CN115896540B - 一种Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti‑Mo‑Ni‑Al‑Zr耐腐蚀钛合金及其制备方法，属于钛合金技术领域。所述钛合金按质量百分比计，包括0.3％的Mo、0.8％的Ni、2％的Al、2％的Zr和余量的Ti。本发明通过退火处理的方式改善钛合金的耐腐蚀性能，采用浸泡腐蚀的方式测得钛合金在5MHCl溶液中的质量损失情况，并表征钛合金的腐蚀速率，研究发现退火温度对钛合金的腐蚀性能有重要影响，此外，获得了在较低的退火温度下(750℃)，Ti‑0.3Mo‑0.8Ni‑2Al‑2Zr合金在浓盐酸中具有较好的耐腐蚀性能。相比于为对比合金，其抗腐蚀能力提升幅度约为28％。
Description
技术领域
本发明属于钛合金制备技术领域，具体涉及一种Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金及其制备方法。
背景技术
考虑到服役环境，海洋工程装备所用材料需要高强度、高韧性、抗腐蚀等特点。钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性强等特点，尤其对海洋大气环境侵蚀的免疫能力非常出色，是一种优质的轻型结构材料，被称为“海洋金属”，也是重要的战略金属材料。然而，目前海洋工程应用对高耐蚀钛合金的耐蚀性等提出了更高的要求，尤其是在氧化性酸(盐酸)环境和海水等中性氯化物环境，故而需要对合金成分进行优化，开发一种新型耐腐蚀钛合金，进一步提升其耐蚀性能以应对深海油气田开采等服役条件较苛刻的海洋工程。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有钛合金耐腐蚀性差的问题，提供一种Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金及其制备方法，得到的Ti-Mo-Ni-Al-Zr钛合金在氯化物环境中具有良好的耐腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金，所述钛合金按照质量百分比计，包括Mo0.3％、Ni0.8％、Al2％、Zr2％和余量的Ti。
一种上述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，所述方法为：
步骤一：将合金原料按上述比例进行熔炼后得到椭圆形合金铸锭；
步骤二：将合金铸锭先进行线切割，再进行热轧加工，得到热轧坯；线切割用来将椭圆形铸锭切割成方形铸锭，确保下压量准确。采用两棍热轧机加工可以破碎晶粒，改变金属的显微组织，退火处理效果最佳。开轧前对方形钛合金铸锭表面进行涂层处理。
步骤三：将步骤二得到的热轧坯进行退火处理，得到高耐腐蚀钛合金。
进一步地，步骤一中，所述熔炼为真空非自耗电弧炉熔炼，最大电流为450A，熔炼6～8次。
进一步地，步骤二中，所述热轧温度为840℃，时间为30～60min。
进一步地，步骤二中，所述热轧坯的单道下压量为1.5mm，中途保温5～10min(优选3min)，最终变形量为65％。
进一步地，步骤三中，所述退火处理的试样进行真空封管处理，可避免试样氧化。
进一步地，步骤三中，所述退火处理温度为750～920℃。
进一步地，步骤三中，所述保温时间为2h，退火处理的冷却方式为空冷。
本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明通过退火处理方式改善了钛合金在盐酸溶液中的耐腐蚀性能，使得钛合金的耐腐蚀性能提升幅度高达28％左右。
附图说明
图1为对比例1所得钛合金的金相光学显微图；
图2为实施例1所得钛合金的金相光学显微图；
图3为实施例2所得钛合金的金相光学显微图；
图4为实施例3所得钛合金的金相光学显微图；
图5为四组钛合金的质量损失曲线图；
图6为四组钛合金的腐蚀速率图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式做详细说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
对比例1：
本实施例的Ti-0.3Mo-0.8Ni-2Al-2Zr耐腐蚀钛合金，所述钛合金的化学成分为Mo0.3％、Ni0.8％、Al2％、Zr2％和余量的Ti。
本对比例的耐腐蚀钛合金的制备方法，按照以下方式进行：
制备钛合金铸锭原材料包含纯度较高的海绵钛颗粒(>99wt.％)、Mo颗粒(>99.9wt.％)、Ni颗粒(>99.9wt.％)、Al颗粒(>99.9wt.％)、Zr颗粒(>99.9wt.％)。在进行熔炼之前将所有原材料放进酒精和丙酮中进行超声清洗，保证材料表面干净。最后按照相应的成分配比进行称量。
本对比例采用真空非自耗电弧熔炼炉对钛合金进行熔炼。在进行熔炼之前，用干净的纱布对真空炉体内壁进行擦拭，保证炉体内壁干净，减少不必要的污染；随后将原材料放入坩埚中。
真空非自耗电弧炉环境设置：首先采用机械泵将炉体内部的真空度抽至1Pa左右，在使用分子泵进一步将真空度抽至5×10-3Pa以下，随后采用氩气对炉体内部进行洗气，使气压达到0.05MPa，再用机械泵抽气至1Pa左右。如此反复利用氩气洗气4次，将氩气充入炉内做保护气体，尽量将降低炉体氧气含量，防止钛合金在熔炼过程中发生氧化。最后打开水循环，保证水循环运转正常后方能进行熔炼。
