1、引言

鈦合金因具有比強度高、良好的生物相容性、優異的耐蝕性的特點，而被廣泛應用于醫療器械、航空航天等領域，具有重要的戰略意義，而Ti-6Al-4V(TC4)合金被認為是業內應用率最高的鈦合金，約占總產量的一半[1-3]。隨著TC4鈦合金材料的廣泛應用，其焊接工藝面臨著更為嚴苛的要求。相較于傳統的熔焊工藝，激光焊接憑借其高能量密度與較小的熱影響區，已成為TC4鈦合金焊接方式中的常用方式[4]。然而，激光焊接過程中所帶來的顯著非平衡相變以及熱應力分布的不均衡性，會促使焊接接頭各部位的組織結構與耐腐蝕性呈現出差異性，進而對TC4制構件的服役壽命與結構安全性造成直接影響[5]。因此，研究TC4鈦合金焊接接頭的改性優化，提高生產生活中鈦合金焊接接頭的耐蝕性能是十分必要的。

鈦合金焊接接頭的耐蝕性及力學性能與其微觀組織特征(如晶粒尺寸、相分布、晶界特性等)緊密相關，其微觀結構除了受焊接工藝的影響，還能通過焊后熱處理進一步調控進而優化性能[6]：Li等人[3]研究了激光焊接下接頭各個區域的組織特點、硬度變化及耐蝕性差異，得出焊縫具有最高的硬度與最優的耐蝕性。Xu等人[7]發現隨著焊接速度的增加，TC4激光焊接接頭整體硬度不均勻程度增加，并歸因于α與α'相的含量變化。Su等人[8]對激光-電弧混合焊接接頭進行三階段熱處理后，二次α相細化且分布均勻，相邊界含量增加，顯著提升了強韌性；Zhou等人[9]通過三階段熱處理同時提高了激光熔覆Ti-6Al-4V鈦合金的屈服強度(YS)、極限抗拉強度(UTS)和伸長率(EL)；Santos等人[10]則發現熱處理能改善疲勞裂紋擴展阻力；Xu等人[11]證實熱處理可誘導TC4馬氏體分解為超細層狀α+β結構，Nicoletto等人[12]還報道了在表面狀態相同的情況下，選區激光熔化(SLM)鈦合金在中高溫區域熱處理后的疲勞性能恢復到軋制材料的水平。綜上，鈦合金焊接接頭的性能依賴于焊接參數優化與后處理技術對缺陷的修復，二者結合是實現高耐蝕性及優異力學性能的關鍵途徑。

然而，傳統后處理技術存在加工周期長、能源消耗高等問題，導致生產成本顯著增加。相比之下，脈沖磁場處理作為一種新興的材料后處理手段，具有處理時間極短、能耗低、綠色環保、不產生劇烈熱效應及熱變形的優點。研究發現脈沖磁場主要是通過磁致塑性效應與洛倫茲力來引起材料內部位錯運動，進而改變材料的微觀形貌和宏觀性能。Cai等人[13]發現脈沖磁場處理后，碳鋼晶體中的位錯發生了遷移，導致晶粒發生了塑性變形及殘余應力的釋放，并且磁致塑性力的變化與應力的變化密切相關，磁致塑性幅與應力幅度的乘積幾乎是一個常數。許擎棟等人[14]利用脈沖磁場對TC4鈦合金進行后處理，發現處理后位錯分布更加均勻，并將其歸因于磁致塑性效應。他們的研究雖證實磁場誘導位錯遷移，但未進一步探究位錯遷移對材料耐蝕性的影響。

針對亟待提升TC4鈦合金激光焊接件耐蝕性能的問題，本研究引入了脈沖磁場處理技術，通過促進材料內部位錯的遷移以及殘余應力的釋放，實現TC4鈦合金激光焊接件腐蝕壽命的提升，為提升材料的腐蝕壽命提供新思路。

2、實驗

實驗材料為商用TC4鈦合金，其名義化學成分如表1所示。將厚度2mm合金板進行激光焊接，采用線切割加工出尺寸為10mm×40mm×2mm腐蝕試樣若干，使焊縫位于試樣中部，試樣尺寸如圖1所示。

