前言

鈦合金因其優異的耐腐蝕性能、高比強度和抗沖擊性、優異的生物相容性、非磁性等特點而被譽為“未來金屬”，廣泛應用于船舶、航空、化工和醫療等領域。鈦焊管、鈦三通管件等鈦合金是一種高鈍化性金屬，在氧化性酸、中性鹽及某些稀酸溶液等介質中具有很強的鈍化傾向，容易于表面生成一層致密且穩定的鈍化膜(氧化膜)，導致腐蝕速率顯著降低，從而保護基體免受進一步腐蝕，因此其廣泛應用于海水和海洋大氣、甚至深海中各類海工裝備或"部件等。

在20世紀后期，國內外研究者發現，服役于腐蝕介質中的結構件，不僅承受腐蝕破壞，因外力造成的磨損對結構材料還具有協同損傷效應，導致零部件加速失效，隨之出現了一個新興的研究領域———腐蝕磨損(Tribocorrosion)，并逐漸成為金屬、尤其是鈍化金屬及合金材料的研究熱點之一。本文針對鈦及鈦合金，圍繞其腐蝕磨損機理、試驗研究及應用，對其腐蝕磨損方面的研究進展進行綜述。

1、鈦及鈦合金的腐蝕磨損機理腐蝕磨損

[1－6]通常是指腐蝕環境中摩擦表面出現的材料流失現象，其實質是一種腐蝕磨損協同損傷。由于金屬材料在承受機械作用(摩擦力或表面切應力、沖擊力等)的同時，還與環境介質發生化學或者電化學反應，從而導致材料表面損傷或流失，它包括摩擦副的腐蝕磨損、腐蝕性漿料沖蝕、腐蝕液流中的氣蝕等類型。

20世紀50年代，Postlethwaite[1，7]首次提出金屬的腐蝕與磨損具有交互作用，但直到80年代，才出現較為全面的關于腐蝕磨損試驗研究，并逐漸成為研究領域的熱點。近年來，關于金屬及合金腐蝕磨損的大量試驗與理論研究普遍認為:腐蝕磨損不僅僅是材料腐蝕和磨損損傷的簡單疊加，而是因腐蝕、磨損及其二者的協同交互作用共同導致的材料損失。與單獨的腐蝕或者磨損相比，腐蝕磨損過程中的腐蝕行為與磨損行為存在較大的差異，腐蝕能夠加速磨損，磨損也可促進腐蝕，二者的協同作用加速了材料的破壞與失效 [5，8]。

據此，腐蝕磨損過程中材料的總流失量可表示為[9－13]:

W=W_corr+W_wear+ΔW(1)

ΔW=ΔW_c+ΔW_w(2)

式中，W為腐蝕磨損造成的材料總流失量，Wcorr為單純腐蝕失重;Wwear為單純磨損失重;ΔW為腐蝕磨損交互作用量失重，包括磨損對腐蝕的增加量(腐蝕增

量)ΔWc和腐蝕對磨損的增加量(磨損增量)ΔWw。金屬及合金的腐蝕磨損過程具有電化學性質[14－16]，可通過以下電化學反應來描述，包括金屬M氧化形成離子Mn+和n個電子(e)轉移的陽極反應:

M→Mⁿ⁺+ne(3)

反應式(3)對活性金屬有效，對于鈍化類金屬，例如鈦及鈦合金，金屬表面發生氧化反應形成通常為幾納米厚的TiO2鈍化膜[17]，反應如下:

Ti+2H₂O→TiO₂+4H⁺+4e(4)

而轉移的電子被氧化劑如質子(酸溶液)、溶解氧(充氣溶液)和水的反應消耗掉，即陰極反應可能為:

2H++2e→H₂(5)

O₂+2H₂O+4e→4OH－(6)

H₂O+2e→2OH－+H₂(7)

