鈦合金活塞體表面剝蝕原因分析

張秋穎 馬天驕

摘 要：氫氣壓縮機(jī)使用的鈦合金活塞體表面嚴(yán)重剝蝕，經(jīng)過各項(xiàng)檢測(cè)分析，得出活塞體剝蝕主要是由于鈦合金在氫氣環(huán)境發(fā)生了氫脆，氫化物集中在活塞體環(huán)槽表面，造成了活塞體表面脆性氫化物剝落。

關(guān)鍵詞：活塞體;鈦合金;剝蝕;氫脆

中圖分類號(hào)：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0047-02

0 概述

某用戶現(xiàn)場(chǎng)使用的氫氣壓縮機(jī)在工藝運(yùn)行20天左右時(shí)，出現(xiàn)了氣缸劇烈振動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組報(bào)警停機(jī)的狀況，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行拆缸蓋檢修，抽出活塞體后發(fā)現(xiàn)了活塞體表面已經(jīng)完全損壞，活塞環(huán)槽全部消失（見圖1）。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解和資料顯示，本次氫氣壓縮機(jī)項(xiàng)目使用的活塞體材料為鈦合金，氣缸的進(jìn)排氣溫度均在100℃以下，由于第一次出現(xiàn)這樣嚴(yán)重的活塞體損壞現(xiàn)象，需要根據(jù)已知情況對(duì)活塞體進(jìn)行檢測(cè)分析。

1 檢測(cè)分析

由于活塞體出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝蝕現(xiàn)象，表面環(huán)槽全部剝蝕不見，拆卸后對(duì)損壞最為嚴(yán)重的活塞體進(jìn)行了以下檢測(cè)分析，以下分析的所有取樣均來自同一活塞體。

1.1 活塞體材料檢測(cè)

在活塞體損壞處取樣，利用X射線熒光光譜儀進(jìn)行材質(zhì)的化學(xué)成分復(fù)檢，活塞體主要成分見表1，分析結(jié)果為此活塞體材料確為鈦合金TC4，即活塞體材料與資料顯示相同。

1.2 活塞體含氫量檢測(cè)

對(duì)活塞體進(jìn)行取樣，制成直徑4mm的試棒，經(jīng)TCH600儀器檢測(cè)，試棒氫含量為2700ppm。

1.3 活塞體宏觀檢測(cè)

取樣活塞體表面已嚴(yán)重?fù)p壞，活塞環(huán)槽完全剝蝕，見圖2。

1.4 活塞體金相組織檢測(cè)

在活塞體環(huán)槽位置取金相樣品，磨制金相樣品后在金相顯微鏡及掃描電鏡下觀察其組織形貌。樣品由兩相組織構(gòu)成，外表面有氫化物析出，其組織形貌見圖3、圖4、圖5。

1.5 力學(xué)性能檢測(cè)

力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，樣品以脆斷方式斷裂，因此未能檢測(cè)出延伸率和斷面收縮率具體見表2，樣品的沖擊性能很差，斷口為脆斷形貌，同時(shí)拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所下降，鈦合金TC4材料的力學(xué)性能見表3。

1.6 斷口檢測(cè)

取樣品的沖擊及拉伸斷口，在掃描電鏡下觀察其斷口形貌，端口上均表現(xiàn)出沿晶斷裂斷口形貌特征。斷口形貌見圖6、圖7。

1.7 XRD檢測(cè)

在樣品剝蝕嚴(yán)重處取樣，制備成XRD樣品，經(jīng)XRD檢測(cè)，樣品由氫化物析出。

2 檢測(cè)結(jié)果分析

樣品金相組織、斷口形貌、氫含量及氫化物的檢出都說明活塞體是在氫介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生了氫脆。氫化物集中在活塞體表面，造成了活塞體表面脆性氫化物剝落。

