CN109022908B - 一种海洋用耐腐蚀钛合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋用耐腐蚀钛合金，主要用于制造海上采油管、接头等海洋工程装备。本发明各合金重量百分比组成为：Al为5.0‑7.0％，V为3.0‑5.0％，Ni为0.2‑0.8％，Nb为0.2‑0.8％，Ru为0.02‑0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明所提供的中强耐腐蚀钛合金增加了耐腐蚀元素Ni和Nb，并降低了贵金属Ru的含量，使合金在保持原有的中等强度同时，其耐腐蚀性能明显提高，性能更为优良，室温抗拉强度σb≥900MPa，屈服强度σ0.2≥850MPa,延伸率δ5≥10％,ψ≥40％,3.5％NaCl水溶液室温环境下断裂韧性K1scc≥70MPa

Description

一种海洋用耐腐蚀钛合金
技术领域
本发明涉及一种海洋用耐腐蚀钛合金，主要用于制造海上采油管、接头等海洋工程装备。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，海洋空间与资源不仅成为世界军事和经济竞争日益激烈的重要领域，而且将成为人类赖以生存、社会籍以发展、濒海国家持续安泰昌盛的战略空间和基地。先进的海洋工程装备是建设海洋强国的迫切需求，而先进的材料是研制先进的海洋工程装备的基础。随着海洋工程装备产业发展的逐步深入，特别是深海战略的推进，对材料提出了更高的要求，要求材料耐蚀性能好、比强度高。钛合金具有优良的耐海水腐蚀性能，适宜在海洋环境中应用，而其高的比强度可以提供更大的浮力，是理想的海洋工程材料。海上采油的设备庞大，同时采油设备特别是深海的环境十分恶劣，开采难度大，风险高，海水腐蚀、浪涌、洋流环境、海洋涡激振动和深水压力等对材料要求苛刻，需要强度高、耐腐蚀加工性能好、无磁等综合性能优良的钛合金材料制造海上石油平台支柱、钻杆、探测杆、螺杆钻具挠轴、采油管、接头、提升钻具装置、钻探助推器、取样室及水下安全阀门等海洋工程装备。
在海上石油勘探和开采方面，通常采用耐腐蚀钢制备采油管、接头、钻杆等海洋工程装备，但是由于钢的密度大，造成海上作业平台负重增加，且采用耐腐蚀钢材制备的设备在深海环境下钻采时表面抗海水、盐雾和油气等复杂环境的腐蚀性能和疲劳性能急剧下降，同时因其焊接工艺复杂及制造、维护成本较高，目前在海洋平台中的应用较少。因此，高强轻量化将是海洋工程装备用材的主要发展趋势，目前海洋工程装备多采用密度低、比强度高、耐腐蚀性能好的钛合金材料来代替钢材，制备近海石油平台支柱、钻井立管、管道、应力接头、采油管等。
发明内容
本发明的目的是针对现有钛合金材料在海洋环境中应用技术存在的不足，提出一种海洋用耐腐蚀钛合金金。
本发明的技术解决方案是：一种海洋用耐腐蚀钛合金中各合金重量百分比组成为：Al为5.0-7.0％，V为3.0-5.0％，Ni为0.2-0.8％，Nb为0.2-0.8％，Ru为0.02-0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。
各合金重量百分比组成为：Al为5.0-7.0％，V为3.0-5.0％，Ni为0.3-0.7％，Nb为0.3-0.7％，Ru为0.03-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
各合金重量百分比组成为：Al为5.5-6.5％，V为3.5-4.5％，Ni为0.3-0.7％，Nb为0.3-0.7％，Ru为0.03-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
各合金重量百分比组成为：Al为5.5-6.5％，V为3.5-4.5％，Ni为0.4-0.6％，Nb为0.4-0.6％，Ru为0.04-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
各合金重量百分比组成为：Al为6.0％，V为4.0％，Ni为0.4-0.6％，Nb为0.4-0.6％，Ru为0.04-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
