СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА Российский патент 2011 года по МПК C22C14/00 

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

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.

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