應用自主研發的脈沖磁場處理設備分別在0.5、1、1.5和2T 4種磁場強度下對TC4鈦合金激光焊接接頭進行單正向處理，除磁場強度變化外，其余參數均保持一致：磁脈沖間隔時間為15s，處理次數為30次。設置無磁場處理的對照組，命名為UT。采用砂紙打磨試樣使其平整，用粒度0.02μm的SiO2拋光液拋光至鏡面，在無水乙醇中超聲清洗30min，干燥后用于電化學測試。電解拋光去除表面應力，用于微觀檢測。

使用科斯特電化學工作站在3.5wt%NaCl溶液中進行電化學測試。試驗溫度為(25±1)℃，鉑片電極和飽和氯化銀(AgCl)分別作為輔助電極和參比電極。開路電位(OCP)穩定后，在振幅為10mV、頻率范圍為10^-2~10⁵Hz的正弦波作用下進行交流阻抗譜(EIS)測試。動電位極化曲線的掃描范圍為-1.5~1.5V(相對于開路電位)，掃描速率為10mV/s。使用20wt%濃度的鹽酸在溫度為(25±1)℃下對磁處理試樣與UT分別浸泡20和40d以后對接頭的耐腐蝕性能進行測試；采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的腐蝕形貌。利用ProtoLXRD微區應力儀檢測焊接接頭經脈沖磁場處理前后的殘余應力，檢測位點如圖2所示。使用裝配有背散射電子衍射(EBSD)探頭的Tescan Mira3 LHM高分辨掃描電鏡采集焊接接頭的表面晶體學特征，分析其位錯密度與晶界角度的差異，闡明微觀組織變化對TC4鈦合金焊接接頭耐腐蝕性能的影響。

表1 TC4鈦合金的化學成分

3、結果與討論

3.1 電化學測試結果

電化學測試能夠綜合表征電極反應動力學、界面電荷轉移過程、材料表面狀態及腐蝕行為。圖3所示為焊接接頭的開路電位圖，隨著浸泡時間的增加，焊接接頭的電位趨于穩定。開路電位能反應材料的熱力學穩定性，電位越負，熱力學穩定性越差[15]。穩定后，經脈沖磁場處理的焊接接頭的開路電位(open circuit potential, OCP)均大于UT，且OCP1.5T > OCP1T > OCP0.5T > OCP2T > OCPUT，表明脈沖磁場處理提升了焊接接頭的熱力學穩定性。

圖4為焊接接頭的Nyquist圖，各焊接接頭均為單個容抗弧。一般來說，容抗弧的半徑大小可表示合金材料腐蝕速率的快慢，容抗弧的半徑越大，表明合金表面轉移電阻越大，腐蝕速率越小，耐腐蝕性能越好，也可以表明在相同的腐蝕介質條件下形成的鈍化膜越致密。由圖4可知，經脈沖磁場處理后的焊接接頭的容抗弧半徑均大于UT。采用如圖4所示的R_s(Q_dl R_p)等效電路擬合實驗結果，其中R_s為溶液電阻，R_p為極化電阻，Q為常相位角元件(CPE)。擬合結果如表2所示，由表可得，磁處理后試樣的R_p均增大。磁場強度為1.5T時，焊接接頭具有最大的R_p值，為UT的13倍。

表2 不同磁場強度處理下焊接接頭EIS的擬合結果

焊接接頭的極化曲線如圖5所示，所有試樣在反應過程中均出現了鈍化現象。具有鈍化特性的金屬極化曲線通常可分為五個區域：活化區、過渡區、穩定鈍化區、過鈍化區和析氫區。其中，穩定鈍化區的特征是隨著電壓的增加，電流密度幾乎保持不變。穩定鈍化區的電流密度通常稱為維鈍電流密度(I_p)，它反映了金屬溶解和腐蝕產物沉積時的體系電流密度，I_p越小，其耐蝕性越好[16]。

通過對極化曲線的塔菲爾斜率倒推擬合得到經過磁處理以及UT在3.5wt%NaCl溶液中的極化曲線數據，結果見表3。經磁處理后的試樣表現出較小的I_p值，且磁場強度為1.5T時，試樣的I_p最小，相較于UT降低了40.5%，表明其更容易發生鈍化，因此其耐蝕性更優。