鈦合金是一種極易吸氫的材料，比較容易析出鈦的氫化物。浸入少量的氫就有可能嚴(yán)重影響鈦合金的機(jī)械性能，鈦中的氫含量直接影響著鈦的氫脆敏感性。氫在鈦中有一定的固溶度，該固溶度存在最大臨界值，TC4中氫的固溶度大約為0.012wt%左右。氫的敏感性影響是有一定范圍的，隨著氫含量的增大而增大。當(dāng)氫含量超過了鈦合金材料中氫的固溶度時(shí)，氫就有可能與鈦結(jié)合生成氫化鈦。當(dāng)鈦氫化物的量達(dá)到一定程度，鈦基體的塑形韌性就會(huì)顯著降低，并在外加應(yīng)力的作用下，鈦合金發(fā)生塑形變形，并從氫化物的富集區(qū)開始發(fā)生脆性斷裂。

鈦合金發(fā)生脆性的過程實(shí)質(zhì)上就是氫在鈦中積聚生成TiHx鈦氫化物，并在鈦基體重滲透擴(kuò)散，最后導(dǎo)致脆性開裂的過程。氫在鈦中的擴(kuò)散滲透過程包括三種進(jìn)程：一是滲入鈦基體中的氫與鈦氫化合物自身分解的氫在氫壓的推動(dòng)作用下在鈦基體內(nèi)的擴(kuò)散過程;二是氫被位錯(cuò)所攜帶一同運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的擴(kuò)散過程;三是鈦氫化合物的生成和遷移過程。

鈦合金表面污染對(duì)氫脆也有影響，若鈦合金表面受金屬鐵污染時(shí)，會(huì)增大鈦的吸氫量，因?yàn)殍F可以和鈦基體形成腐蝕微電池，增加了氫進(jìn)入的活性點(diǎn)和活性通道。鈦合金表面不潔凈，造成金屬表面劃傷會(huì)破壞鈦合金的表面氧化膜，無氧化膜保護(hù)則會(huì)加重氫腐蝕。

溫度對(duì)鈦合金氫致裂紋長大速度有很大的影響，在較低的溫度范圍內(nèi)，溫度升高，氫的擴(kuò)散速度加快，裂紋擴(kuò)展更快;在較高的溫度范圍內(nèi)，由鈦的氫化物形成的放熱反應(yīng)，溫度升高使氫化物成核困難，從而降低了裂紋的擴(kuò)散速度。

3 結(jié)語

鈦合金由于強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)及高溫下的良好性能越來越多的被化工行業(yè)關(guān)注，作為一種優(yōu)質(zhì)的防腐蝕材料，今后在壓縮機(jī)行業(yè)會(huì)得到廣泛應(yīng)用。避免鈦合金發(fā)生氫脆反應(yīng)是鈦合金應(yīng)用的首要條件，而完全阻斷鈦合金與氫離子接觸是很難的，因此只能通過以下一些措施來有效的減少或防止清脆失效。

（1）工藝條件，避免將鈦合金直接應(yīng)用于氫氣或含有氫離子的環(huán)境;（2）強(qiáng)化處理，對(duì)鈦合金設(shè)備及零部件進(jìn)行氧化處理、陽極硬化、化學(xué)氧化、離子氮化等，通過加厚或強(qiáng)化氧化膜等阻斷與氫離子的接觸。（3）退火處理，對(duì)鈦合金冷熱加工后的零部件進(jìn)行真空退火，消除應(yīng)力使成等軸晶粒，對(duì)抗氫脆有利。對(duì)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后的吸氫零件也可進(jìn)行真空退火脫氫處理。（4）保持清潔，安裝或檢修時(shí)要保持零件表面潔凈，避免鐵污染，嚴(yán)禁使用鋼制工具進(jìn)行敲打、緊固或除污，定期進(jìn)行酸洗除垢。（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)避免留有縫隙或滯留死角，防止氫離子堆積。（6）加強(qiáng)檢測(cè)，加強(qiáng)化工鈦合金設(shè)備的無損檢測(cè)，除常規(guī)壓力容器檢測(cè)方法外，還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的覆膜金相分析，這是至今無損檢測(cè)鈦合金設(shè)備吸氫與氫脆的較為有效的方法。

鈦合金作為壓縮機(jī)行業(yè)的一種新型材料，一直沒有被特別研究及關(guān)注，通過對(duì)這次事故中損壞的活塞體的全面分析，對(duì)鈦合金有了進(jìn)一步了解，對(duì)于鈦合金在壓縮機(jī)行業(yè)的應(yīng)用和推廣極為重要。

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