Термічно стабільний висококорозійно-стійкий титановий сплав

Изобретение относится к конструкционным металлическим материалам, в частности к титановым сплавам, применяемым для создания крупногабаритного сварного оборудования из титановых сплавов для работы в особо агрессивных средах. Известно, что коррозионная стойкость титана определяется исключительно устойчивостью его пассивного состояния. К легирующим добавкам, в основном, воздействующим непосредственно на изменение характера пассивности титанового сплава, относятся следующие элементы: тантал, молибден, ниобий, цирконий, дафний, ванадий, вольфрам, хром, алюминий, кремний. Известен сплав (системы титан-алюминий-ниобий) [1]. Сплав относится к двухфазным термически нестабильным сплавам и не может применяться для создания крупногабаритных сварных конструкций. Он предназначен для изготовления имплантантов, а также медицинского инструмента и оборудования. Наиболее близким по технической сути является титановый сплав серии АТ-сплав АТЗ, содержащий следующие компоненты в мас.%: алюминий - 2,9%, железо - 0,6%. хром - 0,5%, кремний - 0,4%, титан остальное. [2]. Сплав средней прочности АТЗ разбавляется и применяется для изготовления сварной химической аппаратуры, так как имеет коррозионную стойкость близкую к стойкости технического титана, а прочность значительно выше (s8= 600-750 МПа). Однако сегрегация элементов, ограничено растворимых в aтитане (алюминия, железа, хрома, кремния}, за счет обогащения границ зерен FeSI отрицательно сказывается на его коррозионной стойкости и особенно его сварных соединениях. Кроме этого, при работе в агрессивных средах, происходит сильное наводораживание, как металла швов, так и основного металла, что приводит к коррозионному растрескиванию и преждевременному выходу аппаратов из эксплуатации. К этому следует добавить, что сплав термически нестабилен и вся аппаратура, изготовленная из него, требует последующего отжига для снятия сварочных и других напряжений, возникающих о процессе изготовления. Задачей настоящего изобретения является изыскание такого состава сплава, который обладал бы средней прочностью (прядка 850 МПа), высокой пластичностью и коррозионной стойкостью, значительно превышающей коррозионную стойкость известных сплавов, а также был бы термически стабильным сплавом, не требующим последующего отжиге для снятия сварочных и других напряжений, возникающих в процессе изготовления сварного оборудования. Эта задача решена созданием титанового сплава, содержащего алюминий, ниобий, в который, согласно изобретению, введен цирконий, а указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: алюминий - 3,0-4,0; ниобий 4,2-5,3; цирконий 2,6-3,5; титан - остальное. Известно, что алюминий является сильным упрочняющим элементом титана, особенно в указанных пределах (3,0-4,0). При содержании алюминия в сплаве менее 3%, сплав будет иметь низкую прочность, что заметно снизит эффективность его применения. При введении в сплав алюминия более 4% снижается его технологичность и коррозионная стойкость. Ниобий и цирконий введены в сплав, так как обладают более высокой коррозионной стойкостью чем титан, вследствие их более легкой пассивируемое и большей устойчивости пассивного состояния. Кроме этого, легирование сплава ниобием в указанных пределах значительно повышает ударную вязкость как сплава, так и его сварных соединений в состоянии после сварки. Последнее обстоятельство очень существенно, так как сплав термически стабилен и крупногабаритные сварные конструкции могут не переходить последующий отжиг. Введение 8 сплав ниобия менее 4% снижает коррозионную стойкость и ударную вязкость сплава, а введение в сплав ниобия более 5,5% существенно удорожает сплав. Легирование цирконием улучшает коррозионную стойкость титана в соляной кислоте любой концентрации, а также 75% серной кислоте. Введение циркония в сплав в указанных пределах полностью компенсирует недостающее содержание в сплаве более дорогого и дефицитного ниобия. Кроме этого, цирконий взят как нейтральный упрочните ль для уменьшения отрицательного воздействия влияния газовых примесей, в частности кислорода, а также измельчения структуры в сплав. Предлагаемый сплав может быть получен существующими в настоящее время способами, а именно двойным переплавом по схеме: плазменно-дуговая плавка - первый переплав и вакуумно-дуговая плавка второй переплав. При первичной выплавке на плазменно-дуговой печи слитка в ячеистый бункер загружается губчатый титан и легирующие компоненты. Под воздействием плазменных факелов происходит расплавление, дегазация и частичное усреднение легирующих элементов в ванне жидкого металла. При повторном переплаве на вакуумно-дуговой печи происходит глубокая дегазация расплава и полное растворение легирующих в объеме ванны, что способствует их равномерному распределению по сечению и высоте слитка. Для экспериментального исследования были изготовлены и опробованы пять опытных партий предложенного сплава следующих составов (таблица 1). В таблице 2 приведена коррозионная стойкость этих сплавов, а также коррозионная стойкость серийно выпускаемых коррозионно-стойких титановых сплавов, определенная по стандартным методикам в наиболее распространенных средах. Применение рекомендуемого сплава, по сравнению с существующими, позволит выполнить технические проекты нового поколения и создать аппараты для получения особо агрессивных компонентов, применяемых в специальных производствах, снизить их массу, повысить рабочее давление в фильтровальном оборудовании, что приведет к значительному сокращению технологического цикла фильтрования, даст большой экономический эффект. Основные области применения: пластинчатые теплообменники, выпарные аппараты, роторно-пленочные колонные аппараты, фильтровальное оборудование, центрифуги, насосы, работающие в особо агрессивных средах.