CN115233034A

CN115233034A - 耐海洋环境腐蚀接地材料、耐氯离子腐蚀合金及制备方法

Info

Publication number: CN115233034A
Application number: CN202210899784.0A
Authority: CN
Inventors: 黄友聪; 傅智为; 郑钟楠; 张莹; 许军; 连鸿松; 王晓杰; 陈少康; 方超颖; 谢文炳; 吴文斌; 王宁燕
Original assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co Ltd
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2042-07-28
Also published as: CN115233034B

Abstract

本发明公开了一种耐海洋环境腐蚀接地材料、耐氯离子腐蚀合金及制备方法。该方法的具体实施过程为：采用纯度为99.9%的Nb、Mo、Zr、Fe、C和Ti为原料，在WK‑Ⅱ型真空电弧炉中进行熔炼。按质量百分比计算，合金成分为Nb 4~6%，Mo 2~4%，Zr 0.4~0.6%，Fe 0.03~0.05%，C 0.01~0.02%，余量为Ti，称之为Ti‑Mo‑Nb合金。与现有的Ti‑Mo合金相比，本发明所制备的Ti‑Mo‑Nb合金在模拟海水环境中的耐蚀性能更为优异，Nb元素是一种稳定β相元素，提高了钛合金在模拟海水溶液环境中的钝化能力，为电力系统接地材料的选材提供了更多的可能。

Description

耐海洋环境腐蚀接地材料、耐氯离子腐蚀合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐海洋环境腐蚀接地材料、耐氯离子腐蚀合金及其制备方法，属于新型合金材料及其制备技术领域。

背景技术

我国东部沿海地区对于电力资源需求量较大，因此电力设备的安全性能需要引起我们足够的重视。接地材料是电力设备中的关键部件，可以有效防止雷击、静电等造成的电力设备损坏。东部沿海地区的海洋环境容易造成镀锌钢等接地材料的损坏，进而导致电力设备的服役时间缩短，提高了电力系统的维护成本。为了提高接地材料的实用寿命，需要我们开发新型耐海洋环境腐蚀材料。

海洋环境中含有大量氯离子，氯离子与钢制材料接触容易引发点蚀，进而导致材料出现失效。钛合金一般由α和β两相组成，在海洋环境中不易出现点蚀现象，且其失效方式主要为微原电池腐蚀，腐蚀过程中主要以α相的阳极腐蚀为主。所以，提高β相的比例可以提高Ti-Mo合金的耐蚀性能，但目前关于添加Nb元素提高Ti-Mo合金在海洋环境中的耐蚀性能还未见报道，因此开发Ti-Mo-Nb合金对于提升接地材料的安全性能具有重要的意义。

发明内容

本发明旨在开发一种耐海洋环境腐蚀接地材料、一种耐氯离子腐蚀合金材料，通过添加Nb改善Ti-Mo合金的微观组织和耐蚀性能，同时提供相应的制备方法。

一种耐海洋环境腐蚀接地材料，所述耐海洋环境腐蚀接地材料为Ti-Mo-Nb合金，按质量百分比计算，包括Nb 4~6%，Mo 2~4%，Zr 0.4~0.6%，Fe 0.03~0.05%，C 0.01~0.02%，余量为Ti。

进一步的，所述的Ti-Mo-Nb合金的主晶相为α相和β相。

进一步的，所述的Ti-Mo-Nb合金中β相的比例为90%以上。

一种耐氯离子腐蚀合金材料，所述耐氯离子腐蚀合金材料为Ti-Mo-Nb合金，按质量百分比计算，包括Nb 4~6%，Mo 2~4%，Zr 0.4~0.6%，Fe 0.03~0.05%，C 0.01~0.02%，余量为Ti。

进一步的，所述的Ti-Mo-Nb合金的主晶相为α相和β相。

进一步的，所述的Ti-Mo-Nb合金中β相的比例为90%以上。

一种耐海洋环境腐蚀接地材料或耐氯离子腐蚀合金材料制备方法， Ti-Mo-Nb合金的制备过程在真空电弧炉中进行，具体操作包括如下步骤：

步骤一，原料准备：金属原料进行预处理去除表面氧化皮；

步骤二，熔炼前准备：(1)在坩埚中心的熔炼池放入Zr球，把需要熔炼的Nb、Mo、Zr、Fe、C和Ti原料放入其它熔炼池内；(2)真空电弧炉抽真空，抽真空后向真空电弧炉中通入氩气；

