CN115874081A - 一种钛合金材料及其制备方法和所制海缆金属套 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海缆金属套材料技术领域一种钛合金材料及其制备方法和所制海缆金属套，钛合金材料以质量百分比计算，含有钒V 4～6％，钼Mo 2～4％，锆Zr 0.4～0.6％，铁Fe 0.03～0.05％，碳C 0.01～0.02％，余量为钛Ti，海缆金属套，采用上述钛合金材料所制，通过利用钒V元素促进β相的生成，从而增加β相含量来改善海底电缆金属套在高温海洋环境中的耐蚀性能，使得其具有优异的耐高温性能，能够适应如热液喷口等复杂海底环境，同时制备方法所制钛合金材料中92％，使其在海洋环境下的耐热腐蚀性能得到进一步提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金材料及其制备方法和所制海缆金属套，属于海缆金属套材料技术领域。
背景技术
我国海洋面积约300万平方公里左右，海洋经济在2021年首次突破9万亿元，是国民经济不可或缺的重要组成部分。开发海洋资源用到的各种设备都需要电力驱动，因此海洋环境中的电力设施腐蚀需要我们深入探究。
电力设施中用到很多金属材料，如海底电缆阻水结构中的金属套，可以在电缆表面形成致密的包覆层，起到抵御腐蚀和水压的目的。金属套(例如专利申请号为KR2020010010141中所公开)很多是由铝、铜等材料制作而成的。海洋环境中的腐蚀因素众多，其中温度、溶液pH和Cl-浓度是造成电力设施失效的几个重要因素。海洋环境中存在大量的Cl-，传统的铝、铜等材料会在的Cl-的作用下发生点蚀，点蚀坑扩展导致电力设备出现裂纹，致使其发生失效。海底环境较为复杂，局部区域的热液喷口可导致海底温度达到上百度，高温环境会造成电力设备的腐蚀加速，缩减其服役寿命。因此，我们要综合考虑Cl-和高温两个因素对海底电缆金属套的腐蚀作用。
目前海底电缆金属套很多采用铝、铜等材料，在严苛的海洋环境中易于腐蚀，由此带来的电力设备检修和更换问题极大的提高了电力行业的成本，因此需要寻求新型材料来替代铝、铜等材料。
研究表明，Ti-Mo合金在高温海洋Cl-环境中具有较好的耐蚀性能(例如CN202210045084.5Ti-Mo合金薄膜及其制备方法中所公开)，且其不易发生点蚀，能够在严苛环境下服役更长时间。双相钛合金由α和β两相组成，在高温海洋环境中主要以α相的腐蚀为主，Ti-Mo合金中β相比例仅为45％左右，其在海洋环境下的耐热腐蚀性能有待进一步提升。
发明内容
为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种钛合金材料及其制备方法和所制海缆金属套。
本发明的技术方案如下：
一种钛合金材料，以质量百分比计算，含有钒V 4～6％，钼Mo 2～4％，锆Zr 0.4～0.6％，铁Fe 0.03～0.05％，碳C 0.01～0.02％，余量为钛Ti。
一种海缆金属套，采用上述钛合金材料所制。
一种用于制备上述钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)打磨清洗：对金属原料的表面进行打磨，使其表面呈现出金属光泽，然后用丙酮和无水乙醇分别清洗，并吹干；
(2)称重：将打磨与清洗后的金属单质在称量，称量误差控制在0.005g之内；
(3)电弧炉清洗：采用无水乙醇对电弧炉内部进行清洗；
(4)放料：依次放入铁Fe、钛Ti、锆Zr、钒V、钼Mo和碳C，并在中间坩埚放入钛Ti球；
(5)抽真空：进行抽真空，熔炼之前腔体内部的真空度在5×10-4以下；
(6)熔炼：首先熔炼中间坩埚的Ti球三次，然后熔炼钛合金，每熔炼一次后进行翻样；
(7)冷却：冷却使其降到室温。
其中，采用砂纸进行打磨，并采用吹风机进行吹干。
其中，步骤(2)中，在精度为0.1mg的天平上进行称量。
其中，步骤(7)中，冷却时间为20分钟。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明的钛合金材料具有α和β双相结构，其维钝电流密度明显低于普通Ti-Mo合金，极化电阻明显高于普通Ti-Mo合金，使其在高温海洋环境中具有比普通Ti-Mo合金更加优异的耐热蚀性能。
2.本发明的海缆金属套，采用上述钛合金材料所制，通过利用钒V元素促进β相的生成，从而增加β相含量来改善海底电缆金属套在高温海洋环境中的耐蚀性能，使得其具有优异的耐高温性能，能够适应如热液喷口等复杂海底环境。
3.本发明提供了一种钛合金材料的制备方法，经过一定参数下的原料打磨与清洗、称重、电弧炉清洗、放料、抽真空、熔炼、冷却等加工步骤后，所制钛合金材料中92％，使其在海洋环境下的耐热腐蚀性能得到进一步提升。
附图说明
图1为本发明的Ti-Mo-V合金和普通Ti-Mo合金XRD图谱；
图2为本发明的Ti-Mo-V合金和普通Ti-Mo合金的微观组织图；
图3为本发明的Ti-Mo-V合金和普通Ti-Mo合金在3.5wt.％NaCl溶液中的极化曲线；
