宇航结构合金：甲基化肼以外有机流体中的SCC试验

除肼/UDMH混合物外，有机流体中SCC的研究因两个Apollo服务推进系统（SPS）燃料箱出现故障而启动，燃料箱压力试验使用甲醇作为（假设安全的）模拟流体[4，12，111，119，120，123]。在1966年10月1日，101号航天器的第一个燃料箱被发现有泄漏[123]。调查发现，在靠近贮箱顶部圆柱形部分的焊缝附近有3处裂纹，见图15中的上部示意图。尽管SCC被怀疑是开裂的始作俑者，但也不能排除焊接污染[123]。随后，总承包商北美洛克韦尔公司的航天业务部门建议NASA对类似的贮箱重新进行验证测试计划。在该计划中，017号航天器的初始（和最终）燃料箱在最大压力下保持不到2 h后就发生了灾难性故障[123]。导致这种故障的裂纹也在图15中标示出来。注意：故障的起因不在焊缝附近或在焊缝处，也就是说，这更加明确地表明SCC就是开裂的原因。

在SPS贮箱发生故障后，对Ti-6Al-4V试样进行了大量的SCC研究，主要是在甲醇环境中进行的，但也在处理和测试航天器压力容器的许多其他液体中进行了研究[4，12，111，119，120，123，125，129，162-169]。对其他合金也进行了测试[123，162，167，168]这些都不是目前压力容器的备选材料。从表16中可以看到截至目前所做的工作努力，该表主要是根据20世纪60年代中后期的研究汇编而成，重点介绍了几种钛合金（通常为Ti-6Al-4V）在各种有机流体中SCC的敏感性，这些液体在制造钛合金压力容器和其他部件时用作清洁剂，还用作压力测试的模拟流体（甲醇、氟利昂MF、氟利昂TF和异丙醇）。我们注意到已经发表了许多关于钛合金应力腐蚀机理的论文，例如参考文献[57，114，162，168，177]和其中的引文，但这个复杂的主题在本书中不予考虑，除非指出普遍的理论基础仍然不适用[177]。

图15　Ti-6Al-4V STA服务推进系统（SPS）的Aerozine 50贮箱在甲醇压力试验中开裂和爆炸示意图该图根据位于荷兰马克尼斯的荷兰航空航天中心C.T.Dalemans根据美国NASA草图[119]绘制

从表16中可以得出几种发展趋势，讨论如下：

（1）“纯”环境：甲醇具有独特的腐蚀性，导致除商用纯（C.P.）Ti-A55外的所有材料都会发生SCC失效。这一例外情况表明氧含量和强度对C.P.钛的敏感性有影响，因为氧含量较高（因此强度更高）的C.P.Ti-75A在甲醇中确实会失效。

氟利昂对光滑的样本无害，氟利昂MF只是在有切口的试样中引起极少的应力腐蚀开裂（SCC）。然而，预裂纹试样显示氟利昂MF会持续引起SCC，而氟利昂TF会在Ti-6Al-4V MA、Ti-5Al-2.5Sn和Ti-8Al-1Mo-1V中引起SCC，却不会在Ti-6Al-4V STA基金属和焊缝中引起SCC。这些结果非常重要，因为氟利昂TF和氟利昂MF被用于Ti-6Al-4V压力容器的清洁、泄漏和验证测试[129，165，178]。实际上，在表16末尾列出的试验[129]是在MON-1中进行的测试，以检查推进剂贮箱中残留的氟利昂TF（也称为氟利昂PCA）痕迹是否会与MON-1发生反应，并导致SCC：检查试验结果为负面的。

