СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
TITANIUM-BASE ALLOY

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию сплавов на основе титана, обладающих повышенной устойчивостью против щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl и pН 2,5-4,0) и температурой до 250°С.
Сплав предназначен для элементов оборудования: химических производств, оффшорной техники (глубоководных бурильных и добывающих райзеров, сосудов высокого давления и. т.д.) и судостроения, в том числе сварных соединений.
Известны сплавы на основе титана, предназначенные для использования в агрессивных средах (Grade l3-15, Grade 26-27, Grade 28-29 по ASTM В 265-98). Эти сплавы, обладая хорошей коррозионной стойкостью, тем не менее имеют определенные недостатки, ограничивающие их применение в средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl) и pН 2,5-4,0) и температурой до 250°С.
Недостатками перечисленных сплавов являются для одних - низкий уровень прочности, для других - пониженные значения пластичности.
Известен также сплав на основе титана с рутением и палладием (RU 2203974 С22С 14/00 07.05.2001). Этот сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью, механическими свойствами, однако содержит повышенное содержание Р-легирующих элементов и примесей железа, что приводит к структурной неоднородности и снижению стойкости против щелевой и питтинговой коррозии в средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl и pН 2,5-4,0) и.температурой до 250°C.
Наиболее близким по содержанию ингредиентов является сплав на основе титана [GB 785293 A, C22C 14/00, 23.10.1957], содержащий масс %: алюминий 0,25-7,5, ванадий 0,1-30,0, молибден 0,1-30,0, углерод до 0,3, цирконий 0,1-10,0, кислород до 0,3, кремний 0,1-1,0, железо 0,1-2,0, титан остальное.
Из альтернативных вариантов составов указанного сплава в качестве прототипа выбран сплав, качественный и количественный состав которого соответствует качественному и количественному составу заявляемого сплава.
Недостатком сплава прототипа является низкая стойкость против щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl и pН 2,5-4,0) и температурой до 250°C.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава, обладающего более высокой стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl и pН 2,5-4,0) и температурой до 250°C. по сравнению со сплавом - прототипом.
Технический результат достигается за счет того, что в состав известного сплава, содержащего алюминий, ванадий; молибден, углерод, цирконий, кислород; кремний, железо, титан остальное, дополнительно вводится рутений при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Алюминий
4,7-6,3;
Ванадий
1,0-1,9;
Молибден
0,7-2,00;
Углерод
0,06÷0,14;
Цирконий
0,02÷0,10
Кислород
0,06÷0,13
Кремний
0,02÷0,12;
Железо
0,05÷0,25;
Рутений
0,05-0,14;
Титан
остальное;
при этом суммарное содержание кислорода, кремния и железа должно быть менее или равно 0,40
2
[O]+[Si]+[Fe]≤0,40
В заявляемом изобретении легирующие и примесные элементы (кислород, кремний, железо) находятся в таком соотношении, чтобы обеспечить высокую стойкость против щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием (3,5% NaCl и pН 2,5-4,0) и температурой до 250°C Кислород, кремний, железо в заявляемом изобретении в заявляемом суммарном содержании обеспечивают комплексное микролегирование сплава и получение однородного регламентированного структурного состояния.
2
Выполнение заявленного соотношения [О]+[Si]+[Fe]≤0,40 повышает электролитическую однородность сплава, что необходимо для повышения стойкости против щелевой и питтинговой коррозии.
2
Увеличение суммарного содержания [O]+[Si]+[Fe]>0,40 при проведении термических циклов сварки приведет к снижению коррозионной стойкости заявляемого сплава, так как переплавленный металл сварного шва теряет способность к внутризеренной деформации, деформация локализуется по границам. Рутений в заявляемом сплаве является микролегирующей и катодно-модифицирующей добавкой, который в сочетании с алюминием и ванадием, препятствует образованию структурной и химической неоднородности, способствует пассивации за счет снижения перенапряжения реакции выделения водорода.
