CN113444918B - 一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金 - Google Patents

一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，该合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 4%~6%，V 4%~6%，Cr 7%~9%，Al不大于1.5%，余量为Ti及不可避免的杂质；钛合金经固溶时效处理后的抗拉强度不小于1000MPa，屈服强度为不小于900MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.1mm/a。本发明通过优化β稳定元素及其配比设计的新型钛合金，成分简单且不易发生偏析，组织均匀且稳定，具有优异的冷热加工性，易于制备，与已有的钛合金相比，抗硝酸腐蚀性能提升，同时抗拉强度和屈服强度均有大幅提高，应用于核电及化工工程设备，具有良好的应用前景。

Description

一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金
技术领域
本发明属于耐硝酸腐蚀钛合金技术领域，具体涉及一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金。
背景技术
在核乏燃料后处理设备结构件的选材上，早期采用的是耐硝酸不锈钢，然而随着核燃料消耗程度的加深，这些材料存在晶间腐蚀以及焊接接头根部腐蚀等现象，难以满足长期使用的工况要求。随着动力堆燃料中U235浓度的提高和燃耗的加深，其乏燃料中产生的超铀元素和裂变产物的含量有所升高，从而又增强了硝酸溶液的腐蚀性。因此采用耐蚀性能更强的新型材料来替代超低碳不锈钢是国际上普遍认同的发展方向，将成为必然的趋势。近年来主要核电国家相继开发出了Ti-Ta系、Ti-Ta-Nb系合金，耐硝酸腐蚀性能优异。我国在20世纪90年代开展了Ti-Ta系钛合金研发，获得了Ti35合金（Ti-6%Ta）和Ti55合金，其强度分布为350MPa-500MPa和400MPa-600MPa。然而在后处理工程某些工况环境下，如齿形转轮、喷射泵、阀体等关键部件中，除耐硝酸腐蚀外，其强度需达到900MPa以上，现有后处理用耐蚀钛合金力学性能不满足要求，而基于β元素强化开发出的航空航天用β型高强钛合金具有良好的力学性能，但其无法满足后处理工业中耐沸腾硝酸的严苛工况要求。
增加钛合金中β稳定元素含量是提高强度的基本方法，β稳定元素在起到固溶强化作用的同时，还可以保留较多的亚稳β相，通过时效分解从而提高析出强化效果。因此需要在Ti-Ta系耐蚀钛合金的基础上，选择合适的强化元素，发展新型耐硝酸腐蚀高强钛合金，用于浓硝酸以及沸腾浓硝酸环境中，对我国后处理工业具有重要影响。
因此需要提供一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，用于浓硝酸以及沸腾浓硝酸环境中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金。该钛合金通过优化β稳定元素及其配比设计的新型钛合金，不但具有1000MPa级的拉伸强度，同时具有优良的耐硝酸腐蚀性能，应用于核电及化工工程设备，具有良好的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 4%~6%，V 4%~6%，Cr 7%~9%，Al不大于1.5%，余量为Ti及不可避免的杂质；所述钛合金经固溶时效处理后的抗拉强度不小于1000MPa，屈服强度为不小于900MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.1mm/a。
本发明在Ti-Ta耐蚀钛合金和常用强化元素的基础上，考虑添加元素对耐蚀性能的影响，优选了V元素和Cr元素，未选择Mo元素和Fe元素，Mo元素和Fe元素虽然强化效果高，但Mo元素熔点高，Fe元素易偏析，不耐硝酸腐蚀，加入后会增加熔炼难度和降低材料腐蚀性能，通过添加V元素和Cr元素的加入不但可提高材料的强度，其强氧化性也有助于腐蚀性能，本发明中加入了较多的低成本强化元素Cr，Cr的加入也有助于合金耐硝酸腐蚀性能的提高。
上述的一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5%，V 5%，Cr 8%，Al 0.9%，余量为Ti及不可避免的杂质。
上述的一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6%，V 6%，Cr 7%，Al 1.0%，余量为Ti及不可避免的杂质。
上述的一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，所述固溶时效处理中固溶处理的温度为750℃~850℃，时效处理的温度为500℃~550℃。本发明通过固溶时效处理，使钛合金获得再结晶组织，保证了钛合金的显微组织更加均匀和细小，提升了钛合金的性能，通过分别控制固溶时效处理的参数，保证了钛合金获得最优的固溶时效处理效果，从而保证了固溶时效处理后的钛合金具有优异的抗拉强度、屈服强度、耐蚀性能和冲击韧性，避免了温度过低导致的无法实现再结晶的不足，避免了温度过高超过钛合金相变温度导致的晶粒剧烈长大的不足，避免了保温时间过短导致的结晶不完全的不足，避免了保温时间过长导致的组织可能发生进一步的粗化的不足。