图4为本发明的Ti-Mo-V合金和普通Ti-Mo合金在3.5wt.％NaCl溶液中的阻抗谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
实施例一
一种钛合金材料，以质量百分比计算，含有钒V 4～6％，钼Mo 2～4％，锆Zr 0.4～0.6％，铁Fe 0.03～0.05％，碳C 0.01～0.02％，余量为钛Ti。
将本发明钛合金材料(Ti-Mo-V合金)和普通Ti-Mo合金性能测试，测试溶液为3.5wt.％NaCl溶液，测试温度为70℃，将本发明钛合金材料(Ti-Mo-V合金)和普通Ti-Mo合金分别置于上述温度下的测试溶液中，充分浸泡腐蚀反应后，得到如下表1：
表1相比例及腐蚀性能对比
结合图3-4，采用Princeton VersaSTAT 3F电化学工作站对极化曲线和阻抗谱进行了测量，极化曲线采用EClab进行拟合，本发明钛合金材料(Ti-Mo-V合金)腐蚀电流密度约为0.036μm/cm2，普通Ti-Mo合金腐蚀电流密度为0.058μm/cm2，说明添加V元素的耐高温海洋环境腐蚀钛合金腐蚀速率明显减小。采用ZsimpWin对电化学阻抗谱进行拟合，本发明钛合金材料(Ti-Mo-V合金)的极化电阻约为201kΩ·cm2，普通Ti-Mo合金的极化电阻约为136kΩ·cm2，表明V的添加显著提升了高温海洋环境中的耐蚀性能。
此外，参见图1，XRD图谱表明，钒V含量添加后，普通Ti-Mo合金β相含量由45％提升至92％，从图2的微观组织图的金相结果也可看出Ti-Mo-V合金的β相明显增多，V含量的添加显著提高了β相的比例。
进而说明：本发明钛合金材料(Ti-Mo-V合金)维钝电流密度明显低于普通Ti-Mo合金，极化电阻明显高于普通Ti-Mo合金，使其在高温海洋环境中具有比普通Ti-Mo合金更加优异的耐热蚀性能。
实施例二
一种海缆金属套，采用上述钛合金材料所制，通过利用钒V元素促进β相的生成，从而增加β相含量来改善海底电缆金属套在高温海洋环境中的耐蚀性能，使得其具有优异的耐高温性能，能够适应如热液喷口等复杂海底环境。
实施例三
一种用于制备钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)打磨清洗：材料在空气中形成的氧化膜会对材料的组织结构与性能造成影响，为了避免这种影响，用砂纸对金属原料的表面进行打磨，使其表面呈现出金属光泽，然后用丙酮和无水乙醇分别清洗，并吹干；
(2)称重：将打磨与清洗后的金属单质在称量，称量误差控制在0.005g之内；
(3)电弧炉清洗：电弧炉内部的杂质会对熔炼所得合金造成影响，因而在熔炼之前需采用无水乙醇对电弧炉内部进行清洗，使得电弧炉内部无杂质；
(4)放料：按照熔点高低的顺序依次放入铁Fe、钛Ti、锆Zr、钒V、钼Mo和碳C，并在中间坩埚放入钛Ti球；
(5)抽真空：熔炼过程中为了防止氧气的混入，需要对真空电弧炉进行抽真空，熔炼之前腔体内部的真空度在5×10-4以下；
(6)熔炼：首先熔炼中间坩埚的Ti球三次，用于去除腔体内剩余的氧气；然后熔炼钛合金，每熔炼一次后进行翻样，保证熔炼均匀；
(7)冷却：冷却20分钟使其降到室温，避免材料产生氧化。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种钛合金材料，其特征在于：以质量百分比计算，含有钒V 4～6％，钼Mo 2～4％，锆Zr 0.4～0.6％，铁Fe 0.03～0.05％，碳C 0.01～0.02％，余量为钛Ti。
2.一种海缆金属套，其特征在于：采用权利要求1所述的一种钛合金材料所制。
3.一种用于制备如权利要求1所述钛合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)打磨清洗：对金属原料的表面进行打磨，使其表面呈现出金属光泽，然后用丙酮和无水乙醇分别清洗，并吹干；
(2)称重：将打磨与清洗后的金属单质在称量，称量误差控制在0.005g之内；
(3)电弧炉清洗：采用无水乙醇对电弧炉内部进行清洗；
(4)放料：依次放入铁Fe、钛Ti、锆Zr、钒V、钼Mo和碳C，并在中间坩埚放入钛Ti球；
(5)抽真空：进行抽真空，熔炼之前腔体内部的真空度在5×10-4以下；
(6)熔炼：首先熔炼中间坩埚的Ti球三次，然后熔炼钛合金，每熔炼一次后进行翻样；
(7)冷却：冷却使其降到室温。
4.如权利要求3所述一种用于制备钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，采用砂纸进行打磨，并采用吹风机进行吹干。
5.如权利要求3所述一种用于制备钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，在精度为0.1mg的天平上进行称量。
6.如权利要求3所述一种用于制备钛合金材料的制备方法，其特征在于：步骤(7)中，冷却时间为20分钟。
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| PB01 | Publication | ||
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