極化曲線數據中自腐蝕電位(E_corr)表征材料的耐腐蝕性能，其值越大越耐腐蝕；自腐蝕電流密度(I_corr)表征材料的腐蝕速率，其值越小，表明材料的腐蝕速率越小，越耐腐蝕。由擬合后的數據可得，磁處理后所有試樣E_corr均增大，其中1.5T最優，增大了約31.8%；I_corr在1.5T有明顯降低，降低了30.3%，其他參數下的I_corr與未處理試樣大致處于同一水平。

表3 不同磁場強度處理下焊接接頭動電位極化曲線的擬合結果

3.2 鹽酸浸泡實驗結果

鹽酸浸泡實驗中，選取 electrochemical 實驗中耐蝕性最優的、磁場強度為1.5T處理的試樣與UT分別在20wt%濃度鹽酸中常溫浸泡20與40d。浸泡后的宏觀形貌如圖6a與6b所示。由宏觀形貌可以發現，UT表面發生了嚴重腐蝕，焊接接頭的原貌被腐蝕殆盡且焊縫區被充分暴露，而1.5T試樣表現出較好的耐蝕性，焊縫原貌仍清晰可見。表4記錄了各試樣的失重質量與浸泡時長關系，未處理試樣浸泡20與40d的失重率分別為5.0%、15.8%，1.5T試樣的失重率分別為3.3%、5.5%，磁場處理的試樣失重率明顯小于UT，且浸泡時間20與40d的失重率分別降低了1.7%、10.3%。

表4 UT與1.5T試樣在鹽酸浸泡20與40d前后的質量變化

圖7為UT與1.5T試樣在20%濃度鹽酸中常溫浸泡20與40d后，通過掃描電鏡獲得基材、熱影響區及焊縫的腐蝕形貌。顯然，UT的三個區域在實驗中均遭受了嚴重的腐蝕并呈現出不同的腐蝕形貌。對于UT，基材被腐蝕后表面出現均勻的、呈蜂窩狀分布的腐蝕坑，由圖7a1、7a2可得，隨著浸泡時間的增加，蜂窩數量減少，蜂窩尺寸增大，這是因為隨著腐蝕的進行，相鄰的腐蝕坑擴展發生相互融合；圖7b1、7b2和7c1、7c2可看出熱影響區及焊縫呈現出縱橫交錯的溝壑狀腐蝕形貌，并且隨著浸泡時間的增加，前述溝壑的深度及寬度均增大。UT試樣的基材、熱影響區和焊縫區在腐蝕實驗中呈現出不同的腐蝕形貌，主要歸因于各區域顯微組織類型、形態和尺寸的差異。基材區域為典型的α+β雙相結構，α相富含Al元素，β相富含V元素，兩相之間的電偶腐蝕效應導致α相作為陽極優先溶解，形成均勻分布的蜂窩狀腐蝕坑[17]。熱影響區和焊縫區由于焊接熱輸入的影響，顯微組織發生顯著變化：熱影響區和焊縫區在焊接過程中經歷了快速加熱和冷卻，非平衡相變形成了細小的α'馬氏體和部分晶界富集區域，導致腐蝕初期速率較快，并伴隨晶界腐蝕，從而形成縱橫交錯的溝壑狀形貌[3]。

對1.5T試樣，如圖7d1、7d2所示，其基材部分呈現出與UT基材一樣的由腐蝕坑擴展融合后的蜂窩狀，且也表現出隨著浸泡時間的增加，蜂窩數量減少，尺寸增大的規律；由圖中的7e1、7e2和7f1、7f2可知，1.5T試樣熱影響區與焊縫區表面稀疏分布著微小的腐蝕坑，即發生了點蝕，且被腐蝕程度較輕。1.5T試樣的腐蝕形貌表明，其點蝕坑的擴展受到抑制，腐蝕坑的尺寸小且分布稀疏，尤其是在熱影響區和焊縫區，腐蝕程度明顯減輕，這說明脈沖磁場處理有效延緩了腐蝕進程，降低了材料的腐蝕速率，從而提升了整體耐蝕性能。

3.3 殘余應力

殘余應力會顯著削弱材料的耐蝕性能，在腐蝕環境中，高殘余應力(尤其是拉應力)會加速應力腐蝕開裂(SCC)，促使裂紋沿晶界或缺陷擴展；同時，應力集中區域因晶格畸變和位錯密度升高形成微電池效應，加劇局部陽極溶解(如點蝕、晶間腐蝕)，并破壞材料表面鈍化膜的完整性，使新鮮金屬暴露于腐蝕介質。