以鈦在3.5%NaCl海水中的陰極極化曲線為例[18]，如圖1所示，其陰極反應分三種情況，即:在－0．7V(vsSCE)以上為式(6);－0.7～-1.3V(vsSCE)之間為式(5);在-1.3V(vsSCE)以下則為式(7)。

鈦及鈦合金具有優異的耐腐蝕性能，但其耐磨性較差，在腐蝕介質中處于長期磨損工況時，例如海洋工程關鍵零部件、人體植入假體等，其表面鈍化膜修復速度不及破壞速度時會導致材料本體被破壞，容易造成突發性失效，導致巨大的經濟損失或人員傷亡，在工況極端苛刻的海洋環境下尤為明顯。因此，非常有必要研究鈦及鈦合金在海洋環境等復雜工況下的腐蝕磨損行為及其機理。

2、鈦及鈦合金的腐蝕磨損試驗原理與設備

2.1腐蝕磨損試驗原理

材料的腐蝕磨損性能并不屬于材料的固有屬性，而是在特定的條件下表現出的系統性能[11]。目前，絕大部分腐蝕磨損研究是在實驗室進行的模擬試驗研究，以滑動腐蝕摩擦為例，其普遍采用的研究方法為:在腐蝕介質環境中施加外部機械摩擦力在試樣上，利用摩擦副運動模擬機械摩擦，同時監測試驗過程中的電化學參數與機械參數，試驗研究思路如圖2所示。

試驗常用的機械運動摩擦副包括銷－盤式、球－盤式等，滑動摩擦副的運動類型通常可分為3類:單向滑動、往復滑動、微動式滑動摩擦。圖3為往復和單向滑動摩擦的示意圖。

腐蝕磨損過程中對于電化學參數的測量方法通常有3種[16]:即腐蝕電位法、原電池法、恒電位法，其中最常用的是腐蝕電位與恒電位測量方法。腐蝕電位法即測量在工作電極(WE)和參比電極(ＲE)之間自發建立的電位差，如圖4a)示。原電池測量法如圖4b所示，即將與所研究試樣同材料的板條置于距離樣品一定距離(幾厘米)處，作為輔助電極(CE)形成回路，利用零電阻安培計測量腐蝕電流。在摩擦副摩擦之前，同材質的試樣和輔助電極具有相同的腐蝕電位，故無電流流過電流表，但摩擦后改變了試樣的腐蝕電位，因此建立了樣品和輔助電極之間的原電池，可測得原電池產生的電流變化。恒電位測量法示意圖如圖4c所示，通過建立工作電極，參比電極和輔助電極(惰性材料，如鉑或石墨)的三電極測量回路，并對金屬試樣施加設定的外加電位E，利用恒電位器在固定電位下測量腐蝕電流的變化情況。

2.2腐蝕磨損試驗設備

根據上述腐蝕磨損試驗原理及要求，國內外研究者自主研發設計了各種專用腐蝕磨損試驗的裝置，以開展模擬腐蝕磨損試驗。陳君等[11]針對不同研究對象研制了穩態腐蝕磨損試驗機、暫態腐蝕磨損試驗機以及料漿沖蝕試驗機等，可以實現單向和往復工況時動、靜態極化曲線、摩擦系數、材料損失率等測量。Assi等[20]設計的腐蝕磨損試驗設備在相同工況下可以研究材料組織或成分的不均勻性對腐蝕磨損性能的影響。Vladimir等[21]研發了微動腐蝕磨損試驗設備用來研究低載微動條件下的腐蝕磨損，其結構示意圖如圖5所示。

Huttunen－Saarivirta等[22]、張琳[1]在摩擦磨損試驗機基礎上，通過結構改造來模擬海水環境下的腐蝕磨損工況，如圖6所示，研究了單向滑動摩擦情況下材料的腐蝕磨損性能。隨著對深海資源的開發和利用，模擬深海腐蝕磨損工況的試驗設備的需求也逐步增大，韓高峰等[23]采用在人工海水液面上通氣(氮氣或氬氣)加壓的方式來模擬深海高壓，研制開發了可以模擬1200m深海環境的一代模擬單向深海環境摩擦試驗機，如圖7所示。