各合金重量百分比组成为：Al为6.0％，V为4.0％，Ni为0.5％，Nb为0.5％，Ru为0.05％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本发明具有的优点和有益效果：本发明所提供的一种海洋用耐腐蚀钛合金，通过添加了耐腐蚀元素Ni和Nb，同时降低了贵金属Ru的含量，使合金在保持一定的中等强度的同时，其在海洋环境和油气环境下的耐腐蚀性能明显提高，性能更为优良，室温抗拉强度σb≥900MPa，屈服强度σ0.2≥850MPa,延伸率δ5≥10％,ψ≥40％,3.5％NaCl水溶液室温环境下断裂韧性
Figure BDA0001737772960000021
本发明提供的一种海洋用耐腐蚀钛合金采用了三次真空自耗熔炼工艺，以及高低高锻造工艺，有利于工业化生产。其中Al、V、Ru各组元采用中间合金的形式配入，Ni和Nb采用纯金属形式配入，原料经均匀混制后制备成电极，经真空自耗电弧熔炼成锻造用的铸锭，在水压机或快锻机上锻造成棒料。
具体实施方式
一种海洋用耐腐蚀钛合金中各合金重量百分比组成为：Al为5.0-7.0％，V为3.0-5.0％，Ni为0.2-0.8％，Nb为0.2-0.8％，Ru为0.02-0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质。
采用Al-65V、Al-63V-5Ru中间合金、纯Ni、纯Nb以及海绵钛等原材料，按照Al为5.0-7.0％，V为3.0-5.0％，Ni为0.2-0.8％，Nb为0.2-0.8％，Ru为0.02-0.07％，Ti余量的重量百分比配料、压制电极，经真空自耗电弧炉三次熔炼得到钛合金铸锭，采用水压机或快锻机，按照高低高锻造工艺进行开坯、锻造，最终采用两相区锻造成直径为Φ320mm的棒材。
实施例1
采用Al-65V、Al-63V-5Ru中间合金、纯Ni、纯Nb以及海绵钛等原材料，按照Al：5.0％，V：3.0％，Ni：0.2％，Nb：0.2％，Ru：0.07％，Ti余量的重量百分比配料，经真空自耗电弧炉三次熔炼得到铸锭，将铸锭锻造为Φ320mm的棒材，棒材经760℃/2h/AC退火后测试性能，数据见表1、表2。
表1实施例1棒材室温拉伸性能
序号 σ<sub>b</sub>,MPa σ<sub>0.2</sub>,MPa δ<sub>5</sub>,％ ψ,％
1 920 898 13.6 53.6
2 915 870 14.0 56.9
3 936 910 11.7 49.4
表2实施例1的棒材断裂性能(3.5％NaCl水溶液室温环境)
Figure BDA0001737772960000031
实施例2
采用Al-65V、Al-63V-5Ru中间合金、纯Ni、纯Nb以及海绵钛等原材料，按照Al：6.0％，V：4.0％，Ni：0.6％，Nb：0.6％，Ru：0.05％，Ti余量的重量百分比配料，经真空自耗电弧炉三次熔炼得到铸锭，将铸锭按照高低高工艺锻造为Φ320mm的棒材，棒材经760℃/2h/AC退火后测试性能，数据见表3、表4。
表3实施例2棒材室温拉伸性能
序号 σ<sub>b</sub>,MPa σ<sub>0.2</sub>,MPa δ<sub>5</sub>,％ ψ,％
1 949 924 12.5 50.6
2 927 900 14.9 66.8
3 937 917 13.7 59.9
表4实施例2的棒材断裂性能(3.5％NaCl水溶液室温环境)
Figure BDA0001737772960000032
实施例3
采用Al-65V、Al-63V-5Ru中间合金、纯Ni、纯Nb以及海绵钛等原材料，按照Al：7.0％，V：5.0％，Ni：0.7％，Nb：0.7％，Ru：0.06％，Ti余量的重量百分比配料，经真空自耗电弧炉三次熔炼得到铸锭，将铸锭按照高低高工艺锻造为Φ320mm的棒材，棒材经760℃/2h/AC退火后测试性能，数据见表5、表6。
表5实施例3棒材室温拉伸性能
序号 σ<sub>b</sub>,MPa σ<sub>0.2</sub>,MPa δ<sub>5</sub>,％ ψ,％
1 968 940 11.2 46.8
2 939 908 13.6 56.6