研究采用了X射線衍射法原位測量了脈沖磁場處理前后鈦合金激光焊接接頭的殘余應力，測量結果如表5、表6所示。σx與σ'x分別表示施加磁場前后在x方向測得的殘余應力；σ_y與σ'y分別表示施加磁場前后在y方向測得的殘余應力。負應力值表示壓應力狀態，正應力值表示拉應力狀態。在第4列中，Δσ為計算值(殘余應力絕對值的變化，即Δσ=|σ'|-|σ|)，負值表示處理后的點從高應力水平變為低應力水平。在第5列中，絕對值的變化率反映了應力值的變化(Δσ/|σ|)，負值表示殘余應力減小，否則增大。應力幅度的變化趨勢由第6列中的箭頭表示。

如表5與表6數據所示，焊接接頭不同測試點的初始殘余應力呈現顯著差異，表現為拉/壓應力狀態共存及應力幅值分布不均。經脈沖磁場處理后，絕大多數測試位點應力絕對值變化率為負值，表明應力水平普遍降低。典型如1.5T磁場處理下，位點1的x向拉應力降幅達72.0%，位點3的x向壓應力絕對值減少14.7%；同時位點1的y向應力亦下降22.7%。殘余應力的系統性降低可有效緩解局部應力集中，抑制微裂紋形核傾向，從而延緩腐蝕沿應力梯度方向的擴展進程。

為進一步探究脈沖磁場對焊接接頭殘余應力分布的影響，引入樣品標準差(deviation, D)，其計算公式如式(1)所示：

其中，n為測試點數，i為第i個測試點，σ_i為對應點的應力值。公式中D表示整體數據相對于應力值0的離散度，D值越小，表示數據離散度越小，即應力分布越均勻。由圖8可得，在經脈沖磁場處理(MT)后，試樣在x與y方向的D值均降低。隨著磁場強度的增加，在x方向上，殘余應力分布的D值的降幅呈現出先升高再降低的趨勢。在1.5T時對殘余應力分布的改善最為明顯，使D值降低了27.92%；在y方向上也呈現出大致的趨勢。這是因為當磁場強度小于1.5T時，磁致塑性效應隨磁場強度增加而增強，通過晶格應變釋放局部應力并降低位錯滑移阻力，同時磁場輸入能為位錯運動提供有效能量源；而當磁場強度超過1.5T時，磁致塑性效應趨于飽和，過剩能量引發非協調性晶格畸變，導致位錯源激活率過高，形成位錯塞積群[19]。這種動態失衡使得位錯湮滅速率下降，殘余應力重分布效率降低，表現為D值降幅趨緩。因此，1.5T磁場強度下實現了磁致塑性效應與位錯滑移動能的最優協同。

表5 脈沖磁場處理前后x方向殘余應力試驗結果

表6 脈沖磁場處理前后y方向殘余應力試驗結果

3.4 脈沖磁場處理對TC4鈦合金激光焊接件耐蝕性能的影響機理

根據章節3.1~3.3的性能表征可知，脈沖磁場處理能夠減少應力集中、降低應力水平、延緩腐蝕擴展、進而提升TC4鈦合金激光焊接件的腐蝕壽命。為了闡明脈沖磁場處理對TC4鈦合金激光焊接件腐蝕壽命的影響機理，采用EBSD測試，準原位采集焊接接頭塊體表面晶體學特征，分析脈沖磁處理前后位錯密度與晶界角度的差異。

