Титановый сплав для трубопроводов и трубных систем теплообменного оборудования атомной энергетики

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным отношением 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. Изобретение направлено на создание высокотехнологичного свариваемого сплава, обладающего улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к коррозионно-усталостному разрушению, а также большей по сравнению с известными материалами деформационной способностью в условиях реакторного облучения и длительного воздействия коррозионно-активных сред, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы трубных систем прямоточных парогенераторов и блочных конденсаторов паропроизводящих установок стационарных и транспортных АЭУ. Сплав содержит, 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 мас.%, а отношение Zr/(C+N) должно быть не менее 30. 2 табл.

 

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 1 ХИМИЧЕСКИЙ 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.

Титановый сплав для трубопроводов и трубных систем теплообменного оборудования атомной энергетики, содержащий алюминий, цирконий, кремний, железо, кислород, углерод, азот, водород и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово и церий при следующем соотношении компонентов, 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 превышает 0,10 мас.%, а отношение Zr/(C+N) составляет не менее 30.