ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ И ТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
TITANIUM ALLOY FOR PIPELINES AND PIPE SYSTEMS OF HEAT-EXCHANGE EQUIPMENT FOR NUCLEAR POWER

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в судовом и энергетическом машиностроении при производстве трубопроводов и сварных трубных систем, отвечающих требованиям промышленной эксплуатации и радиационно-экологической безопасности современного корабельного и реакторного оборудования.
Известны конструкционные титановые материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, титановые сплавы типа ВТ, ОТ и ПТ, а также другие аналоги), указанные в государственных и отраслевых стандартах, а также в научно-технической литературе [1-8]. Однако известные сплавы в ряде случаев не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность применяемого теплообменного оборудования и не отвечает требованиям, предъявляемым к объектам ядерной энергетики, по их безопасной эксплуатации в течение заданного срока службы.
Наиболее близким к заявляемой композиции по базовому составу и функциональному назначению является титановый сплав марки ПТ-7М по ГОСТ 19807 [1], содержащий в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, в мас.%:
алюминий
1,8-2,5
цирконий
2,0-3,0
кремний
≤0,12
железо
≤0,25
кислород
≤0,15
углерод
≤0,10
азот
≤0,04
водород
≤0,006
титан
основа
Известный титановый сплав характеризуется повышенной чувствительностью к коррозионно-усталостному разрушению и питтингообразованию в условиях работы трубных систем парогенератора судовых установок с повышенным содержанием хлоридов в воде и водных растворах.
Вместе с тем известный сплав обладает пониженными пластическими свойствами после нейтронного облучения.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание титанового сплава, обладающего более высокой стойкостью к коррозионно-усталостному разрушению и питтингообразованию, а также имеющего более высокую пластичность после нейтронного облучения.
Технический результат достигается за счет того, что в состав известного сплава, содержащего алюминий, цирконий, кремний, железо, кислород, углерод, азот, водород и титан, дополнительно введены олово и церий при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
алюминий
1,8-2,5
цирконий
2,0-3,0
кремний
0,05-0,12
железо
0,15-0,25
кислород
0,03-0,10
углерод
0,03-0,08
азот
0,01-0,04
водород
0,001-0,006
олово
0,005-0,01
церий
0,003-0,008
титан
остальное
При этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,10%, а отношение Zr/(C+N) должно быть не менее 30.
Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала формирование наиболее оптимального структурного состояния, требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих коррозионно-механическую прочность и заданную работоспособность, а также эксплуатационную надежность теплообменного оборудования реакторной установки.
Введение в заявляемый сплав микролегирующих и модифицирующих добавок олова и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами и, в первую очередь, с алюминием и цирконием улучшает его структурную стабильность и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение чувствительности основного металла, металла сварного шва и зоны термического влияния тонкостенных трубных изделий к коррозионно-усталостному разрушению в процессе длительной эксплуатации, а также повышает работу зарождения и развития межзеренной трещины в условиях статического и циклического нагружений. При этом, как показали результаты исследований, происходит более равномерное распределение легирующих элементов и избыточных фаз по всему сечению полуфабрикатов и трубных заготовок, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, более активно идет формирование мелкозернистой структуры с равноосной формой зерна, тоньше и чище становятся границы зерна, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости как основного металла, так и сварных соединений. Заметно снижается склонность сплава к структурной анизотропии и существенно улучшается его технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве листового и трубного проката, а также других тонкостенных полуфабрикатов сложного профиля. Введение олова и церия вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в процессе длительной эксплуатации теплообменного реакторного оборудования паропроизводящей установки.
Количественное модифицирование сплава отношением циркония, как активного карбидо- и нитродообразующего элемента, к общему содержанию (C+N) улучшает структурную стабильность металла шва и зоны термического влияния, способствует формированию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых при температурах технологических и сварочных нагревов, что повышает сопротивление основного металла и сварных соединений хрупкому разрушению в условиях сложного динамического нагружения и воздействия коррозионно-активных рабочих сред. При этом обеспечение более высокого, чем в прототипе, уровня пластических характеристик и деформационной способности сплава достигается за счет формирования устойчивых дислокационных структур, во многом определяющих оптимальную плотность активных плоскостей скольжения в процессе пластической деформации. Как уже отмечалось, ограничение соотношения Zr/(C+N) способствует образованию сбалансированного содержания высокодисперсных карбонитридов циркония и повышает отпускоустойчивость металла шва и зоны термического влияния при сохранении необходимого уровня прочностных и пластических характеристик сплава.
Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал, что в заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне разрушения металла после коррозионно-усталостного разрушения в водородосодержащих средах заметно возрастает по сравнению с известным составом. Несоблюдение указанного в формуле изобретения соотношения циркония к примесям внедрения снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что изменяет и ослабляет механизм закрепления дислокации в процессе последующих технологических нагревов сортового и трубного проката и отрицательно влияет на деформационную способность металла в процессе длительной эксплуатации.
Полученный более высокий уровень физико-механических, сварочно-технологических и служебных характеристик сплава обеспечивается комплексным модифицированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты металла по остаточным вредным примесям.
В ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам создаваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумных гарнисажных электропечах с магнитоуправляемой дугой с последующей обработкой на кузнечно-прессовом оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.
Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения наиболее важных физико-механических свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанного титанового сплава в машиностроительных отраслях промышленности и народном хозяйстве выразится в повышении общего ресурса работы и эксплуатационной надежности, а также экологической безопасности использования тонкостенных трубопроводов и трубных систем широкой номенклатуры теплообменного оборудования современных реакторных установок атомной энергетики за счет снижения склонности сплава к коррозионно-усталостному разрушению, питтингообразованию и более высоких пластических свойств после нейтронного облучения по сравнению с прототипом.
Таблица 1ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ИССЛЕДОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Состав
Условный номер состава
Содержание элементов, мас.%
Al
Zr
Si
Fe
О
С
N
Н
Sn
Се
(C+N)
Zr/(C+N)
Заявляемый
1
1,8
2,0
0,05
0,15
0,07
0,03
0,01
0,001
0,005
0,003
0,04
50,0
2
2,2
2,7
0,08
0,20
0,03
0,05
0,04
0,004
0,008
0,005
0,09
30,0
3
2,5
3,0
0,12
0,25
0,10
0,08
0,02
0,006
0,01
0,008
0,10
30,0
Известный
4
2,5
3,0
0,10
0,25
0,15
0,10
0,04
0,006
-
-
0,14
21,4
Примечание. Остальное - титан
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 19807 Титан и сплавы титановые деформируемые (марки) - прототип, с.2-4.
2. ГОСТ 22897 Трубы бишовные холоднодеформированные из сплавов на основе титана. Технические условия.
3. ОСТ 1.92077 Сплавы титановые (марки).
4. Б.Б.Чечулин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении, Изд-во «Машиностроение», Л., 1977.
5. У.Цвиккер. Титан и его сплавы. Издательство «Металлургия», М., 1979.
6. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы как перспективный реакторный материал. Сб. ст. «Радиационное материаловедение и конструкционная прочность реакторных материалов», Изд-е ЦНИИ КМ «Прометей», С-Пб, 2002.
7. С.С.Ушков, В.А.Межонов, О.А.Кожевников и др. Применение титановых сплавов для корпусов водо-водяных реакторов перспективных атомных энергетических установок. - Материалы 7-й Международной научно-техн. конф. «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», С-Пб, 2002.
8. В.В.Рыбин, О.А.Кожевников и др. Механические свойства, тонкая структура и микромеханизмы разрушения облученных нейтронами альфа-сплавов титана, - МиТОМ, №9, 1999, стр.47-51.