具有改进耐腐蚀性和强度的钛合金制造技术

一种含碳的钛合金与工业纯ＡＳＴＭ２级钛或ＰＧＭ－合金化的ＡＳＴＭ７级钛相比在加入或没有加入硅的情况下能显示改进的耐腐蚀性和机械强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种新型的钛合金，其中改进的耐腐蚀性和强度是通过在基底钛或其钛合金中使用最高达4重量％的碳作为合金添加剂。
技术介绍
钛是一种活性金属，就耐腐蚀性而言，取决于表面氧化物膜的形成和 稳定性。在稳定的条件下，钛具有显著的耐腐蚀性特性。然而，其逆转也 是确实的，因为在膜不稳定时，可以产生特别高的腐蚀速率。这些不稳定性的条件，通常在pH值的两个极端。强酸或强碱溶液可在钛氧化物膜中产 生不稳定性。典型地是，根据现有技术的实践，当在不确定的氧化物膜稳定性的区 域内使用钛时，已经往钛中加入合金元素以提高氧化物膜的稳定性，这样 在pH极值下就可提高其有效的实用性。已经证明，这种实践对于pH值的 酸性端最有效，其中合金化能提高氧化物膜的稳定性多达2 pH单位或更多。 由于测定pH是根据对数标度测量，这意味着在腐蚀性酸的条件下，如沸腾 的HC1中，钝性的电位提高(potential increase in passivity) 100倍以上。 一 些 合金元素在这方面已显示不同程度的成功，如钼、4^、钽、铌和贵金属。 在这些族中，铂族金属(PGM)能提供最有效的保护以免遭腐蚀。铂族金属是 柏、4巴、钌、4老、4衣和4我。Stem等人在1959年在标题为"The Influence of Noble Metal Alloy Additions on the Elctrochemical and Corrosion Behavior of Titanium"的论文中 论证了这一点。他们发现少到0.15%的Pd或Pt的合金添加剂在热还原性酸 介质中，能极大地提高钛表面上的氧化物膜的稳定性，因而提高耐腐蚀性。 因此，许多年以来ASTM 7级钛(Ti-.15Pd)已经成为用于未合金化钛遭受腐 蚀的一些严重腐蚀条件下所选择的标准材料。最近，ASTM 16级(Ti-.05Pd) 已被用来直接取代ASTM 7级，因为它更经济些并且可以提供接近ASTM 7 级水平的耐腐蚀性。这样，人们倾向于认为在腐蚀性不剧烈的应用场合下它们是等效的。通过将铂族金属添加到钛中所提供的保护机理是提高阴极去极化作用 中的一种。铂族金属在酸性介质中能提供低得多的氢超电压，由此提高了 电化学反应的阴极部分的动力学。这样提高的动力学说明阴极半反应斜率的变化，导致对钛而言更惰性(noble)的腐蚀电位。钛的活性/钝性的阳极行 为可使腐蚀电位(极化)有小的位移，以引起腐蚀速率中的大的变化。在用上面所列元素中的任何一种合金化钛情况下的问题是这样做的费 用增加。上面所列元素中的每一种都比钛更贵，这样为了实现所希望的提 高腐蚀保护就要生产成本更高的产品。添加小量钯(0.15%)的费用确实是材 料(取决于钯和钛的现行价格)费用的两倍或三倍。尽管上述现有技术的实践对提高钛在某些严重腐蚀性条件下的耐腐蚀 性是有效的，但是贵金属特别是铂族金属的合金添加剂特别贵，因此，对 于最终用户来说，可行性有限。具有ASTM7级性能，但具有更类似于工 业纯ASTM2级钛(Ti-.120)的成本的合金，对于钛的最终用户将有更大的益 处。另外，工业纯钛2级在化学工艺过程和海洋应用中是最常用的。ASTM 2级易于制作和加工。这个级别的钛能为工业纯级提供最高的强度，同时对 称作应力腐蚀裂紋(SCC)的粒状腐蚀保持阻力。尽管单纯地从强度观点来看 ASTM3级和4级钛是合乎要求的，但由于在氯化物环境中，如海水，由于 它们对SCC的倾向，由于氧含量提高，不能使用ASTM3和4级钛(与2级 对比，具有提高的氧含量以产生增加的强度)。惯用地，把氧作为工业纯l-4级钛中的主要强化剂使用。然而，当氧含 量超过0.20wt。/。时，对应力腐蚀裂紋的敏感性变得非常高。这样，虽然它 们有合乎要求的能导致较轻重量组分的强度程度，但氧含量高于0.20%界限 的3和4级，当遇到氯化物介质时， 一般是被最终用户所避免使用的。这样，具有工业纯2级所有的理想特征，如可成形性和耐SCC性，以 及工业纯3和4级钛的较高强度的合金，对于许多钛用户如化学工艺过程 和海洋用或海军市场(Naval markets)来说是非常有价值的。使用这种较高强 度、耐SCC的合金，可降低标准，由于需要的钛少，将导致减轻组分重量 及降低成本。
