TC4钛合金虽因其优异的综合性能广泛应用于海洋工程装备，但在实际服役中，尤其在深海热液区、工业污染区等含硫离子(S²⁻)的特殊海水环境中，材料表面同时遭受机械磨损与电化学腐蚀的协同作用，导致其失效速率显著高于单一损伤工况，严重威胁构件服役安全。究其根源，S²⁻作为一种强还原性介质，会破坏钛合金表面赖以耐蚀的钝化膜，可能引发“腐蚀-磨损”的耦合加速损伤，然而目前关于S²⁻浓度如何系统性影响TC4钛合金腐蚀磨损行为与机制的研究尚不充分。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究通过模拟含S²⁻海水环境，采用原位电化学-摩擦学耦合测试技术，结合表面轮廓量化与微观分析，旨在系统揭示S²⁻浓度对TC4钛合金腐蚀磨损动态过程的影响规律与耦合机制，以期为该类材料在苛刻海洋环境中的耐久性设计与防护提供理论依据和数据支撑。

实验方法
实验材料为Ti-6Al-4V合金，试样经标准金相制备。采用往复摩擦试验机与电化学工作站联用，在含不同浓度S²⁻（0、20、40、60 mmol/L）的3.5% NaCl溶液中进行腐蚀磨损测试。摩擦副为Al₂O₃陶瓷球，载荷5 N，频率2 Hz。
电化学测试采用三电极体系，监测开路电位(OCP)并获取动电位极化曲线。使用台阶仪和3D光学轮廓仪量化磨损体积与形貌，并通过SEM/EDS进行表面微观分析。

结果与讨论

微观结构

TC4钛合金显微组织的SEM像

TC4钛合金呈现典型的等轴α+β双相组织，α相尺寸约2–6 μm，β相平均尺寸约1.4±0.3 μm。

极化曲线

TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中静态腐蚀和动态腐蚀磨损条件下的动电位极化曲线

 TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线拟合结果

动电位极化曲线显示，无论静态还是动态摩擦条件下，TC4均呈现钝化行为。随着S²⁻浓度升高，腐蚀电位（Ecorr）负移，腐蚀电流密度（Icorr）显著增大。在动态摩擦过程中，相同电位下电流密度高于静态条件，表明摩擦加速了钝化膜的破坏与金属溶解。

原位开路电位

TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损条件下的原位开路电位变化曲线

OCP曲线在摩擦开始后迅速负移，摩擦过程中呈现波动状态，反映钝化膜“破损再钝化”的动态过程。摩擦停止后，OCP逐渐回升，但在含S²⁻溶液中恢复缓慢且稳态值低于初始值，说明S²⁻抑制了钝化膜的修复。

摩擦系数与磨损形貌

TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中的摩擦系数曲线

 TC4钛合金在含不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后磨痕参数

TC4钛合金在含不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中摩擦后的3D轮廓图像

摩擦系数未随S²⁻浓度增加呈现明显上升趋势，仅在60 mmol/L时轻微升高。3D轮廓与台阶仪测量结果显示，随着S²⁻浓度增加，磨痕截面面积逐渐增大（从10915 μm²增至12674 μm²），表明总磨损量上升。SEM图像显示，低S²⁻浓度下磨损表面以磨料磨损为主，塑性变形均匀；而在60 mmol/L S²⁻条件下，磨损表面出现深沟、凹坑、层状撕裂及疲劳裂纹，EDS检测到S元素信号，表明形成了钛硫化物并加剧了腐蚀磨损耦合。

腐蚀磨损耦合量化分析

TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中摩擦后的腐蚀磨损表面形貌

TC4钛合金在含有不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后各体积损失占总体积损失的比例

TC4钛合金在不同浓度S^2-的3.5%NaCl溶液中腐蚀磨损后各体积损失分量

采用协同法量化腐蚀与磨损的交互作用，总磨损体积VT由纯机械磨损体积VW、静态腐蚀损失VC及交互作用体积VS组成：

其中VS包括腐蚀促进磨损分量ΔVW与磨损促进腐蚀分量ΔVC。计算结果表明，随着S²⁻浓度从0 mmol/L增至60 mmol/L，ΔVW占比从2.94%提升至5.59%，说明S²⁻显著增强了腐蚀对磨损的促进作用。

本研究结果表明，硫离子(S²⁻)对TC4钛合金在模拟海水环境中的腐蚀磨损行为具有显著影响。随着S²⁻浓度增加，合金表面钝化膜的稳定性下降，腐蚀电位负移，腐蚀电流密度大幅上升，电化学腐蚀过程明显加速。同时，材料磨损程度加剧，磨损机制由单一的磨粒磨损转变为磨粒磨损、疲劳磨损及腐蚀磨损共同作用的复合机制，在高浓度S²⁻条件下磨损表面出现深沟、凹坑与疲劳裂纹。通过量化分析进一步表明，腐蚀与磨损的协同效应随S²⁻浓度升高而增强，其中腐蚀对磨损的促进作用占比从2.94%提升至5.59%，凸显了在含硫环境中腐蚀磨损耦合损伤的重要性。

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原文参考：《TC4钛合金在含S²⁻海水中的腐蚀磨损行为研究》