Результат интеллектуальной деятельности: Литейный сплав на основе титана

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию литейных свариваемых сплавов на основе титана, обладающих повышенной коррозионной стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии в водных теплоносителях с повышенным солесодержанием 3,5% NaCl и pH>2,5 и температурой до 250°C.

Сплав предназначен для изготовления фасонных отливок типа корпусов насосов и арматуры, эксплуатируемых в элементах оборудования оффшорной техники, ответственных сварно-литых конструкциях судостроения, химической промышленности.

Известны литейные свариваемые сплавы на основе титана: марки ВТ1Л, марки ВТ6Л. Недостатками этих сплавов является в одном случае пониженная прочность; в другом недостаточная пластичность и низкая коррозионная стойкость в среде хлоридов при повышенных температурах (Н.Ф. Аношкин, А.Ф. Белов, б.и. Бондарев и др. Производство фасонных отливок из титановых сплавов, М., ВИЛС, 1988).

Известен сплав на основе титана, предназначенный для работы в условиях агрессивных сред, содержащий масс. %: алюминия 0,01-0,15, цирконий 0,005-0,10, медь 0,005-0,05, никель 0,005-0,05, магний 0,005-0,1, титан остальное. Сплав предназначен для коррозионной среды в H₂SO₄, (300 г/л) и NaOH (30 г/л), патент №1746730 от 15.07.1994 г. С22С, 14/00, RU.

Недостатком этого сплава является низкие показатели прочности, не обеспечивающие требуемого ресурса оборудования при эксплуатации в средах с повышенной температурой.

Известны зарубежные марки литейных титановых сплавов с повышенной коррозионной стойкостью, по ASTM 367-2005:

Grade 7, содержащий 0,12-0,25% Pd, 0,05% N, 0,20 Fe, 0,40 O₂, ост. титан

Grade 16, содержащий 0,04-0,08% Pd, 0,03% N, 0,30 Fe, 0,18 O₂, ост. титан

Grade 17, содержащий 0,04-0,08% Pd, 0,03% N, 0,20 Fe, 0,25 O₂, ост. титан

Grade 18, содержащий 2,5-3,5% Al, 2,0-3,0% V, 0,04-0,08% Pd, 0,05% N, 0,25% Fe, 0,15% O₂, ост. титан (Materials Properties Handbook Titanium Alloys/Ed/ by R, Boyer, G. Welsch, E.W. Collings. - ASM International. The Material Information Society, 1994-1176 p.).

Недостатком сплавов, легированных палладием, является высокая стоимость изделий из них. Использование даже незначительного количества палладия отличается дороговизной и необходимостью в обеспечении сохранности драгоценных металлов. Сплавы этой группы представляют твердый раствор нелегированного титана с палладием и примесями: железа, кислорода. Из-за содержания кислорода до 0,40% в сварных соединениях из сплава титана с палладием образуются трещины.

Недостатком другого известного сплава Grade 18 с содержанием кислорода менее 0,15% является повышенное содержание азота 0,05%. Известно, что повышенное содержание азота превращает пластичный материал в хрупкий с образованием трещин в сварных соединениях [2 С.Г. Глазунов и др. «Конструкционные титановые сплавы, М., Металлургия, 1973, с. 24]

Наиболее близким по технической сущности и составу ингредиентов (прототип), является литейный свариваемый сплав на основе титана, содержащий: алюминия 3,0-4,5%, углерода 0,02-0,14%, кислорода 0,05-0,14%, железа 0,021-0,25%, кремний 0,02-0,12%, ванадий 0,02-0,15%, бор 0,001-0,005%, при выполнении следующих условий (С+О₂≤0,20) и 2(V+Fe+Si) / Al≤0,20, патент №2547371 от 10.09.2013 г. С22С 14/00 RU.

Этот сплав обладает хорошими литейными свойствами, в том числе заполняемостью форм, свариваемостью, хорошим комплексом механических свойств, обеспечивающих требуемый ресурс эксплуатации оборудования.

Недостатком этого сплава является низкая стойкость к питтинговой и щелевой коррозии в условиях эксплуатации в водных теплоносителях с повышенным содержанием хлоридов 3,5% NaCl с pH>2,5 и температурой до 250°C.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание литейного сплава, обладающего более высокой стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии в средах, содержащих до 20,0% NaCl при температуре от 250°C и pH>2,5, при сохранении высокой пластичности, хороших литейных и сварочных свойств, присущих известному сплаву.