步骤三，熔炼：将钨电极旋转至与坩埚距离3-5 mm处，打开电源开关，调小电流，按下引弧开关，将电弧移动到Zr球上，再按一次引弧开关稳弧，熔炼Zr球3-5次，消耗掉炉内残余氧气，之后开始熔炼Ti-Mo-Nb合金，熔炼过程中反复熔炼8-10次，并开启磁搅拌功能，确保熔炼的合金成分均匀；

步骤四，随炉冷却得到合金锭，即为所述的耐海洋环境腐蚀接地材料Ti-Mo-Nb合金。

进一步的，Ti-Mo-Nb合金采用纯度为99.99%的原料进行制备。

进一步的，步骤一中，金属原料的预处理操作为：金属原料首先用砂纸进行打磨，去除表面的氧化皮，打磨之后用无水乙醇进行超声处理。

进一步的，步骤二中，在坩埚中心的熔炼池放入Zr球之前还包括，用无水乙醇清洗熔炼池、炉壁和钨极头表面。

本发明的优点和有益效果在于：

1.本发明的Ti-Mo-Nb合金具有α和β两种相结构，Nb增加了合金中的β相比例，使β相比例提高到90%以上，改善了其显微组织结构和性能。

2.本发明的Ti-Mo-Nb合金在3.5 wt.% NaCl溶液中具有优异的耐蚀性，在测试温度30℃下，其腐蚀电流密度约为0.237 μm/cm²，极化电阻约为303200 Ω·cm²，耐蚀性能相对于Ti-Mo合金有大幅提升。

附图说明

图1为本发明的Ti-Mo-Nb合金和Ti-Mo合金XRD图谱；

图2为本发明的Ti-Mo-Nb合金和Ti-Mo合金的微观组织图；

图3为本发明的Ti-Mo-Nb合金和Ti-Mo合金在30℃、3.5 wt.% NaCl溶液中的极化曲线；

图4为本发明的Ti-Mo-Nb合金和Ti-Mo合金在30℃、3.5 wt.% NaCl溶液中的阻抗谱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的Ti-Mo-Nb合金作出进一步的说明，但本发明的保护范围不限于实施例内容。

实施例1

本发明提供了一种含有Nb的耐腐蚀Ti-Mo-Nb合金，通过添加Nb元素，改善了Ti-Mo合金的微观组织和耐蚀性。该Ti-Mo-Nb合金的相组成特点为α和β两相，表现出均匀的组织结构特点。本发明研究发现Nb元素增加了钛合金体系中β相的比例，同时显著提升了钛合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的耐蚀性能。具体的，所述耐海洋环境腐蚀接地材料为Ti-Mo-Nb合金，按质量百分比计算，包括Nb 4~6%，Mo 2~4%，Zr 0.4~0.6%，Fe 0.03~0.05%，C 0.01~0.02%，余量为Ti。

本发明还提供了一种耐海洋环境腐蚀接地材料、耐氯离子腐蚀合金材料的制备方法，所述的Ti-Mo-Nb合金的制备过程在WK-Ⅱ型真空电弧炉中进行，具体制备步骤如下：

步骤一，原料准备：为避免杂质对耐蚀性能可能带来的影响，Ti-Mo-Nb合金采用纯度为99.99%的原料进行制备，确保制备出的样品测试结果可靠。称量之前对原料进行预处理，金属原料首先用砂纸进行打磨，目的是为了去除表面的氧化皮，防止熔炼过程中带入氧元素，打磨之后用无水乙醇进行超声处理，确保原料表面光洁。采用精度为0.1 mg的天平对原料进行称量，称量过程中的误差控制在0.005 g之内。