3、海洋環境下鈦及鈦合金的腐蝕磨損研究

海洋環境下金屬及合金結構材料的腐蝕磨損是制約海工裝備的關鍵問題之一。研究表明，鈦及鈦合金具有明顯優于不銹鋼、銅合金的耐海水腐蝕性能，被廣泛應用于艦艇殼體、通海管路、泵、閥、海水淡化裝置、深海探測器、海上石油平臺[24－27]等，被稱為“海洋金屬”。在海洋工程中，鈦及鈦合金結構材料除受到海水腐蝕外，還受到摩擦或沖蝕等機械作用，往往導致不可預知的突發性失效而造成巨大損失，因此非常有必要研究其腐蝕磨損行為及機理，國內外研究者針對鈦及鈦合金在海洋中的腐蝕磨損行為及機理開展了大量研究。下面主要對鈦及鈦合金在海洋環境下的腐蝕磨損研究進展進行介紹。

3.1機械摩擦因素對腐蝕磨損性能的影響

陳君等[28－31]研究了TC4鈦合金在模擬海水中分別與Al2O3陶瓷和316L不銹鋼配副摩擦，在不同摩擦載荷與轉速下的腐蝕磨損行為，研究發現:海水具有明顯的潤滑作用，降低了摩擦副的摩擦系數;但海水的腐蝕加速了合金的磨損，隨著載荷和轉速的增加，材料流失量明顯增大。丁紅燕等[32]以TC11鈦合金與GCr15為摩擦副，采用球－面接觸的往復摩擦運動方式，研究了在不同往復運動頻率和摩擦載荷下、分別于模擬海水和純凈水中的腐蝕磨損行為，通過測量各工況下的摩擦系數與材料流失量，發現TC11鈦合金無論在純水中還是在海水中，摩擦系數均隨摩擦載荷或往復運動頻率的增加而呈下降趨勢，在海水中的摩擦系數與材料流失量的變化與陳君等[28－31]的試驗結果一致。Vladimir等[21]通過電化學方法研究了在模擬海水中低接觸載荷(10mN、100mN和1N)對Ti6Al4V鈦合金的微動腐蝕磨損影響，結果表明:在100mN時，測量到異常高的摩擦系數;反復試驗后發現，較高的摩擦系數是由于腐蝕和磨損之間具有較高的協同作用。俞樹榮等[33]進行了TC4合金在模擬海水中與不同摩擦副(GCr15球、Si3N4球、Al2O3球)、在不同載荷下的微動磨損試驗，得出Si3N4/TC4摩擦副的磨損率和體積磨損量均比GCr15/TC4摩擦副的大，表明在該腐蝕介質下GCr15/TC4的耐磨性能優于Si3N4/TC4。王林青等[34]通過失重法研究了TC4鈦合金在模擬海水中電化學腐蝕與機械磨損間的交互作用，探究了不同電化學狀態對TC4鈦合金腐蝕磨損行為的影響，發現材料總損失量隨外加電位的增加而增大，認為磨損與腐蝕之間的交互作用導致了較高的腐蝕磨損速率;隨著外加電位從－0．5V增大至0．8V，腐蝕磨損交互行為所占總材料損失比例由12%增加到66%，其中腐蝕誘導磨損的材料損失量占比由7%增至44%。

3.2腐蝕與磨損的協同作用研究

研究表明[35－37]:金屬或合金腐蝕磨損中的腐蝕與磨損的協同交互作用通常表現為正相關關系，彼此促進，加速腐蝕磨損。例如，鄭超等[38]對比研究了TC4鈦合金在純水和3．5%NaCl(質量分數)溶液中的微動磨損機制和特性，發現在腐蝕磨損進程中，腐蝕和磨損呈“正交互”關系，即腐蝕和磨損的交互作用加劇了材料流失。Chen等[39]通過對比試驗，發現Ti6Al4V在純水和模擬海水中與Al2O3配副摩擦時，在海水中的磨損量明顯大于純水，說明腐蝕加速了磨損。

