钛及钛合金在溴化锂水溶液流体中空化腐蚀机理研究

The application of environmentally friendly heavy lithium bromide solution in seawater desalination is a new design concept. However in this corrosive medium cavitation corrosive damage may occur, leading to reduction in service life and reliability of titanium materials. Therefore it is of theoretical significance and practical value for the valid guidance of predicting and preventing cavitation corrosion of titanium and titanium alloy to systematically investigate the characteristics of cavitation corrosion in the working fluid of aqueous lithium bromide solution. Electrochemical real-time measurement and surface analysis methods are applied to observe plastic deformation, localized damage morphologies, the variation of mechanical properties, as well as discuss the breakdown and repassivation of passive film,meanwhile study the relationship between microstructure and cavation corrosion performance. Micro-zone sheet resistance test technology is employed to continuously monitor the temporal and spatial variation of localized damage depth, and three-dimensional video microscope is used to obtain 3D structure and volume of micro-zone damage, from which volume damage rate can be calculated, thereby the dynamics model of cavitation corrosion of titanium and titanium alloy is established at different stages. By comparison of cavitation corrosion for titanium and titanium alloy under the different conditions of corrosive static state, non-corrosive cavitation, corrosive cavitation, synergetic effect of mechanics and electrochemical corrosion is explored, furthermore the initiation and propagation of cavitation corrosion of titanium and titanium alloy are clarified from in-depth perspectives.

环境友好型溴化锂浓溶液用于海水淡化是一个全新的设计概念，但在此腐蚀介质中钛材面临空蚀破坏而影响其使用寿命和可靠性。因此研究溴化锂水溶液流体中钛及钛合金的空蚀特征，对有效指导溴化锂水溶液流体中钛及钛合金空蚀预测与预防有十分重要的理论意义和实用价值。本项目利用电化学实时测试和表面分析手段观测钛及钛合金表面塑性变形程度、局部破坏形态、机械性质变化，分析表面钝化膜的破坏和修复过程，明确空蚀性能与微观组织结构之间的关系；采用微区方阻测试技术连续监测钛及钛合金表面局部破坏深度的时空演变，同时借助三维视频显微镜观测微区破坏的3D结构和体积，获得体积损失率，建立钛及钛合金空蚀不同阶段的动力学模型。通过对比研究在腐蚀静态、无腐蚀空化和腐蚀空化条件下的破坏情况，获得力学和电化学腐蚀因素的交互作用规律，阐明空化作用对钛及钛合金在溴化锂水溶液流体中腐蚀行为的影响，从深层次揭示钛及钛合金空蚀诱发和发展机理。

钛及钛合金在强腐蚀性介质中具有良好的耐蚀性，但在空泡冲击作用下钝化膜可能会被破坏，从而影响其耐蚀性能和使用寿命，因此钛材能否用于海水淡化溴化锂制冷吸收系统取决于其空蚀行为和耐空蚀性能。本项目根据ASTM G32-92空蚀标准，使用自身改进的超声波振荡空蚀设备开展空蚀试验，选取目前广泛应用的纯钛TA2和钛合金TC4，研究了它们在高浓度溴化锂水溶液流体介质中空蚀的规律和机理，探讨了温度对空蚀行为的影响，并对两种钛材空蚀行为进行了对比分析。采用宏观和微观空蚀破坏测试方法定量和定性地分析了钛及钛合金在不同条件下初期腐蚀磨损程度，获得了空蚀发生发展的不同阶段和动力学规律；应用二维和三维表面分析技术观测了空蚀微区破坏特征，探讨组织结构对空蚀行为和空蚀破坏演变过程的影响，确定了微观组织结构与钛及钛合金空蚀行为的关联性，TA2和TC4具有不同的微观组织结构，呈现了不同的初期空蚀诱发和扩展过程；借助电化学测试方法，如开路电位、极化曲线、交流阻抗、Mott-Schottky曲线和电流时间曲线以及微区电化学技术分析了空化作用下钛及钛合金表面钝化膜的破坏以及再生长特征，观察到了钝化膜半导体性质在空化作用下的改变，空蚀导致了钝化膜从n型半导体转变为p型半导体；通过对比研究在纯腐蚀、纯空化和腐蚀空化条件下钛材表面的机械性质变化和电化学行为，获得了力学和电化学腐蚀因素的交互作用规律，并对交互作用进行了定量分析，力学因素是造成腐蚀磨损的主要因素，然而在交互作用中腐蚀起到了明显的促进作用。以上研究从深层次揭示了钛及钛合金空蚀机理，该项目的研究成果为深入了解溴化锂水溶液中钛及钛合金的空蚀规律提供参考，为有效指导海水淡化溴化锂制冷吸收系统材料的选择、空蚀预测与预防提供理论依据和基础数据。