步骤二，熔炼前准备：(1)熔炼之前首先用无水乙醇清洗熔炼池、炉壁和钨极头表面，确保熔炼炉中无任何杂质。在坩埚中心的熔炼池放入Zr球，把需要熔炼的Nb、Mo、Zr、Fe、C和Ti原料放入其它熔炼池内，拧紧炉子。(2)由于空气中有大量氧气的存在，为了确保合金的纯度，熔炼之前要进行抽真空。缓慢打开旁抽阀和真空计，当右侧示数显示小于5 Pa时，关闭旁抽阀，此时由于内部压力减小要重新旋紧炉门。打开隔断阀开关，观察两个表示数均小于5 Pa后，打开分子泵电源，使分子泵运转，当左侧真空度达到5×10^-4 Pa以下，关闭隔断阀。抽气过程重复三次，确保真空度达到熔炼要求。然后缓慢通入氩气，准备熔炼。

步骤三，熔炼：将钨电极旋转至与铜坩埚距离3-5 mm，打开电源开关，调小电流，按下引弧开关，将电弧移动到Zr球上，再按一次引弧开关稳弧，熔炼Zr球3-5次，消耗掉炉内残余氧气，同时观察Zr球的颜色，如果Zr球表面光亮则表明真空度良好，可以开始熔炼Ti-Mo-Nb合金。熔炼过程中反复熔炼8-10次，并开启磁搅拌功能，确保熔炼的合金成分均匀。

步骤四，熔炼结束将电流调至最小，关闭引弧，再关闭开关，升高钨电极，让炉子充分冷却，防止样品在空气中氧化，冷却结束后得到纽扣锭，即为所述的耐海洋环境腐蚀接地材料Ti-Mo-Nb合金。

上述步骤二中，在一个熔炼池中单独放入Zr球，在另一个熔炼池中放入合金原料Nb、Mo、Zr、Fe、C和Ti原料；在一个熔炼池中单独放入Zr球的目的是为了消除反应体系中的氧气。

实施例2

一种耐海洋环境腐蚀的接地材料Ti-Mo-Nb合金，其成分按质量百分比计算，包括Nb 5%，Mo 3%，Zr 0.5%，Fe 0.04%，C 0.01%，余量为Ti。

一种耐海洋环境腐蚀的接地材料Ti-Mo-Nb合金的制备方法包括如下步骤：

步骤三，熔炼：将钨电极旋转至与铜坩埚距离3 mm，打开电源开关，调小电流，按下引弧开关，将电弧移动到Zr球上，再按一次引弧开关稳弧，熔炼Zr球3次，消耗掉炉内残余氧气，同时观察Zr球的颜色，如果Zr球表面光亮则表明真空度良好，可以开始熔炼Ti-Mo-Nb合金。熔炼过程中反复熔炼8次，并开启磁搅拌功能，确保熔炼的合金成分均匀。

步骤四，熔炼结束将电流调至最小，关闭引弧，再关闭开关，升高钨电极，让炉子充分冷却，防止样品在空气中氧化，冷却结束后得到纽扣锭，即为Ti-Mo-Nb合金。

对比例1

作为对比材料的普通Ti-Mo合金成分按照质量百分比计，包括Mo 3%，Zr 0.5%，Fe0.04%，C 0.01%，余量为Ti。制备方法如下：

步骤一，原料准备：为避免杂质对耐蚀性能可能带来的影响，Ti-Mo合金采用纯度为99.99%的原料进行制备，确保制备出的样品测试结果可靠。称量之前对原料进行预处理，金属原料首先用砂纸进行打磨，目的是为了去除表面的氧化皮，防止熔炼过程中带入氧元素，打磨之后用无水乙醇进行超声处理，确保原料表面光洁。采用精度为0.1 mg的天平对原料进行称量，称量过程中的误差控制在0.005 g之内。

步骤二，熔炼前准备：熔炼前准备：(1)熔炼之前首先用无水乙醇清洗熔炼池、炉壁和钨极头表面，确保熔炼炉中无任何杂质。在坩埚中心的熔炼池放入Zr球，把需要熔炼的Mo、Zr、Fe、C和Ti原料放入其它熔炼池内，拧紧炉子。(2)由于空气中有大量氧气的存在，为了确保合金的纯度，熔炼之前要进行抽真空。缓慢打开旁抽阀和真空计，当右侧示数显示小于5 Pa时，关闭旁抽阀，此时由于内部压力减小要重新旋紧炉门。打开隔断阀开关，观察两个表示数均小于5 Pa后，打开分子泵电源，使分子泵运转，当左侧真空度达到5×10^-4 Pa以下，关闭隔断阀。抽气过程重复三次，确保真空度达到熔炼要求。然后缓慢通入氩气，准备熔炼。