技术实现思路
本申请的专利技术提供一种钛合金，使用便宜的合金元素代替昂贵元素进行合金化，与工业纯ASTM 2级钛相比，极大地改进经受严重腐蚀性应用 时钛的耐腐蚀性并且改进机械强度，因此与上面讨论过的现有技术实践相 对比时，在这方面是有利的。除此之外，本专利技术还提供一种与PGM-合金化 钛如ASTM7级钛相比，具有等效的耐腐蚀性、改进的机械性能以及极大 地降低成本的合金。按照本专利技术，现已确定，与工业纯ASTM 2级相比，具有改进耐腐蚀 性的钛合金，可通过使用碳作为主要合金元素而获得。所述的合金，可与 0.2 ~ 4重量％范围内，优选0.5 ~ 2.0重量％范围内的碳进行合金化。按照本 专利技术，如此生产的添加优选范围碳的合金与未合金化的钛(ASTM 1~4级) 和PGM-合金化钛(ASTM 7和16级)相比，能提供耐腐蚀性和强度两方面的 改进。上述优选的范围可保持合金便于加工的冷成形性。除此之外，合金 可进行焊接而腐蚀性能几乎没有或没有降低。这种合金还可含有0.1-0.5 重量％的硅以更大地改进机械强度。所述合金还能代替ASTM 3和4级，用 于含氯化物的环境中而没有应力腐蚀裂紋的潜在问题。附图的简要说明附图说明图1是表明碳和硅对机械性能影响的条形图； 图2是Ti-lC合金放大200倍的显微照片；和 图3是Ti-2C合金类似于图2的显微照片。优选实施方案和具体实施例在进行本专利技术的实验工作中，使用不同碳含量的钛合金进行机械性能 实验，实验取得优异结果。正如图1所示，用少量碳合金化可使机械强度 提高最高达40%，所产生的合金的强度，与ASTM3级相同或更高。另外，如图1所示，用碳和硅合金化，与工业纯2级钛相比，可使屈 服强度有更大的提高，产生的合金强度大于ASTM3级。在进行本专利技术的实验工作中，还使用不同碳含量的钛合金进行通常的 腐蚀试验，实验取得优异结果。正如表1和2中所示，本专利技术的实际应用， 比未合金化的钛有效得多。正如表2所示，具有2重量％碳的合金，能提供与市场可购得的最耐腐蚀性钛合金的ASTM 7级(Ti-0.15Pd)钬相等的耐腐蚀性。另外，表2就一些含焊接的碳合金的腐蚀速率作了比较。正如结果表 明的，当焊接这些碳合金时，腐蚀性没有出现多少降低，而这一点对有焊 接的任何钛容器、热交换器或其它构件的加工来说，是一个重要方面。表1 丁i-C合金在沸腾盐酸中的腐蚀速率<table>table see original document page 6</column></row><table>注腐蚀速率全部用mpy(密耳/年)表示同样，在实施本专利技术中，腐蚀速率在氧化性酸中也能降低。这示于用浓硝酸的表3中。在这个例子中，钛与碳的合金性能大大优于ASTM 7级 (Ti-PGM合金)；在强氧化性酸中，ASTM 7级未提供优于工业纯2级的另 外保护。添加0.15重量％这样少的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与工业纯ＡＳＴＭ２级钛相比具有改进的耐腐蚀性的钛合金，所述合金利用碳作为主要合金元素以产生所述改进的耐腐蚀性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯S格劳曼，斯蒂芬P福克斯，斯泰西L尼雅加纳，
申请(专利权)人：钛金属公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]