位錯是晶體中的線缺陷，位錯核心周圍的原子排列較為混亂，容易成為腐蝕的活性區域。位錯密度高時，活性區域增多，導致材料表面更容易發生局部腐蝕[20]。局部平均取向差(KAM)能反映材料中局部區域的應變分布特征，同時，KAM還能間接表征該區域的位錯密度水平，二者呈正相關關系，即KAM值越高，表明局部位錯密度越大[21]。圖9為焊接接頭的3個區域在脈沖磁場處理前后的KAM圖。基材、熱影響區和焊縫中(圖9a1~9c1)，在箭頭所指處，有KAM突出區域，且集中出現在晶界上。這是因為基材在成形過程中，塑性變形引發的位錯運動傾向于向晶界處遷移并發生塞積，導致晶界附近形成顯著的位錯富集區(如位錯纏結或位錯墻)；而焊接過程中的非平衡相變以及快速冷卻導致的熱應力會導致熱影響區與焊縫在晶界上產生大量位錯及應變。由圖9a2~9c2可知，經磁處理后，KAM圖中存在部分區域由綠色向藍色轉變，且KAM分布在整個視野中更加均勻，這表明經過脈沖磁場處理后，材料中的局部應變積累減少，位錯密度均質化。

KAM_ave為整個測試區域中所有測量點的KAM值的平均，可以作為一個整體的指標，反映材料整體的局部應變或位錯密度的情況，其計算公式如式(2)所示：

圖10為焊接接頭經脈沖磁場處理前后的KAM_ave分布圖。由圖10可知，脈沖磁場處理后，基材、熱影響區、焊縫的KAM_ave值分別降低了5.8%、6.9%、6.0%，說明磁處理有效降低了材料局部應變與位錯密度。

圖11為脈沖磁場作用下核外電子自旋躍遷示意圖。脈沖磁場通過改變電子自旋狀態，使位錯更容易脫釘而移動，即磁致塑性效應。磁致塑性效應改變位錯釘扎阻力，促使位錯發生遷移；在這一過程中，大量的位錯湮滅，局部應變積累減少，最終實現耐蝕性能的提升[22]。晶界處位錯塞積引發局部應力集中，當位錯密度達到臨界值時，彈性應力場驅動位錯向晶內遷移，進而誘發晶界取向調整。

圖12為焊接接頭的3個區域在脈沖磁場處理前后的同一樣品的晶界分布變化。小角度晶界(<15°)用紅色表示，大角晶界(>15°)用藍色表示。由圖12可知，脈沖磁場處理后，焊接接頭的基材、熱影響區、焊縫中小角度晶界的含量分別減少了6.4%、6.3%、7.3%。位錯理論表明，小角度晶界是位錯的排列組成的，儲存了大量的第二類內應力。如圖13中藍色區域所示，第二類應力的存在容易使晶界在腐蝕環境中成為腐蝕源，這是因為應力超過晶界結合強度時，產生微裂紋，為腐蝕介質(如Cl?、H?)提供擴散通道[23]，加快了腐蝕的進程。小角度晶界的減小反映了位錯湮滅或位錯密度的減小，這與KAM_ave的計算結果一致。同時，小角度晶界的減少伴隨著內應力的釋放，有效降低了材料的潛在腐蝕源，提高了材料的耐蝕性能。

4、結論

1）脈沖磁場處理可顯著提升TC4鈦合金激光焊接件的耐蝕性能。本實驗梯度設計的0.5、1、1.5、2T磁處理后試樣的耐蝕性能均有提升，其中1.5T最為顯著。相較于未處理試樣，1.5T試樣的極化電阻(R_p)提升了13倍，自腐蝕電流密度(I_corr)降低了30.3%，維鈍電流密度(I_p)降低了40.5%，鹽酸浸泡實驗中20與40d其失重率分別降低了1.7%、10.3%。

2）隨著磁場強度的增加，殘余應力分布的D值都降低，且降幅呈現出先升高再降低的趨勢。磁場輸入能為位錯運動提供有效能量源；而當磁場強度超過1.5T時，磁致塑性效應趨于飽和，過剩能量引發非協調性晶格畸變，導致位錯源激活率過高，形成位錯塞積群，這種動態失衡使得位錯湮滅速率下降，殘余應力重分布效率降低。

3）脈沖磁場通過磁致塑性效應降低位錯釘扎阻力，促使位錯脫釘遷移并湮滅，使局部平均取向差(KAM_ave)在基材、熱影響區及焊縫分別降低5.8%、6.9%和6.0%；小角度晶界含量分別減少了6.4%、6.3%、7.3%。這過程中第二類內應力得以釋放并均勻分布，有效減少了材料晶界處應力集中與潛在晶間腐蝕源，提高了材料的耐蝕性能。

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（注，原文標題：脈沖磁場處理對TC4鈦合金激光焊接件耐蝕性能的影響_伍彪）

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