Сплав на основе титана
Владельцы патента RU 2426808:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе титана, обладающим высокой стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии, которые могут быть использованы для изготовления трубопроводов и трубных систем широкой номенклатуры в судостроении и других отраслях промышленности. Заявлен сплав на основе титана, содержащий, 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 выполнении следующего соотношения: (Al+Zr)/(Fe+Si+C)≥15. Сплав характеризуется высокой стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии в условиях высоких температур до 250°С, окислительных средах с pH=2,0-7,0 и средах с высоким содержанием солей. 2 табл., 2 ил.
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.
Оценка склонности к щелевой коррозии произведена по результатам исследования потери массы образцов в размерности 10-4 г/дм2·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 | O2 | Н2 | 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 1×10-4 г/дм2·час | Нет поражений | Поверхность образцов блестящая. Питтнговые язвы не обнаружены |
| 2 | Нет поражений | Поверхность образцов блестящая. Потери массы образца 1×10-4 г/дм2·час | Нет поражений | Поверхность образцов блестящая. Питтнговые язвы не обнаружены | ||
| 3 | Нет поражений | Поверхность образцов блестящая. Потери массы образца 1×10-4 г/дм2·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 8×10-4 г/дм2·час | Поражения поверхности | На поверхности образцов выявлены питтнговые язвы диаметром более 2,0 мм |
Сплав на основе титана, содержащий алюминий, цирконий, кремний, железо, кислород, водород, азот, углерод и титан остальное, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 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 выполнении следующего соотношения:
(Al+Zr)/(Fe+Si+C)≥15.