然而，有研究發現腐蝕與磨損也會出現所謂“負交互”關系，即腐蝕磨損作用減少了材料流失量，該現象在鈦合金和不銹鋼中均觀察到過[40，41]。丁紅燕等[41]研究了TC11鈦合金在純水與模擬海水中的微動磨損特性，發現在載荷20～40N、頻率33Hz時，海水中的材料損失量總是小于水中的損失量，腐蝕磨損呈“負交互”規律，分析認為:在微動條件下，海水中硫、磷、氯等活性成分產生的膜層起到了減小摩擦和控制磨損的作用，阻止了磨粒的大量產生，減輕甚至消除了“微切削”和“犁削”導致的破壞，從而使腐蝕在磨損中起到了負的交互作用。

3.3表面改性對腐蝕磨損性能的影響

針對鈦合金耐磨性差的缺陷，國內外研究者通過不同的表面改性方法改善鈦合金的耐磨性能，并對其改性前后的腐蝕磨損性能對比試驗研究。鄧凱等[42]通過微弧氧化、N+離子注入、DLC(類金剛石薄膜)多層膜等方法提高TC11鈦合金的表面性能，并對TC11進行了不同改性表面的微動腐蝕磨損試驗，發現無論在模擬海水中還是純水中，經改性后TC11的摩擦系數呈不同程度下降，磨損量也明顯降低，其中DLC多層膜抗微動防護效果最顯著。Vladimir等[43]對TC4鈦合金表面進行了W-DLC(鎢摻雜類金剛石薄膜)處理、HVOF(超音速噴涂)涂層處理和離子注入，通過腐蝕磨損試驗發現:W-DLC表面處理的TC4在模擬海水中的腐蝕磨損性能最佳，這與鄧凱等[42]的研究結果一致。

何倩等[44]在TC4鈦合金表面制備了不同調制周期的CrSiN/SW納米多層膜，在模擬海水中與WC摩擦副進行微動腐蝕磨損試驗，發現調制周期為45nm時，涂層硬度及彈性模量最大，腐蝕磨損率最低。蔣璐瑤[45]通過控制攪拌摩擦加工工藝獲得具有等軸細晶組織和片層狀α相組織的Ti6Al4V合金，利用往復磨損試驗機和電化學工作站，在模擬海水介質中與AISI-52100鋼球進行頻率為2Hz的往復摩擦，結果發現等軸細晶組織Ti6Al4V合金在模擬海水中表現出較低的磨損率和摩擦系數，該組織特征具有最優的耐腐蝕磨損性能。

4、結論與展望

綜上所述，鈦及鈦合金因具有優異的耐腐蝕性能，尤其是具有優異的耐海水腐蝕性能，在海洋工程領域具有重要地位，而腐蝕磨損是影響鈦合金結構材料在多變工況應用的重要因素，其在工程應用方面，目前仍然存在很多問題亟待解決。

一方面，國內外研究者對鈦合金的腐蝕磨損行為及機理進行了廣泛研究，但大部分還僅限于實驗室模擬研究，模擬環境與實際工況的復雜環境差距較大，對工程實際的理論指導存在較大局限性;關于腐蝕磨損機理模型以及腐蝕與磨損的協同作用尚存在爭議等。另一方面，隨著深海資源的開發及利用，海洋工程裝備的服役工況更為復雜苛刻，深海極端工況下鈦及鈦合金結構材料的腐蝕磨損對海工裝備及關鍵部件的影響更為顯著。現有的鈦合金可能很難滿足要求，需要在鈦合金設計理論的基礎上，針對海洋極端環境，研制開發滿足特殊性能要求的鈦合金;這些必將成為鈦及鈦合金今后的重要發展趨勢。

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