步骤三，熔炼：将钨电极旋转至与铜坩埚距离3 mm，打开电源开关，调小电流，按下引弧开关，将电弧移动到Zr球上，再按一次引弧开关稳弧，熔炼Zr球3次，消耗掉炉内残余氧气，同时观察Zr球的颜色，如果Zr球表面光亮则表明真空度良好，可以开始熔炼Ti-Mo合金。熔炼过程中反复熔炼8次，并开启磁搅拌功能，确保熔炼的合金成分均匀。

步骤四，熔炼结束将电流调至最小，关闭引弧，再关闭开关，升高钨电极，让炉子充分冷却，防止样品在空气中氧化，冷却结束后得到纽扣锭，即为Ti-Mo合金。

Ti-Mo-Nb合金和Ti-Mo合金性能测试分析，结果如表1所示：

表1 相比例及腐蚀性能对比

参见图1，XRD图谱表明，Nb含量添加后β相含量由45%提升至98%，从图2的微观组织图的金相结果也可看出Ti-Mo-Nb合金的β相明显增多，几乎看不到α相，Nb含量的添加显著提高了β相的比例。

采用Princeton VersaSTAT 3F 电化学工作站进行电化学测试，测试后Ti-Mo-Nb合金腐蚀电流密度约为0.237 μm/cm²，极化电阻约为303200 Ω·cm²，Ti-Mo合金腐蚀电流密度约为腐蚀电流密度约为2.635 μm/cm²，极化电阻约为126200 Ω·cm²，添加Nb含量后腐蚀电流密度为原始的9%，极化电阻为原始的2.4倍，表明Nb的添加显著提升了Ti-Mo合金的耐蚀性能，可以有效提升接地材料在沿海环境中的服役时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种耐海洋环境腐蚀接地材料，其特征在于，所述耐海洋环境腐蚀接地材料为Ti-Mo-Nb合金，按质量百分比计算，包括Nb 4~6%，Mo 2~4%，Zr 0.4~0.6%，Fe 0.03~0.05%，C0.01~0.02%，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的耐海洋环境腐蚀接地材料，其特征在于，所述的Ti-Mo-Nb合金的主晶相为α相和β相。

3.根据权利要求2所述的耐海洋环境腐蚀接地材料，其特征在于，所述的Ti-Mo-Nb合金中β相的比例为90%以上。

4.一种耐氯离子腐蚀合金材料, 其特征在于，所述耐氯离子腐蚀合金材料为Ti-Mo-Nb合金，按质量百分比计算，包括Nb 4~6%，Mo 2~4%，Zr 0.4~0.6%，Fe 0.03~0.05%，C 0.01~0.02%，余量为Ti。

5.根据权利要求4所述的耐氯离子腐蚀合金材料，其特征在于，所述的Ti-Mo-Nb合金的主晶相为α相和β相。

6.根据权利要求5所述的耐氯离子腐蚀合金材料，其特征在于，所述的Ti-Mo-Nb合金中β相的比例为90%以上。

7.一种耐海洋环境腐蚀接地材料或耐氯离子腐蚀合金材料制备方法，其特征在于，Ti-Mo-Nb合金的制备过程在真空电弧炉中进行，具体操作包括如下步骤：

步骤一，原料准备：金属原料进行预处理去除表面氧化皮；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，Ti-Mo-Nb合金采用纯度为99.99%的原料进行制备。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤一中，金属原料的预处理操作为：金属原料首先用砂纸进行打磨，去除表面的氧化皮，打磨之后用无水乙醇进行超声处理。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，在坩埚中心的熔炼池放入Zr球之前还包括，用无水乙醇清洗熔炼池、炉壁和钨极头表面。