨损部位更为突出的凸起结构。同时，对比不同浓度S^2-下磨损区域的轮廓形貌，结果表明浓度S^2-的增加不仅加剧了材料的磨损，还影响了磨损区域的微观形貌和磨损机制。

图6显示了TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后磨损区域的SEM图像。从图中可以观察到，磨损轨迹中存在大量平行于磨痕方向的犁沟槽、层状撕裂、黏附和塑性变形等现象^[28]。在不含S^2-的3.5%NaCl溶液中TC4钛合金表面摩擦区域较为平整，表面塑性变形均匀且无明显裂纹，此时磨损形式主要为机械磨损，磨损机制为磨料磨损机制。然而当S^2-浓度升高至60 mmol/L时，TC4钛合金的磨损形貌呈现显著变化。磨损区域出现了大量平行于划痕方向的大面积深沟与凹坑，其边缘伴随层状撕裂和材料黏附现象，在图6d3中，可清晰地观察到磨痕表面形成的疲劳裂纹。推测在裂纹尖端附近存在大量位错和空位等缺陷，使得裂纹处具有高的腐蚀活性。因此，高浓度S^2-的腐蚀作用进一步加速了裂纹的扩展和繁殖^[29]。

图6

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图6 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中摩擦后的腐蚀磨损表面形貌

Fig.6 Surface morphologies of TC4 Ti-alloy after tribocorrosion in 3.5%NaCl solutions containing 0 (a1-a3), 20 (b1-b3), 40 (c1-c3) and 60 (d1-d3) mmol/L S^2-

图7为TC4钛合金在不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后磨损区域的EDS能谱结果。从图中可以看出，在含有60 mmol/L S^2-的3.5%NaCl溶液中，TC4钛合金的磨损区域有S的信号峰。磨损区域具有较高的腐蚀活性，会形成微观的“应变差异电池”，由摩擦诱导的腐蚀行为导致了钛硫化物的产生，从而进一步加剧腐蚀磨损耦合作用。此时，磨损机制为磨料磨损和摩擦诱导的腐蚀磨损的复合机制。综上所述，当S^2-浓度达到60 mmol/L时，TC4钛合金的磨损机制由单纯的磨料磨损机制转变为磨料磨损、疲劳磨损以及腐蚀磨损共存的复合机制。

图7

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图7 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中摩擦后磨损区域的EDS分析结果

Fig.7 EDS analysis results of the worn regions of TC4 Ti-alloy after friction in 3.5%NaCl solutions containing 0 (a) and 60 (b) mmol/L of S^2-

2.5 S^2- 浓度对TC4钛合金腐蚀磨损的耦合作用机制

通过对TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5% NaCl溶液中腐蚀磨损行为的分析，表明S^2-浓度的增加对材料的腐蚀磨损具有加速效应。为了进一步阐明TC4钛合金腐蚀磨损过程中腐蚀与磨损的相互影响作用，对其在不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中造成的总磨损量进行量化计算。本文采用协同法^[30]进行量化分析，各体积损失的量化如下：

V_{T} = V_{W} + V_{C} + V_{S}

(1)

V_{S} = ∆ V_{W} + ∆ V_{C}

(2)

其中，V_T为样品腐蚀磨损总体积损失量(在实验后通过轮廓仪测量磨痕轮廓计算所得)，V_W为样品在无腐蚀纯磨损损失量(阴极保护状态下(-1.5 vs. SCE)样品磨损轨迹轮廓计算所得)，V_C为样品在静态的海水环境中的腐蚀损失量，V_S为样品在腐蚀和磨损交互作用产生的材料损失量。

V_S为由腐蚀促进磨损量(ΔV_W)和磨损促进腐蚀量(ΔV_C)两部分组成。可根据Faraday方程(3)和(4)计算：

V_{C} = \frac{I t M}{n F ρ}

(3)

∆ V_{C} = \frac{I_{r} t_{r} M}{n F ρ}

(4)