При катодном микролегировании рутением повышается катодная эффективность, смещающая электрохимический потенциал сплава в область устойчивой пассивности, что исключает опасность питтингообразования.
+
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 (H+е→Н) восстановления водорода. Содержание сверх указанного предела не эффективно и нецелесообразно.
Содержание углерода в заявляемом сплаве ограничено выбранными пределами, так как при содержании более 0,14% углерод выделяется в виде округлых включений по границам зерен, которые снижают коррозионную стойкость. При содержании углерода менее 0,06% снижается прочность сплава.
Алюминий в заявляемых пределах 4,7-6,3% интенсивно повышает прочностные характеристики сплава и обеспечивает хорошие технологические свойства при производстве полуфабрикатов. Повышение алюминия сверх пределов, заявленных в сплаве, снижает коррозионную стойкость в указанных средах.
Ванадий в заявленных пределах снижает сегрегацию легирующих элементов, повышая структурную однородность сплава.
-
Содержание молибдена ограничено пределами 0,7-2,0%, т.к. при содержании молибдена более 2,0% в сварном соединении образуется α'фаза с пониженными пластичностью и стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии.
1
Молибден при содержании до 2,0% блокирует процесс упорядочения и образования α-фазы [В.Н. Моисеев и др. Сварные соединения титановых сплавов М, Металлургия,1978 г, с.60].
Нейтральный β-стабилизатор -цирконий в пределах 0,02-0,10% в сочетании с алюминием обеспечивает однородное распределение легирующих компонентов в α-фазе, снижает внутрикристаллическую ликвацию.
Пример выполнения.
Выплавляли слитки с химическим составом из предлагаемого сплава и сплава-прототипа (таблица 1).
Слитки ковали на заготовки и прокатывали в листы толщиной 4,0 мм, из которых затем изготавливали образцы размером 4×35×35 мм для проведения коррозионных испытаний на щелевую и питтинговую коррозию.
С целью ускорения коррозионные испытания проводили в автоклаве в среде насыщенных паров 20% раствора NaCl при температуре 250°С в течение 200 часов. Давление составляло 40ата. 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 наличия локальных повреждений.
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 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 предлагаемый сплав по стойкости против щелевой и питтинговой коррозии превосходит аналогичные характеристики известного сплава. Это позволяет увеличить ресурс различных элементов оборудования при эксплуатации в водных растворах с повышенным содержанием хлоридов при повышенной температуре до 250°C и pН 2,5 в 2-3 раза.
Таблица 1
Химический состав заявляемого и сплава-прототипа на основе титана
Сплав
№ состава
Аl
V
Мo
C
Zr
O<sub>2</sub>
Si
Fe
Ru
O<sub>2</sub>+Si+Fe≤0,40
Ti
Предлагаемый
1
4,7
1,0
0,7
0,06
0,02
0,13
0,02
0,25
0,14
0,40
ост.
2
5,0
1,5
1,5
0,10
0,07
0,08
0,05
0,20
0,10
0,33
ост.
3
6,3
1,9
2,0
0,14
0,10
0,06
0,12
0,05
0,05
0,23
ост.
Известный
6,5
4,0
3,0
0,20
0,30
0,20
0,25
0,30
-
0,75
ост.
Таблица 2
Коррозионная стойкость заявленного сплава и прототипа
Сплав
№ состава
Характеристика среды
Результаты коррозионных испытаний, длительность испытаний 200 часов
заявляемый
Аэрированный насыщенный Рн=3,5, СО<sub>2</sub> (10-15 бар), 20% раствор NaCl, температура 250°С
Щелевая коррозия
Характеристика состояния поверхности при питтинговой коррозии, наличие язвенных повреждений
Степень поражения
Вид щелевой поверхности
1
Поверхность образцов блестящая
не обнаружен
2
Нет поражений
не обнаружен
3
не обнаружен
Известный
Местное поражение
Серая пленка
язвы диаметром более 2,0 мм