其他有机液体的测试数据主要来源于Ti-6Al-4V和Ti-8Al-1Mo-1V。这些合金的SCC敏感性非常不同：Ti-6Al-4V未观察到破坏的迹象，但Ti-8Al-1Mo-1V标本在选定的环境中表现出很高的敏感性。表16还显示了过去50年中特别值得关注的结果，还没有明确的证据表明试样在异丙醇环境中出现SCC。用异丙醇代替甲醇作为压力测试的模拟流体。（但是，Ti-8Al-1Mo-1V MA预裂纹试样在异丙醇中的SCC结果并不明确，这种不确定性没有在表16中列出[179]。这种模棱两可的原因是该合金对持续载荷开裂（SLC）的敏感性高[179]，以及在SCC测试期间很可能SLC发挥了作用，因为在平面应变条件下SLC和SCC的KIth值很相似。）

（2）受污染环境：在甲醇、异丙醇、氟利昂TF和氟利昂MF中加入少量（微量）氯化物和氯离子，在异丙醇、氟利昂TF和氟利昂MF中加入游离氯，通常会增加SCC敏感性。这些结果表明，必须严格控制制造和测试程序，因为在大多数环境中都可能存在微量氯化物。

通过添加0.25%的水来抑制甲醇中Ti-6Al-4V的SCC[165]。然而，10 ppm的氯化物却足以抵消这一点[165]。所以，至少需要3%的水来确保不会出现SCC，但这在许多测试条件下并不可行[165]。

（3）合金类别：表16包含所有类别钛合金的应力腐蚀敏感性示例：α（C.P.Ti，Ti-Al双元，Ti-5Al-2.5Sn）；近α（Ti-8Al-1Mo-1V）；α-β（Ti-6Al-4V，Ti-4Al-3Mo-1V）；β（Ti-13V-11Cr-3Al，Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn）。这表明，在有机流体中，没有任何一种合金不会出现SCC。

（4）合金敏感性：第（1）点中提到了在甲醇中测试的两个等级的C.P.Ti以及Ti-6Al-4V和Ti-8Al-1Mo-1V在几种环境中的SCC行为的差异。表16中汇总的信息无法再进行更多的讨论，但Ti-8Al-1Mo-1V较高的敏感性很可能是铝含量较高的结果，正如Ti-Al二元合金所观察到的那样[173]。对于Ti-6Al-4V也有一些有趣的结果。首先，Ti-6Al-4V STA母材和焊缝通常具有类似的SCC敏感性，与在抑制的N2 O4、肼、MMH、Aerozine 50和Aerozine 50+MMH中相似，见7.2.1节和7.2.2节。其次，Ti-6Al-4V的热处理条件影响了SCC敏感性，但并不一致：(www.xing528.com)

•甲醇中光滑和预裂纹试样：Ti-6Al-4V-STA比Ti-6Al-4V MA更易受影响[166]。

•氟利昂TF中预裂纹试样：Ti-6Al-4V MA易受影响，但Ti-6Al-4V-STA不易受影响[172]。

（5）试验类型：很明显，使用预裂纹试样更容易确定钛合金在有机液体中的SCC敏感性。这与在水溶液性环境、N2O4和肼中的经验相类似，参见7.1节、7.2.1节和7.2.2节。由此可以得出结论，在所有这些环境中，钛合金预裂纹试样的使用对于合金筛选以及设计方案和行业研究都是必不可少的，见图2。

注意：

（1）正如在抑制N2 O4和肼中进行的试验所提到的那样，预裂纹试样测试的结果可能会因SLC而变得复杂，这已在7.2.1.2节中进行了讨论。例如，有充分的证据表明，在异丙醇和空气中对Ti-6Al-4V进行逐步加载的测试会出现SLC[176]。在施加的应力强度因子达到0.9KIc之前，未观察到亚临界裂纹的扩展。在这一水平上，两种环境中都发生了亚临界裂纹的扩展，并且其断口特征相同[176]。

（2）从表16得出的有关使用预裂纹试样的优点（甚至是必要性）的趋势表明，从《ASM材料性能手册：钛合金》[180]中引用的最后一句话应修改为：

“在有机流体中进行测试。在特定的测试条件下，多种有机流体会在某些钛合金中引起SCC（参见表5）。大多数流体会腐蚀钛合金特有的钝化表面膜。因此，并不总是由于预裂纹试样引起SCC。”

【注释】

[1]1 ppm=1 mg/L=10-6。