钛合金铸锭最大熔炼电流确定：在Ti-0.3Mo-0.8Ni-2Al-2Zr合金中，本发明利用钛的实际熔化情况判断该钛合金的实际熔炼电流。钛的熔点为1668℃，钼的熔点为2620℃，Ni的熔点为1453℃，铝的熔点为660℃，锆的熔点为1852℃，其中钼的熔点最高。在熔炼过程中，随着电流的逐渐增加，当电流达到300A时，钛逐渐熔化。因此可以大致推断出该钛合金的最大熔炼电流因设定在450A。
钛合金铸锭熔炼：首先将电流升至300A，熔炼4min确保部分金属熔化，随后将电流升至450A，熔炼5min，保证钛合金中所有金属充分熔化，最后逐渐降低电流，使铸锭在循环水的作用下，快速冷却凝固，至此为一次熔炼。而要使的铸锭中的合金成分均匀分布，要使用扒勺，将冷却5min后的铸锭翻转，再次重复上述熔炼过程，如此重复6次，就制得钛合金铸锭。
方形热轧铸锭准备：使用线切割仪器将熔炼出的钛合金纽扣铸锭切成方形铸锭。
钛合金铸锭热轧：首先在方形铸锭表面涂上一层保护层，再采用到温入炉的方式将其放入以升温至840℃的马弗炉中，保温30min进行热轧加工；采用两棍热轧机进行轧制，热轧加工工艺为：单道下压量1.5mm，每道次轧制后回炉保温5min，最终变形量为65％，最后将材料使电火花切割方式制成10mm×10mm×5mm的试样。
实施例1：
前期钛合金铸锭的熔炼和热轧与对比例1相同。
钛合金退火处理：将切割后的试样进行真空封管，再采用到温入炉的方式放入马弗炉中进行退火处理。退火工艺包括退火温度为750℃，保温2h，冷却方式为空冷。
实施例2：
前期钛合金铸锭的熔炼和热轧与对比例1相同。
钛合金退火处理：将切割后的试样进行真空封管，避免退火过程中试样氧化，再采用到温入炉的方式放入马弗炉中进行退火处理。退火工艺包括退火温度为840℃，保温2h，冷却方式为空冷。
实施例3：
前期钛合金铸锭的熔炼和热轧与对比例1相同。
钛合金退火处理：将切割后的试样进行真空封管，再采用到温入炉的方式放入马弗炉中进行退火处理。退火工艺包括退火温度为920℃，保温2h，冷却方式为空冷。
对实施例1～3和对比例1获得的合金进行如下分析：
(1)Ti-0.3Mo-0.8Ni-2Al-2Zr合金腐蚀性能
钛合金的腐蚀性能测试采用静态浸泡实验进行：将一组对比例1和三组实施例1～3中的试样各准备三个，同时进行实验，确保实验的准确性和可重复性。再用240#和500#的SiC砂纸分别打磨，去除表面的氧化皮，使用无水乙醇进行超声清洗。试样置于5MHCl腐蚀液溶液中腐蚀。浸泡时长为10天，其中每两天更换一次腐蚀液并称量质量损失情况，获得质量损失数据，由此绘制质量损失随时间变化曲线如图5所示。从图中可以直观地看出退火温度在750℃时，即实施例1，其质量损失最小为38.15mg/cm2，相比于对比例1，其腐蚀性能提升了28％左右。而实施例2和实施例3的腐蚀性能都有所恶化，说明退火温度对Ti-0.3Mo-0.8Ni-2Al-2Zr合金的腐蚀性能有很大影响。为进一步说明，我们基于质量损失计算了腐蚀速率，计算公式如下所示：
式中，Δω是10天内的质量损失，单位mg；S是钛合金试样暴露在腐蚀液中的表面积，单位cm3；t是浸泡时间，单位h；ρ六种钛合金的密度，单位g/cm3。
钛合金的腐蚀速率随退火温度的变化如图6所示，可以直观地观察到，实施例1的腐蚀速率最低仅为3.09mm/year。
由以上实施例可以看出，本发明通过调控退火温度，可以获得腐蚀性能较好的钛合金，并显著提升的钛合金在浓盐酸中的耐腐蚀性能。
Claims (8)
1.一种Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述钛合金按照质量百分比计，包括Mo 0.3%、Ni 0.8%、Al 2%、Zr 2%和余量的Ti。
2.一种权利要求1所述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：所述方法为：
步骤一：将合金原料按上述比例进行熔炼后得到合金铸锭；
步骤二：将合金铸锭先进行线切割，再进行热轧加工，得到热轧坯；
步骤三：将步骤二得到的热轧坯进行退火处理，得到高耐腐蚀钛合金。
3.根据权利要求2所述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述熔炼为真空非自耗熔炼，最大电流为450A，熔炼6~8次。
4.根据权利要求2所述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述热轧温度为840℃，时间为30~60min。
5.根据权利要求2所述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述热轧坯的单道下压量为1.5mm，中途保温5~10min，最终变形量为65%。
6.根据权利要求2所述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述退火处理的试样进行真空封管处理。
7.根据权利要求2所述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述退火处理温度为750~920℃。
8.根据权利要求2所述的Ti-Mo-Ni-Al-Zr耐腐蚀钛合金的制备方法，其特征在于：步骤三中，保温时间为2h，退火处理的冷却方式为空冷。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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