3 945 927 11.5 49.5
表6实施例3的棒材断裂性能(3.5％NaCl水溶液室温环境)
Figure BDA0001737772960000041
实施例4
采用Al-65V、Al-63V-5Ru中间合金、纯Ni、纯Nb以及海绵钛等原材料，按照Al：5.5％，V：4.5％，Ni：0.8％，Nb：0.8％，Ru：0.02％，Ti余量的重量百分比配料，经真空自耗电弧炉三次熔炼得到铸锭，将铸锭按照高低高工艺锻造为Φ320mm的棒材，棒材经760℃/2h/AC退火后测试性能，数据见表7、表8。
表7实施例4棒材室温拉伸性能
序号 σ<sub>b</sub>,MPa σ<sub>0.2</sub>,MPa δ<sub>5</sub>,％ ψ,％
1 955 948 12.5 47.5
2 949 933 13.8 52.7
3 952 937 11.7 49.8
表8实施例4的棒材断裂性能(3.5％NaCl水溶液室温环境)
Figure BDA0001737772960000042
Figure BDA0001737772960000051
实施例5
采用Al-65V、Al-63V-5Ru中间合金、纯Ni、纯Nb以及海绵钛等原材料，按照Al：6.5％，V：3.5％，Ni：0.5％，Nb：0.5％，Ru：0.03％，Ti余量的重量百分比配料，经真空自耗电弧炉三次熔炼得到铸锭，将铸锭按照高低高工艺锻造为Φ320mm的棒材，棒材经760℃/2h/AC退火后测试性能，数据见表9、表10。
表9实施例5棒材室温拉伸性能
序号 σ<sub>b</sub>,MPa σ<sub>0.2</sub>,MPa δ<sub>5</sub>,％ ψ,％
1 938 922 15.7 53.3
2 930 913 16.1 50.0
3 943 930 14.6 48.5
表10实施例5的棒材断裂性能(3.5％NaCl水溶液室温环境)
Figure BDA0001737772960000052

Claims (6)

1.一种海洋用耐腐蚀钛合金，其特征在于，各合金重量百分比组成为：Al为5.0-7.0％，V为3.0-5.0％，Ni为0.3-0.6％，Nb为0.2-0.8％，Ru为0.02-0.07％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述海洋用耐腐蚀钛合金室温抗拉强度σb≥900MPa，屈服强度σ0.2≥850MPa,延伸率δ5≥10％,ψ≥40％,3.5％NaCl水溶液室温环境下断裂韧性
Figure FDA0002611796580000011
2.根据权利要求1所述的一种海洋用耐腐蚀钛合金金，其特征在于，各合金重量百分比组成为：Al为5.0-7.0％，V为3.0-5.0％，Ni为0.3-0.6％，Nb为0.3-0.7％，Ru为0.03-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种海洋用耐腐蚀钛合金金，其特征在于，各合金重量百分比组成为：Al为5.5-6.5％，V为3.5-4.5％，Ni为0.3-0.6％，Nb为0.3-0.7％，Ru为0.03-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种海洋用耐腐蚀钛合金金，其特征在于，各合金重量百分比组成为：Al为5.5-6.5％，V为3.5-4.5％，Ni为0.4-0.6％，Nb为0.4-0.6％，Ru为0.04-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种海洋用耐腐蚀钛合金金，其特征在于，各合金重量百分比组成为：Al为6.0％，V为4.0％，Ni为0.4-0.6％，Nb为0.4-0.6％，Ru为0.04-0.06％，余量为Ti和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的一种海洋用耐腐蚀钛合金金，其特征在于，各合金重量百分比组成为：Al为6.0％，V为4.0％，Ni为0.5％，Nb为0.5％，Ru为0.05％，余量为Ti和不可避免的杂质。
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