СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
TITANIUM-BASED ALLOY

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию высокопрочных сплавов на основе титана, обладающих повышенной устойчивостью против щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (до 3,5% NaCl), pH 2,5-4,0 и температурой до 250°С.
Сплав предназначен для использования в элементах оборудования: химических производств, оффшорной техники и судостроения, в том числе сварных конструкций морской техники.
Известны сплавы на основе титана, предназначенные для использования в агрессивных средах (Grade 13 и Grade 15, Grade 26 и Grade 27, Grade 28 и Grade 29 no ASTM В 265-98, RU 2439188 С22С 14/00, RU 2426808 С22С 14/00). Эти сплавы, обладая хорошей коррозионной стойкостью, тем не менее имеют определенные недостатки, ограничивающие их применение в средах с повышенным солесодержанием (до 3,5% NaCl), pH 2,5-4,0 и температурой до 250°С.
Недостатками перечисленных сплавов являются для одних - низкий уровень прочности, для других - пониженные значения пластичности. Кроме того, несмотря на коррозионную стойкость перечисленные сплавы в ответственных нагруженных узлах морской техники применяются ограниченно.
Известен сплав на основе титана с рутением и палладием (RU 2203974 С22С 14/00 07.05.2001). Этот сплав содержит повышенное содержание β-стабилизирующих элементов, в том числе железа, что приводит к структурной неоднородности и снижению стойкости против щелевой и питтинговой коррозии в средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl), pH 2,5-4,0 и температурой до 250°С.
Наиболее близким по содержанию ингредиентов является сплав на основе титана, содержащий мас. %: алюминий 0,25-7,5, молибден 0,1-3 0,0, углерод до 0,3, цирконий 0,1-10,0, кислород до 0,3, кремний 0,1-1,0, железо 0,1-2,0, ниобий 0,1-10,0, титан остальное (GB 785293, С22С 14/00).
Из альтернативных вариантов составов указанного сплава (GB 785293, С22С 14/00) в качестве прототипа выбран состав сплава, качественный и количественный состав которого соответствует качественному и количественному составу заявляемого сплава.
Это сплав, который имеет достаточно высокие характеристики прочности и пластичности, может использоваться в сварных конструкциях. Недостатком сплава-прототипа является пониженная стойкость к щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (до 3,5% NaCl), pH 2,5-4,0 и температурой до 250°С.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание сплава, обладающего более высокой стойкостью к щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl), pH 2,5-4,0 и температурой до 250°С по сравнению со сплавом-прототипом.
Технический результат достигается за счет того, что в состав известного сплава, содержащего алюминий, молибден, углерод, цирконий, кислород, кремний, железо, ниобий, титан остальное, дополнительно вводится рутений при следующем соотношении компонентов (мас. %):
Алюминий 4,3-6,3;
Молибден 1,5-2,5;
Углерод 0,05÷0,14;
Цирконий 0,2-1,0;
Кислород 0,06÷0,14;
Кремний 0,02÷0,12;
Железо 0,05÷0,25;
Ниобий 0,3÷1,20;
Рутений 0,05-0,14;
Титан остальное
При этом суммарное содержание железа и кремния должно быть менее или равно
[Si]+[Fe]≤0,30
В заявляемом изобретении легирующие и примесные элементы находятся в соотношении, обеспечивающем высокую стойкость кα - щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl), pH 2,5-4,0 и температурой до 250°С.
Кремний и железо в заявляемом изобретении участвуют в комплексном микролегировании. Выполнение заявленного соотношения [Si]+[Fe]≤0,30 исключает образование сегрегации указанных элементов по границам структурных блоков и зерен и обеспечивает получение однородного регламентированного структурного состояния, что повышает электрохимическую однородность сплава, которая необходима для повышения стойкости к щелевой и питтинговой коррозии.
Превышение заявленного суммарного содержания [Si]+[Fe] снижает стойкость к щелевой коррозии заявляемого сплава, особенно сварных соединений, так как переплавленный металл зоны термического влияния (з.т.в.) и сварного шва теряет способность к внутризеренной деформации. Деформация в этом случае локализуется по границам крупных зерен, характерных для переплавленного металла и з.т.в., образуя микротрещины, что способствует развитию щелевой коррозии.
2
Алюминий в заявляемых пределах 4,3-6,3% интенсивно повышает прочностные характеристики сплава, исключает образование α-фазы и обеспечивает хорошие деформационные характеристики при производстве полуфабрикатов. Повышение алюминия сверх пределов, заявленных в сплаве, снижает коррозионную стойкость и повышает склонность к коррозионному растрескиванию за счет протекания процессов упорядочения в α-фазе.
Содержание молибдена ограничено пределами 1,5-2,5%, т.к. при содержании молибдена более 2,5% в сварном соединении образуется малопластичная α-фаза, уменьшается деформационная способность, которая способствует образованию микротрещин и снижает стойкость к питтинговой коррозии.
