СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
ALLOY ON BASE OF TITANIUM

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию сплавов на основе титана, предназначенных для изготовления трубопроводов и трубных систем широкой номенклатуры, работающих в условиях высоких температур до 250°С и окислительных сред с рН=2,0-7,0 с высоким солесодержанием.
Сплав обладает высокой стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии. Известны сплавы на основе титана для изготовления трубопроводов, указанные в патенте [1] и государственном стандарте США - (Grade 13, 14, 15, 26, 28) [2]. Эти сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью, но имеют определенные недостатки, ограничивающие их применение для указанных условий.
Сплав, содержащий компоненты, мас.%: алюминий 2,5-4,0, ванадий 2,5-4,0, молибден 2,0-3,5, цирконий 0,4-1,5, железо 0,25, кислород 0,15, рутений или палладий 0,03-0,3 [1]. Этот сплав является ограниченно свариваемым.
(Grade 13, 14, 15, 26) [2] - сплавы на основе технического титана с рутением имеют низкие прочностные свойства.
(Grade 28 ELI) [2] - сплав, на основе титана, содержащий компоненты, мас.%: алюминий 2,5-3,5, ванадий 2,0-3,0, рутений 0,08-0,14, склонен к наводороживанию при длительной эксплуатации в среде с атомарным водородом.
Наиболее близким по составу ингредиентов и технической сущности является сплав на основе титана (прототип), содержащий мас.%: алюминий 1,8-2,5; цирконий 2,0-3,0; кремний 0,12; железо 0,25; кислород 0,15; водород 0,006; азот 0,04; углерод 0,10; титан - остальное [3]. Известный сплав характеризуется хорошим сочетанием прочностных, пластических характеристик и свариваемости.
Недостатком этого сплава является повышенная склонность к питтинговой и щелевой коррозии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава, обладающего более высокой стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии для трубопроводов, работающих в условиях повышенных температур (до 250°С) и при высоком солесодержании (рН=2,0-7,0).
Технический результат достигается за счет того, что в сплав, содержащий алюминий, цирконий, кремний, железо, кислород, водород, азот, углерод и титан - остальное, дополнительно вводится рутений при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий
1,8-2,5
Цирконий
2,0-3,0
Кремний
0,02-0,10
Железо
0,05-0,15
Кислород
0,03-0,13
Водород
0,001-0,006
Азот
0,01-0,03
Углерод
0,01-0,10
Рутений
0,05-0,12
Титан
остальное,
при этом должно быть выполнено следующее условие:
(Al+Zr)/(Fe+Si+C)≥15
Рутений введен в сплав в оптимальном количестве, необходимом для пассивации в условиях повышенных температур (до 250°С) и при высоком солесодержании (рН=2,0-7,0). При содержании рутения менее 0,05% в указанных условиях пассивация не наступает, полная пассивация наступает при содержании рутения до 0,12%, дальнейшее повышение содержания рутения нецелесообразно и неэффективно.
Кроме того, введение в заявляемый сплав рутения улучшает его структурную стабильность и обеспечивает устойчивую пассивность сплава. Электрохимический потенциал сплава смещается в область устойчивой пассивности за счет снижения перенапряжения реакции выделения водорода, что свидетельствует об отсутствии условий питтингообразования.
Легирующие элементы (алюминий, цирконий) и примеси (кремний, железо, углерод) находятся в таком соотношении, чтобы снизить структурную неоднородность сплава и повысить стойкость против щелевой и питтинговой коррозии. Несоблюдение указанного в формуле соотношения затрудняет равномерное распределение примесей по объему зерна, что снижает коррозионную стойкость
Выплавляли слитки из заявляемого сплава и сплава-прототипа (таблица 1).
Слитки ковали на плиты и прокатывали в листы толщиной 4,0 мм, из которых затем изготавливали образцы размером 4×35×35 мм для проведения коррозионных испытаний на щелевую и питтинговую коррозию. С целью ускорения коррозионные испытания проводили в автоклаве в среде 20%-ного раствора NaCl при температуре 250°С в течение 2000 часов. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
2
Оценка склонности к щелевой коррозии произведена по результатам исследования потери массы образцов в размерности 10-4 г/дм·час.
Оценка склонности к питтингу выполнена визуально при осмотре поверхности образцов с использованием оптического микроскопа при увеличении ×12. Выявляли питтинги диаметром не менее 0,1 мм.
На образце из сплава-прототипа обнаружены многочисленные питтинговые поражения поверхности в виде язв размером до 4,0 мм. На образце из заявляемого сплава никаких поражений поверхности обнаружено не было, поверхность образцов сохранялась блестящей.
Вид поверхности образцов после испытаний на щелевую и питтинговую коррозию представлен на фото: (фигура 1) - из сплава-прототипа, (фигура 2) - из заявляемого сплава.
Представленные результаты показывают, что заявляемый сплав по стойкости против щелевой и питтинговой коррозии превосходит аналогичные характеристики известного сплава. Из заявляемого сплава в производственных условиях изготовлена партия трубопроводов, которая успешно прошла все эксплуатационные испытания.
Источники
[1] Патент RU №2203974, Кл. С22С 14/00, 07.05.2001 г. «Сплав на основе титана».
[2] Стандарт на бесшовные и сварные трубы из титана и титановых сплавов для конденсаторов и теплообменников. ASTM B338-98.
[3] Титан и сплавы титановые деформируемые Марки ГОСТ 19807-91.
Таблица 1
Химический состав предлагаемого и известного сплава
Сплав
№ состава
Al
Ru
С
Zr
Fe
Si
O<sub>2</sub>
Н<sub>2</sub>
N
Al+Zr/Fe+Si+C≥15
Ti
Предлагаемый
1
1,8
0,05
0,01
2,0
0,05
0,02
0,03
0,001
0,01
47,5
ост.
2
2,0
0,12
0,05
2,5
0,10
0,05
0,07
0,006
0,02
28,5
ост.
3
2,5
0,08
0,10
3,0
0,15
0,10
0,13
0,003
0,03
15,7
ост.
Известный
2,5
0,08
2,5
0,20
0,10
0,10
0,008
0,04
13
ост.
Таблица 2
Результаты коррозионных испытаний
Сплав
№ состава
Характеристика среды
Результаты коррозионных испытаний продолжительностью 2000 часов
Щелевая коррозия
Питтинговая коррозия
Степень поражения испытуемых образцов
Вид поверхности образцов
Степень поражения образцов
Выявление на поверхности образцов питтингов
Заявляемый
1
Аэрированный (насыщенный) - 20%-ный раствор NaCl, рН=2,5, температура 250°С
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая. Потери массы образца 1×10<sup>-4 </sup>г/дм<sup>2</sup>·час
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая. Питтнговые язвы не обнаружены
2
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая. Потери массы образца 1×10<sup>-4 </sup>г/дм<sup>2</sup>·час
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая. Питтнговые язвы не обнаружены
3
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая. Потери массы образца 1×10<sup>-4 </sup>г/дм<sup>2</sup>·час
Нет поражений
Поверхность образцов блестящая. Питтнговые язвы не обнаружены
Известный
Интенсивное разрушение сплава в щелях
На поверхности выявлена рыхлая серая пленка с видимыми сквозными повреждениями до 4 мм. Потеря массы образца более 8×10<sup>-4</sup> г/дм<sup>2</sup>·час
Поражения поверхности
На поверхности образцов выявлены питтнговые язвы диаметром более 2,0 мм