TC4鈦合金雖因其優異的綜合性能廣泛應用于海洋工程裝備，但在實際服役中，尤其在深海熱液區、工業污染區等含硫離子(S2?)的特殊海水環境中，材料表面同時遭受機械磨損與電化學腐蝕的協同作用，導致其失效速率顯著高于單一損傷工況，嚴重威脅構件服役安全。究其根源，S2?作為一種強還原性介質，會破壞鈦合金表面賴以耐蝕的鈍化膜，可能引發“腐蝕-磨損”的耦合加速損傷，然而目前關于S2?濃度如何系統性影響TC4鈦合金腐蝕磨損行為與機制的研究尚不充分。Flexfilm探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

本研究通過模擬含S2?海水環境，采用原位電化學-摩擦學耦合測試技術，結合表面輪廓量化與微觀分析，旨在系統揭示S2?濃度對TC4鈦合金腐蝕磨損動態過程的影響規律與耦合機制，以期為該類材料在苛刻海洋環境中的耐久性設計與防護提供理論依據和數據支撐。

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實驗方法

flexfilm

實驗材料為Ti-6Al-4V合金，試樣經標準金相制備。采用往復摩擦試驗機與電化學工作站聯用，在含不同濃度S2?（0、20、40、60 mmol/L）的3.5% NaCl溶液中進行腐蝕磨損測試。摩擦副為Al?O?陶瓷球，載荷5 N，頻率2 Hz。

電化學測試采用三電極體系，監測開路電位(OCP)并獲取動電位極化曲線。使用臺階儀和3D光學輪廓儀量化磨損體積與形貌，并通過SEM/EDS進行表面微觀分析。

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結果與討論

flexfilm

微觀結構

TC4鈦合金顯微組織的SEM像

TC4鈦合金呈現典型的等軸α+β雙相組織，α相尺寸約2–6 μm，β相平均尺寸約1.4±0.3 μm。

極化曲線

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中靜態腐蝕和動態腐蝕磨損條件下的動電位極化曲線

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線擬合結果

動電位極化曲線顯示，無論靜態還是動態摩擦條件下，TC4均呈現鈍化行為。隨著S2?濃度升高，腐蝕電位（Ecorr）負移，腐蝕電流密度（Icorr）顯著增大。在動態摩擦過程中，相同電位下電流密度高于靜態條件，表明摩擦加速了鈍化膜的破壞與金屬溶解。

原位開路電位

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損條件下的原位開路電位變化曲線

OCP曲線在摩擦開始后迅速負移，摩擦過程中呈現波動狀態，反映鈍化膜“破損?再鈍化”的動態過程。摩擦停止后，OCP逐漸回升，但在含S2?溶液中恢復緩慢且穩態值低于初始值，說明S2?抑制了鈍化膜的修復。

摩擦系數與磨損形貌

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中的摩擦系數曲線

TC4鈦合金在含不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損后磨痕參數

TC4鈦合金在含不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中摩擦后的3D輪廓圖像

摩擦系數未隨S2?濃度增加呈現明顯上升趨勢，僅在60 mmol/L時輕微升高。3D輪廓與臺階儀測量結果顯示，隨著S2?濃度增加，磨痕截面面積逐漸增大（從10915 μm2增至12674 μm2），表明總磨損量上升。SEM圖像顯示，低S2?濃度下磨損表面以磨料磨損為主，塑性變形均勻；而在60 mmol/L S2?條件下，磨損表面出現深溝、凹坑、層狀撕裂及疲勞裂紋，EDS檢測到S元素信號，表明形成了鈦硫化物并加劇了腐蝕磨損耦合。

腐蝕磨損耦合量化分析

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中摩擦后的腐蝕磨損表面形貌

TC4鈦合金在含有不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損后各體積損失占總體積損失的比例

TC4鈦合金在不同濃度S2?的3.5%NaCl溶液中腐蝕磨損后各體積損失分量

采用協同法量化腐蝕與磨損的交互作用，總磨損體積VT由純機械磨損體積VW、靜態腐蝕損失VC及交互作用體積VS組成：

其中VS包括腐蝕促進磨損分量ΔVW與磨損促進腐蝕分量ΔVC。計算結果表明，隨著S2?濃度從0 mmol/L增至60 mmol/L，ΔVW占比從2.94%提升至5.59%，說明S2?顯著增強了腐蝕對磨損的促進作用。

本研究結果表明，硫離子(S2?)對TC4鈦合金在模擬海水環境中的腐蝕磨損行為具有顯著影響。隨著S2?濃度增加，合金表面鈍化膜的穩定性下降，腐蝕電位負移，腐蝕電流密度大幅上升，電化學腐蝕過程明顯加速。同時，材料磨損程度加劇，磨損機制由單一的磨粒磨損轉變為磨粒磨損、疲勞磨損及腐蝕磨損共同作用的復合機制，在高濃度S2?條件下磨損表面出現深溝、凹坑與疲勞裂紋。通過量化分析進一步表明，腐蝕與磨損的協同效應隨S2?濃度升高而增強，其中腐蝕對磨損的促進作用占比從2.94%提升至5.59%，凸顯了在含硫環境中腐蝕?磨損耦合損傷的重要性。

Flexfilm探針式臺階儀

flexfilm

在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

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原文參考：《TC4鈦合金在含S2?海水中的腐蝕磨損行為研究》

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