香港城大团队重磅突破！轻质钛合金如何在极端海洋腐蚀环境中实现电化学和机械稳定性？

2026-03-02 17:28:10 作者：能源装备腐蚀与防护来源：能源装备腐蚀与防护分享至：

钛合金凭借高比强度、优异的耐腐蚀性，在航空航天、海洋工程等领域有着广阔的应用前景，尤其是在海洋环境中，是船舶制造、深海装备、海洋能源设备的核心材料之一。但在高浓度氯离子的海水环境里，传统钛合金仍面临点蚀、应力腐蚀开裂等局部腐蚀问题，严重影响装备的长期服役安全与使用寿命。

近日，香港城市大学杨涛教授团队联合国内外多家机构，研发出一种新型轻质钛合金，通过传统铸造与热机械加工工艺，同时实现了材料在模拟海水环境中极致的电化学稳定性与机械可靠性，相关研究成果已发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

一、海洋用钛合金，到底面临什么核心难题？

钛合金与氧的高亲和力，使其能在表面自发形成钝化膜，相比不锈钢、铝合金等常规金属，拥有更优异的海水耐蚀性，如今已广泛应用于船舶建造、海洋热能转换换热器等场景。

但在实际服役中，传统钛合金仍面临三大核心腐蚀挑战：

点蚀风险：海水里高浓度的氯离子会诱发合金表面钝化膜的局部溶解，商用 TC4、NiTi 等钛合金都存在较高的点蚀敏感性，这也是腐蚀失效的最主要形式；
电偶腐蚀加速：带有 α+β 双相结构的钛合金，容易形成腐蚀原电池，进一步加快电化学腐蚀进程；
应力腐蚀开裂（SCC）：深海环境中，高静水压力与腐蚀环境共同作用，会诱发材料内部微裂纹的萌生与扩展，导致材料强度、塑性大幅下降，甚至引发灾难性的突发断裂，这也是海洋结构材料最关键的安全隐患。

如何同时提升钛合金的耐局部腐蚀能力与抗应力腐蚀开裂性能，一直是海洋工程材料领域的核心痛点。

二、新型钛合金，两大核心性能实现跨越式突破

团队研发的新型钛合金，名义成分为 Ti₈₂.₁₉V₁₂.₅Al₃.₅Fe₀.₈Hf₁B₀.₀₁（原子百分比），质量密度仅约 4.72g/cm³，通过多步冷轧与中间退火的热机械加工，获得了晶粒细化、成分均匀的三相组织，从微观结构根源上减少了能诱发局部腐蚀的元素偏析与电偶腐蚀风险。

图1 aX射线衍射（XRD）光谱。b–d电子反散射绕射（EBSD）图像（反极图（IPF）和图像质量（IQ）），展示微观结构概览。（b–d）的平均置信区间（CI）分别为 0.5087、0.5715 和 0.1886。eTEM 明场（BF）图像。f（e）中虚线圈标记区域的选定面积电子绕射（SAED）。gTEM暗场（DF）图像，显示了（e）中虚线方块标记区域，突出显示无热ω析出物的分布。hEDS 谱图

1. 近乎免疫的海水腐蚀抗性

在 3.5wt% NaCl 溶液（模拟海水环境）的系统电化学测试中，这款合金展现出了前所未有的耐蚀性能：

腐蚀电流密度仅13.9nA/cm²，远低于商用 TC4 合金的 417.7nA/cm²、NiTi 合金的 574.5nA/cm²，意味着材料的腐蚀速率显著更低；

点蚀电位突破10 Vₛₙₑ（饱和甘汞电极电位），全程未出现任何局部腐蚀，而 TC4 合金的点蚀电位仅 1.685 Vₛₙₑ，NiTi 合金仅 0.245 Vₛₙₑ，耐点蚀性能远超现有各类海洋工程用金属材料。

这款合金超强的耐蚀性，核心来自于钝化膜的 “自适应稳定生长” 特性：在常规钝化区，钝化膜会从几纳米缓慢生长至几十纳米，形成致密的单层无孔结构，其膜电阻比 TC4、NiTi 合金高出至少一个数量级；当极化电位升高进入极端阳极电位的第二钝化区，钝化膜会切换为快速生长模式，最终形成厚度约 600nm 的层状保护屏障，完整覆盖在合金表面，完全抑制了点蚀的发生。

图2a新型钛合金的电位动力学极化曲线。还绘制了商业 TC4 和 NiTi 合金的偏振曲线，以便直接比较。b当前基于 TiV 的合金与其他传统合金在 3.5 wt.% NaCl 溶液中 icorr 与 E 底的比较。c扫描电子显微镜（SEM）图像和宏观照片显示了钝化表面随着阳极电位增加的演变。

图3 新型钛合金钝化膜的 HRTEM 图像，极化电位为 2 VSCE。b 标记在（a）中不同图层的 FFT 模式。c TEM BF 图像显示钝化膜随着极化电位增加而增厚。d 动电位极化过程中钝化膜厚度的演变。

同时 X 射线光电子能谱分析显示，这款合金的钝化膜中，稳定的金属氧化物占比高达 87.3%，氢氧根仅占 12.7%，且无易导致钝化膜失稳的金属氢氧化物；而对比的 NiTi 合金中，氢氧根占比高达 48.5%，这也是新型合金钝化膜稳定性远超传统材料的关键原因。

2. 极端腐蚀环境下的机械稳定性

在解决耐蚀性难题的同时，团队同步攻克了钛合金在海水环境中的应力腐蚀开裂痛点，实现了机械性能的高可靠性。

在模拟海水环境的慢应变速率拉伸试验中，这款合金的表现极为亮眼：

极限抗拉强度在空气和模拟海水中均保持在约 860MPa，几乎无强度损失；

总延伸率仅从空气中的 29.2% 降至海水中的 26.9%，塑性损失仅约 2.3%，远优于目前船舶行业常用的 TC4、TC4 ELI 等商用钛合金；

拉伸断口呈现典型的韧性断裂特征，未出现脆性断裂情况。

研究发现，即使合金表面因滑移台阶出现钝化膜破裂、微裂纹萌生，暴露的新鲜基体也能在极短时间内完成再钝化，在裂纹尖端快速形成新的氧化保护层，极大限制了裂纹的扩展。测试显示，合金表面的最大裂纹深度仅约 12μm，对材料的整体力学性能几乎不产生影响，从根本上避免了应力腐蚀开裂引发的灾难性失效。

图4 在 3.5 wt.%NaCl溶液和空气中进行的应力-应变曲线。b 两张嵌入图像分别展示了在 NaCl 溶液中 SSRT 测试后的低倍和高倍率断裂面。c SEM 图像展示了规范表面上的微裂纹。d 轨距截面的横截面图。e 微裂纹的横截面微观结构。f 断裂区域的 EDS 谱图，靠近裂纹尖端区域，由（e）中的实心正方形标记。g 从左到右的 EDS 扫描图，