本发明的1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将海绵钛、Ti-Ta中间合金、Al-V中间合金和电解Cr粉混合后压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行真空自耗电弧三次熔炼，得到合金锭；
步骤三、将步骤二中得到的合金锭依次进行扒皮、切冒口和切尾端，然后在锻造机上依次进行开坯锻造、多火次中间锻造和成品锻造，得到耐硝酸腐蚀钛合金；所述开坯锻造的温度为1050℃~1150℃，所述多火次中间锻造的温度为900℃~980℃，所述成品锻造的温度为780℃~900℃。
本发明中Al元素含量为所添加Al-V中间合金所含Al含量，Al元素不额外添加，熔炼工艺简单。另外，V元素的加入采用了Al-V中间合金，而不是纯V，可以降低合金成本和提高铸锭的熔炼质量，
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，固溶时效强化后，合金的抗拉强度不小于1000MPa，屈服强度不小于900MPa，延伸率不小于10%，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率不大于0.1mm/a；本发明通过优化β稳定元素及其配比设计的新型钛合金，不但具有1000MPa级的拉伸强度，同时具有优良的耐硝酸腐蚀性能，应用于核电及化工工程设备，具有良好的应用前景。
2、本发明耐硝酸腐蚀钛合金易于制备，成分简单且不易发生偏析，组织均匀且稳定，具有优异的冷热加工性，能够制成棒材、铸件、板材、管材和锻件等加工产品，适用于核工业及化工领域相关装备的制造。
3、本发明耐硝酸腐蚀钛合金与已有的钛合金相比，抗硝酸腐蚀性能提升，同时抗拉强度和屈服强度均有大幅提高，满足了硝酸腐蚀环境中传动类部件的制造要求。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例的1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，由以下质量百分数的成分组成：Ta5.0%，V 5.0%，Cr 8.0%，Al 0.9%余量为Ti及不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将海绵钛、Ti-Ta中间合金、Al-V中间合金和电解Cr粉混合后压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行真空自耗电弧三次熔炼，得到合金锭；
步骤三、将步骤二中得到的合金锭依次进行扒皮、切冒口和切尾端，然后在锻造机上依次进行开坯锻造、多火次中间锻造和成品锻造，得到耐硝酸腐蚀钛合金；所述开坯锻造的温度为1050℃，所述多火次中间锻造的温度为900℃，所述成品锻造的温度为780℃；所述耐硝酸腐蚀钛合金为直径85mm的棒材；
步骤四、将步骤三中得到的耐硝酸腐蚀钛合金进行固溶时效处理，得到固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金；所述固溶处理的温度为750℃，时效处理的温度为500℃。
经检测，本实施例制备的固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金的抗拉强度为1045MPa，屈服强度为960MPa，延伸率为14%，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.08mm/a。
实施例2
本实施例的1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，由以下质量百分数的成分组成：Ta6.0%，V 6.0%、Cr 7.0%，Al 1.0%余量为Ti及不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将海绵钛、Ti-Ta中间合金、Al-V中间合金和电解Cr粉混合后压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行真空自耗电弧三次熔炼，得到合金锭；
步骤三、将步骤二中得到的合金锭依次进行扒皮、切冒口和切尾端，然后在锻造机上依次进行开坯锻造、多火次中间锻造和成品锻造，得到耐硝酸腐蚀钛合金；所述开坯锻造的温度为1150℃，所述多火次中间锻造的温度为980℃，所述成品锻造的温度为820℃；所述耐硝酸腐蚀钛合金为直径120mm的棒材；
步骤四、将步骤三中得到的耐硝酸腐蚀钛合金进行固溶时效处理，得到固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金；所述固溶处理的温度为850℃，时效处理的温度为550℃。