2
Молибден повышает прочностные характеристики сплава, блокирует процесс упорядочения и образования α-фазы и, расширяя двухфазную (α+β) область, обеспечивает повышение технологических свойств сплава.
Содержание углерода в заявляемом сплаве ограничено выбранными пределами, так как при содержании более 0,14% углерод выделяется в виде округлых включений карбидов по границам зерен, которые снижают коррозионную стойкость. При содержании углерода менее 0,05% снижается прочность сплава.
Нейтральный β-стабилизатор - цирконий в пределах 0,2-1,0% в сочетании с алюминием обеспечивает однородное распределение легирующих компонентов в α-фазе, снижает внутрикристаллическую ликвацию, что обеспечивает повышение стойкости к щелевой и питтинговой коррозии.
При содержании более 1,0% цирконий снижает ударную вязкость и увеличивает склонность к коррозионному растрескиванию, что способствует снижению стойкости против питтинговой коррозии.
Изоморфный β-стабилизатор - ниобий в заданных пределах 0,3-1,20% входит в соствав сплава как технологическая добавка, обеспечивающая введение необходимого количества углерода и равномерное распределение его в структуре сплава без образования карбидов, поэтому в заданных пределах повышает структурную однородность сплава и коррозионную стойкость к щелевой и питтинговой коррозии.
Рутений в количестве 0,05-0,14% в заявляемом сплаве является микролегирующей и катодно-модифицирующей добавкой, способствует пассивации за счет снижения перенапряжения реакции выделения водорода и повышает коррозионную стойкость к щелевой и питтинговой коррозии.
Микролегирование сплава рутением смещает электрохимический потенциал сплава в область устойчивой пассивности, что исключает питтингообразование.
+
При содержании рутения менее 0,05% в указанных агрессивных средах пассивация не наступает. Полная пассивация в хлоридных растворах при содержании рутения до 0,14% обусловлена облегчением протекания катодной реакции восстановления водорода (H+е→Н). Содержание рутения сверх указанного предела неэффективно и нецелесообразно.
Пример выполнения.
Выплавляли слитки с химическим составом заявляемого сплава и сплава-прототипа (таблица 1).
Слитки ковали на заготовки и прокатывали в листы толщиной 4,0 мм, из которых затем изготавливали образцы размером 4,0×35×35 мм для проведения коррозионных испытаний на щелевую и питтинговую коррозию.
Коррозионные испытания проводили на образцах - пластинах размером 35×35×4 мм. Методика проведения испытаний соответствовала требованиям ГОСТ9.912-89 (СТ СЭВ 64461-88).
С целью ускорения коррозионные испытания проводили в автоклаве в среде 20% раствора NaCl при температуре 250°С в течение 200 часов. Давление составляло 40 ата. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
-3
2
Оценка склонности к щелевой коррозии произведена по результатам исследования потери массы в размерности 10 г/(дм час) и наличии локальных повреждений.
Оценка склонности к питтингу выполнена визуально при осмотре поверхности образцов с использованием оптического оборудования при увеличении х12. Выявляли питтинги диаметром более 0,1 мм.
На образце сплава-прототипа обнаружены питтинговые поражения поверхности размером более 4,0 мм. На образце из заявляемого сплава никаких поражений поверхности обнаружено не было, поверхность образцов была блестящая. Представленные результаты показывают, что заявляемый сплав по стойкости к щелевой и питтинговой коррозии превосходит аналогичные характеристики известного сплава-прототипа. Это позволяет увеличить ресурс различных элементов оборудования при эксплуатации в водных растворах с повышенным содержанием хлоридов при повышенной температуре до 250°С и рН 2,5 в 2-3 раза.
Таблица 1
Химический состав заявляемого сплава и сплава-прототипа на основе титана
Сплав
№ состава
Al
Mo
C
Zr
O<sub>2</sub>
Si
Fe
Nb
Ru
Si+Fe≤0,30
Ti
Заявляемый
1
4,3
1,5
0,05
0,2
0,14
0,02
0,25
0,3
0,14
0,27
ост.
2
5,0
2,5
0,10
0,7
0,08
0,05
0,20
0,5
0,10
0,25
ост.
3
6,3
2,0
0,14
1,0
0,06
0,12
0,05
1,20
0,05
0,17
ост.
Прототип
GB785293
6,0
2,0
0,15
1,5
0,14
0,15
0,25
1,5
-
0,40
ост.
Таблица 2
Коррозионная стойкость заявляемого сплава и сплава-прототипа
Сплав
№ состава
Характеристика среды
Результаты коррозионных испытаний, длительность испытаний 200 часов
Щелевая коррозия
Питтинговая коррозия
Степень поражений
Характеристика состояния поверхности
Заявляемый
1
20% раствор NaCl аэрированный, насыщенный CO<sub>2</sub>, pH=3,5, температура 250°С
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая, повреждений нет
2
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая, повреждений нет
3
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая, повреждений нет
Прототип
GB785293
Местное поражение
На поверхности серая пленка
Поверхность поражена язвами
Язвы диаметром более 4,0 мм