钛合金被频繁用于深海载人潜水器等深海装备，然而深海环境是一个集高静水压、高盐度与低温（典型2-4 ℃）于一体的复杂环境，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo这类先进高强钛合金在这种极端条件下极易发生局部腐蚀与应力腐蚀开裂。现有研究对低温腐蚀行为的结论并不一致，温度如何改变α/β两相的局部Volta电位与微区电化学特性，这些变化又如何与局部力学性能交互，仍缺乏微纳尺度的原位证据。

近日，北京科技大学联合海南大学等以轧态与960 ℃退火两种冶金状态调控β相体积分数，结合原位低温开尔文探针力显微镜（KPFM）、宏观电化学测试与慢应变速率拉伸（SSRT）实验，发现了一个“反常”现象：4 ℃深海低温虽抑制电化学动力学、降低钝化膜缺陷密度并使宏观耐蚀性提升，却同时把α/β两相的Volta电位差由约60mV放大至约120mV（退火态由约22mV增大），并劣化BCC β相的变形协调性，二者协同使合金在4 ℃模拟海水中的SCC敏感性升至最高，裂纹由室温沿α/β相界扩展“改道”为直接穿β相扩展。目前这一成果以“Fundamental study on the effect of temperature on stress corrosion behavior of Ti-6Al-3 Nb-2Zr-1Mo alloy in simulated seawater”为题发表于国际材料腐蚀学期刊《Corrosion Communications》。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.114251

【核心内容】

团队制备了轧态与960 ℃/1 h空冷退火两种冶金状态的Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金以调控β相体积分数，在25 ℃与4 ℃的模拟海水中系统开展电化学阻抗谱、动电位极化、Mott-Schottky等宏观电化学测试与SSRT实验，并利用配置低温冷却台，控温精度±0.1 ℃的原位变温KPFM对同一微区在两个温度下连续对比表征，在此基础上定量分析β相分数与力—电耦合响应的关联，最终提出温度依赖的SCC机理模型。

【研究成果】

① 双相组织的可控调控

轧态组织以等轴初生α（αp）为主，β相含量低且主要沿晶界分布，退火后形成等轴αp＋β双态组织，β相体积分数增加，分布更均匀，同时α片层细化，与热力学模拟预测高度吻合，这一组织差异成为后续解释两相电化学与力学行为差异的基础。

轧态(a1-a3)与退火态(b1-b3)Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金的SEM显微组织

② 宏观耐蚀性全面提升

两种状态试样在4 ℃下的阻抗弧半径与极化电阻Rp均大于25 ℃，轧态电荷转移电阻R2由482.1 kΩ·cm²升至669.4 kΩ·cm²，退火态由500.7升至612.0 kΩ·cm²，钝化膜电阻与膜层致密度同步提高，动电位极化曲线在0.5-4.0 V区间均呈现明显钝化特征，而4 ℃下的钝化电流密度ip降低，其中轧态在25 ℃海水中ip最高、耐蚀性最差。Mott-Schottky曲线斜率为正，表明钝化膜为n型半导体、氧空位为主要点缺陷；降温后施主载流子密度ND明显下降。

不同温度下合金在模拟海水中的EIS结果

不同条件下的动电位极化曲线与钝化电流密度

轧态与退火态在不同温度下的Mott-Schottky曲线与缺陷密度ND

③ SCC敏感性却不降反升

团队在1.0×10-6 s-1应变速率下开展SSRT，以断面收缩率损失Iψ与延伸率损失Iδ评价SCC敏感性，结果表明敏感性依次为4 ℃模拟海水＞25 ℃模拟海水＞4 ℃超纯水，断口形貌中，4 ℃模拟海水中的断口在保留少量韧窝的同时出现明显解理面，脆性特征最为突出，β相分数更高的退火态在4 ℃超纯水中敏感性升高，但在同一温度的海水中，退火态因β相本征耐蚀性更优，敏感性反而低于轧态。

SSRT实验装置

轧态与退火态试样的应力-应变曲线及SCC敏感性指数

SSRT断口形貌：(a)轧态、(b)退火态；(1)25 ℃超纯水、(2)25 ℃海水、(3)4 ℃超纯水、(4)4 ℃海水

④ 裂纹路径“改道”：由α/β相界转向直接穿β相扩展

25 ℃超纯水中试样侧面布满平行剪切方向的细密滑移线，几乎无微裂纹，25 ℃海水中滑移线变宽并出现不连续滑移台阶，降至4 ℃超纯水后，侧面即出现长约10–20 μm的显微裂纹并沿滑移线方向扩展，4 ℃海水中裂纹数量进一步增多、扩展路径更连续，滑移线密度下降，ECCI结果中，25 ℃时α/β相界是SCC敏感位置，裂纹在α相内形核并沿相界扩展；4 ℃时微裂纹直接在β相内部形核并穿β相乃至(αs＋β)区域扩展，低温使β相取代α/β相界成为裂纹优先形核位置。

SSRT后二次裂纹形貌

四种条件下二次裂纹的ECCI表征：(a1-a4)轧态、(b1-b4)退火态

⑤ α/β电位差翻倍，微电偶驱动与β相力学劣化协同

原位变温KPFM中，对同一微区在25 ℃与4 ℃下连续扫描对比，轧态25 ℃时β相Volta电位明显高于α相，降至4 ℃后两相电位整体升高，电位差更扩大至约120 mV，退火态25 ℃下电位差仅约22 mV，4 ℃时同样增大。Volta电位与功函数、腐蚀电位正相关，电位差扩大意味着微电偶腐蚀的热力学驱动力增强，在裂纹尖端、蚀坑底部等局部酸化环境中促进α相优先阳极溶解；与此同时，低温下β相内位错滑移受阻且不产生变形孪晶，变形能力与韧性退化。

轧态(a)与退火态(b)在25 ℃与4 ℃下的原位KPFM形貌图、Volta电位图、线分布与统计结果

【总结与展望】

团队以模拟海水为介质，在浅海与深海两个温度尺度上贯通了宏观电化学、慢拉伸力学与微纳尺度原位表征，该研究填补了钛合金深海低温SCC微纳尺度相依赖机制的研究空白，也为深海装备用钛合金的组织调控和极端低温环境下的服役安全评价提供了直接依据。