Технический результат достигается за счет того, что в состав известного сплава, содержащего алюминий, углерод, кислород, железо, кремний, ванадий и остальное титан, дополнительно вводится рутений при следующем соотношении компонентов (масс. %):

при соблюдении следующего условия 2⋅(V+Fe+Si) / Al≤0,20.

Рутений в заявляемом сплаве является микролегирующей и микромодифицирующей добавкой, которая в сочетании с алюминием и ванадием, препятствует образованию структурной и химической неоднородности, повышает стабильность механических свойств и способствует образованию стабильной окисной пленки, препятствующей питтингообразованию и щелевой коррозии.

Рутений относится к металлам платиновой группы. Металлы платиновой группы обуславливают более низкое перенаряжение выделения водорода в кислой среде. Защитное действие рутения обусловлено поляризующим действием. Эффект от легирования сплава рутением проявляется при его содержании в сплаве выше 0,05%. Легирование сплава рутением в количестве большем, чем 0,14% не приводит к дальнейшему заметному повышению коррозионных свойств и экономически не целесообразно.

Алюминий в указанных в сплаве пределах 3,0-4,5% интенсивно повышает прочностные характеристики сплава, в том числе и при повышенных температурах вследствие образования в α-твердом растворе обогащенных алюминием микросегрегатов. При содержании алюминия сверх пределов, указанных в заявляемом сплаве коррозионная стойкость снижается.

Бор из предлагаемого сплава исключен, так как при превышении предела его растворимости образуются локальные выделения боридной фазы повышенной твердости на границах зерен и α-прослоек, снижающие коррозионную стойкость.

В заявляемом изобретении элементы находятся в соотношении, обеспечивающим высокую стойкость к щелевой и питинговой коррозии в агрессивных средах с повышенным солесодержанием NaCl%, pH 2,5-4,0 и температурой до 250°C.

Содержание кислорода в заявленных пределах 0,05-0,10% и углерода 0,02-0,10% обеспечивают оптимальную пластичность и сварочные свойства сплава. Элементы кремний и железо, содержащиеся в сплаве в количестве до 0,10% выступают в качестве микролегирующих добавок, большее содержание кремния и железа ведет к снижению пластичности и ударной вязкости металла. Отношение 2⋅(V+Fe+Si) / Al≤0,20 за счет малого количества β-стабилизирующих элементов обеспечивает комплексное микролегирование, сопровождающиеся повышением пластичности и коррозионной стойкости.

Пример выполнения

Составы предлагаемого и известного сплавов выплавляли в вакуумной дуговой гарниссажной плавильно-заливочной печи «Нева-2». Из предлагаемого и известного сплавов отливали в металлических формах литые заготовки «плита» размером 20×300×400 мм., химические составы которых представлены в таблице 1. Из литых заготовок изготавливали образцы размером 4×35×35 мм для проведения коррозионных испытаний на щелевую и питтинговую коррозию. Коррозионные испытания на питтинговую коррозию проводили в автоклаве в среде 20,0% раствора NaCl при температуре 250°C и pH 3,5 в течение 2000 часов

Испытания проводили по ГОСТ9.912-89 (СТСЭВ 64461-88 «Методы ускоренных испытаний на стойкость к питтинговой коррозии»).

Оценка склонности к питтингу выполнена визуально при осмотре поверхности образцов с использованием оптического микроскопа при увеличении × 12. Выявляли питтинги (язвы) диаметром не менее 0,1 мм.

Поверхность образца из сплава прототипа в указанной среде первоначально приобретает синефиолетовый цвет. Это свидетельствует, что в реакции титана и коррозионной среды, кислород принимает активное участие и в присутствии NaCl процесс окисления идет более активно. Затем с увеличением продолжительности испытаний цвет поверхности становится серым и выявляются язвы размером более 2,0 мм. Язвы являются концентраторами напряжений и при приложении нагрузок местом зарождения и роста трещин, что снижает долговечность изделий.

На образцах из предлагаемого сплава повреждений поверхности от питтинговой и щелевой коррозии не обнаружено, что является бесспорным преимуществом предлагаемого сплава по сравнению с известным сплавом.

Представленные результаты в таблице 2 показывают, что предлагаемый сплав по стойкости к щелевой и питтинговой коррозии превосходит аналогичные характеристики известного сплава - прототипа. Это позволяет увеличить ресурс различных элементов оборудования в водных растворах с повышенным содержанием хлоридов при повышенной температуре до 250°C и pH>2,5 примерно в 2 раза.