式中，M为TC4钛合金的相对原子质量46，I为样品在无摩擦状态下的腐蚀电流(A)，I_r为TC4钛合金在摩擦状态下的电流与无摩擦状态下的电流差值(A)，t为无摩擦状态下开路电位的测试时间(s)，t_r为摩擦状态下的测试时间(s)。n为摩擦测试中得失的电子数(TC4钛合金表面氧化物为TiO₂，在电化学反应过程中每个Ti原子失去4个电子，n = 4)。 $F$ 为Faraday常数(96500 C/mol)，ρ为测试TC4钛合金的密度4.51 (g/cm³)。利用式(1~4)计算得到V_C、ΔV_W、ΔV_C的值，如表3所示。

表3 TC4钛合金在不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后各体积损失分量

Table 3 Individual volume loss components of TC4 Ti-alloy after tribo-corrosion in 3.5%NaCl solutions containing different concentration of S^2-(10^-³ mm³ )

Concentration of S^2- / mmol·L^-1	V_T	V_W	V_C	ΔV_W	ΔV_C
0	32.7	30.4	0.02	0.96	1.32
20	34.2	31.1	0.05	1.21	1.84
40	35.1	32.3	0.08	1.43	1.29
60	37.9	34.9	0.15	2.12	0.73

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对比表3中的数据可知，在含S海水环境中，TC4钛合金静态腐蚀体积损失占比非常小，因此，由静态腐蚀引起的V_C对材料总损失量的影响可忽略不计。同时，随着S^2-浓度的增加，腐蚀和磨损交互作用产生的V_S逐渐增大，这表明S^2-浓度的增加显著增强了TC4钛合金在海水中的腐蚀和磨损的交互作用。当S^2-浓度达到60 mmol/L时，腐蚀和磨损的交互作用产生的ΔV_W占比达到了最大值，为2.12 × 10^-3 mm³。这进一步证实了高浓度S^2-对TC4钛合金腐蚀磨损行为的显著影响，强调了在高S^2-浓度环境下，腐蚀与磨损交互作用对材料损失的重要贡献。

为了更清晰地展示各体积损失量的占比情况，图8呈现了TC4钛合金在不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后各分量的占比。从图中可以看出，在不含S^2-的3.5%NaCl溶液中，纯机械磨损对总体积损失的相对贡献显著高于含S^2-的3.5%NaCl溶液。相对应地，随着S^2-浓度的增加，腐蚀引起的磨损分量的贡献逐渐增大。当S^2-为0 mmol/L时，ΔV_W仅有2.94%，而当S^2-增加至60 mmol/L时，ΔV_W显著增加至5.59%。这一现象可归因于S^2-的强还原性破坏了钛合金表面钝化膜，加速局部腐蚀并加剧磨痕区域的二次溶解，从而强化了腐蚀与磨损的交互作用^[31]。

图8

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图8 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后各体积损失占总体积损失的比例

Fig.8 Proportions of each volume loss to the total volume loss for TC4 Ti-alloy after tribo-corrosion in 3.5%NaCl solutions containing 0 (a), 20 (b), 40 (c) and 60 (d) mmol/L S^2-

3 结论

(1) TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的的3.5% NaCl溶液中腐蚀磨损时，OCP显著下降，S^2-浓度的不断增加则导致OCP负移增大。同时，动电位极化曲线显示，腐蚀电流密度随S^2-浓度升高而大幅度增加。这表明S^2-存在极大地降低了材料钝化膜的稳定性，加速了腐蚀过程。

(2) S^2-浓度增加使材料磨损加剧，磨损区域更粗糙。磨损机制从单纯磨料磨损转变为磨料、疲劳、腐蚀磨损共存的复合机制，高浓度S^2-下磨损区域出现深沟、凹坑和疲劳裂纹。

(3) 含S^2-溶液中材料总损失量更大。随着S^2-浓度从0 mmol/L增至60 mmol/L，腐蚀促进磨损分量占比从2.94%提升到5.59%，表明了环境中的S^2-溶液显著增强了电化学腐蚀对磨损的耦合损伤效应。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Yang

X W

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, Zhang

H L

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Influence of stress on the corrosion behavior of Ti alloys: A review

[J]. J. Alloy. Compd., 2024, 985: 173346