经检测，本实施例制备的固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金的抗拉强度为1080MPa，屈服强度为1025MPa，延伸率为12%，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.06mm/a。
实施例3
本实施例的1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，由以下质量百分数的成分组成：Ta4.0%，V 4.0%、Cr 9.0%，Al 0.7%余量为Ti及不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将海绵钛、Ti-Ta中间合金、Al-V中间合金和电解Cr粉混合后压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行真空自耗电弧三次熔炼，得到合金锭；
步骤三、将步骤二中得到的合金锭依次进行扒皮、切冒口和切尾端，然后在锻造机上依次进行开坯锻造、多火次中间锻造和成品锻造，得到耐硝酸腐蚀钛合金；所述开坯锻造的温度为1100℃，所述多火次中间锻造的温度为950℃，所述成品锻造的温度为900℃；所述耐硝酸腐蚀钛合金为直径320mm的棒材；
步骤四、将步骤三中得到的耐硝酸腐蚀钛合金进行固溶时效处理，得到固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金；所述固溶处理的温度为800℃，时效处理的温度为530℃。
经检测，本实施例制备的固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金的抗拉强度为1060MPa，屈服强度为1000MPa，延伸率为12%，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.08mm/a。
实施例4
本实施例的1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，由以下质量百分数的成分组成：Ta5.0%，V 6.0%、Cr 7.0%，Al 1.0%余量为Ti及不可避免的杂质。
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将海绵钛、Ti-Ta中间合金、Al-V中间合金和电解Cr粉混合后压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行真空自耗电弧三次熔炼，得到合金锭；
步骤三、将步骤二中得到的合金锭依次进行扒皮、切冒口和切尾端，然后在锻造机上依次进行开坯锻造、多火次中间锻造和成品锻造，得到耐硝酸腐蚀钛合金；所述开坯锻造的温度为1130℃，所述多火次中间锻造的温度为930℃，所述成品锻造的温度为850℃；所述耐硝酸腐蚀钛合金为直径160mm的棒材；
步骤四、将步骤三中得到的耐硝酸腐蚀钛合金进行固溶时效处理，得到固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金；所述固溶处理的温度为790℃，时效处理的温度为520℃。
经检测，本实施例制备的固溶时效处理后的耐硝酸腐蚀钛合金的抗拉强度为1030MPa，屈服强度为980MPa，延伸率为13%，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中腐蚀速率为0.06mm/a。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 4％～6％，V 4％～6％，Cr 7％～9％，Al不大于1.5％，余量为Ti及不可避免的杂质；
所述钛合金的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将海绵钛、Ti-Ta中间合金、Al-V中间合金和电解Cr粉混合后压制，得到电极；
步骤二、将步骤一中得到的电极进行真空自耗电弧三次熔炼，得到合金锭；
步骤三、将步骤二中得到的合金锭依次进行扒皮、切冒口和切尾端，然后在锻造机上依次进行开坯锻造、多火次中间锻造和成品锻造，得到耐硝酸腐蚀钛合金；所述开坯锻造的温度为1050℃～1150℃，所述多火次中间锻造的温度为900℃～980℃，所述成品锻造的温度为780℃～900℃；
所述钛合金经固溶时效处理后的抗拉强度不小于1000MPa，屈服强度为不小于900MPa，在浓度为6mol/L的沸腾硝酸溶液中的腐蚀速率不高于0.1mm/a；所述固溶时效处理中固溶处理的温度为750℃～850℃，时效处理的温度为500℃～550℃。
2.根据权利要求1所述的一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 5％，V 5％，Cr 8％，Al 0.9％，余量为Ti及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种1000MPa级耐硝酸腐蚀钛合金，其特征在于，该钛合金由以下质量百分数的成分组成：Ta 6％，V 6％，Cr 7％，Al 1.0％，余量为Ti及不可避免的杂质。
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