Электронно-лучевая наплавка увеличит коррозионную стойкость титана в десятки раз

Ученые из Новосибирска разработали технологию, повышающую коррозийную стойкость титана на несколько порядков.
 
Это позволит создать долговечные химические реакторы, сообщают исследователи в статье для Applied Surface Science.
 
Титан применяется в аэрокосмической отрасли и медицине благодаря его прочности, легкости, стойкости к коррозии. Кроме того, он почти не вызывает раздражения при имплантации в организм.
Ученые давно мечтают создать дешевые сплавы титана с танталом, ниобием и другими тугоплавкими металлами, которые обладают сверхвысокой износостойкостью, инертностью и другими полезными свойствами. Подобные материалы на базе других металлов, в том числе железа, активно используются в химической промышленности.
 
Их разработка, передает пресс-служба Института ядерной физики СО РАН, осложнена тем, что титан плавится при относительно низких температурах — около 1600 градусов Цельсия. Для сравнения: температура плавления тантала — около трех тысяч, а ниобия — 2400 градусов Цельсия. Это не позволяет равномерно "перемешать" оба металла, так как тугоплавкий материал будет тонуть, а не растворяться в титане.
 
Российские физики решили эту проблему при помощи технологий порошковой металлургии, известной еще со времен Древнего Египта, и современного ускорителя частиц, чей пучок частиц может плавить и мелкие частицы из титана, и аналогичные фрагменты из тугоплавких материалов.
По своей сути методика достаточно проста: ученые покрывают пластину из титана тонким слоем порошка, состоящего из микроскопических частиц титана и тантала, а также других тугоплавких металлов. После этого по ней проходит электронный луч, вырабатываемый ускорителем частиц ЭЛВ-6, созданным для этих целей в ИЯФ СО РАН.
"Электронный пучок проникает сквозь порошок и плавит частицы титана и поверхность титановой пластины. Частицы тантала смачиваются титаном и растворяются в нем, как сахар в воде. Так мы получаем наплавленный слой, который увеличивает коррозионную стойкость исходного металла до ста раз", — добавляет Михаил Голковский, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН.
 
"Слоеные" пластины, отмечает ученый, можно обрабатывать и использовать в металлургической промышленности, как обычный титан или другие металлы: защитный слой трескается и повреждается только в самых экстремальных ситуациях.
 
Затем листы из этого материала можно прокатывать, деформировать иными путями и получать из них конструкции любой формы, толщины и размеров.
С помощью этой технологии российские физики разработали несколько сплавов титана и тугоплавких металлов, обладающих рекордной стойкостью к действию соляной, серной и азотных кислот и при этом отличающихся относительно низкой стоимостью.
По словам ученых, конструкции из таких материалов будут легче, чем аналогичные сосуды из кислотостойкой нержавеющей стали. Это поможет им быстро проникнуть на промышленные предприятия и в лаборатории химиков.
 
Из всех материалов, применяющихся в промышленности (наряду с платиной и золотом), наибольшей устойчивостью к коррозии обладает тантал – его стойкость сопоставима с платиной, за ним идут цирконий, ниобий, молибден и гафний. Все эти металлы близки по строению к более дешевому и распространённому титану и образуют с ним сплавы с хорошей взаимной растворимостью компонентов. Однако, в обычных условиях, при помощи электрической дуги или электронной пушки, получить такие сплавы достаточно трудно. Для сравнения: температура плавления титана составляет 1660°C, а тантала – 3000°С, и в результате получается, что куски тантала просто тонут в расплавленном титане. Для решения этой проблемы команда ученых ИЯФ СО РАН и НГТУ использовала промышленный ускоритель ЭЛВ-6 с высокоэнергетическим (1,4 МэВ) электронным пучком.
 
 
Титановая пластина с наплавленным антикоррозионным слоем. Толщина 12,5 мм. Автор фото Михаил Голковский

Технология получения. «В качестве основы мы используем пластины титана, на поверхности которых равномерно распределяем порошок из смеси титана и тантала, и при необходимости – ниобия или циркония, – рассказывает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский. – Электронный пучок проникает сквозь порошок и плавит сначала частицы титана и поверхность титановой пластины, частицы тантала смачиваются титаном и растворяются в нем, как сахар в воде. В результате мы получаем наплавленный слой, который увеличивает коррозионную стойкость исходного металла до 100 раз, в зависимости от среды, в которую помещается материал». По словам Михаила Голковского, ученые также провели специальные исследования*, которые показали, что такой двухслойный материал хорошо поддается различным видам механической обработки – сварке, гибке, прокатке. Он сохраняет пластичность, прочность и коррозионную стойкость в полном объеме, а это очень важно для использования на производстве.

 
Поперечный разрез материала с наплавленным слоем после прокатки. Исходная толщина материала – 12,5 мм, толщина после прокатки – 3 мм. Автор фото Виталий Самойленко
 

Экономическая эффективность. Высокая коррозионная стойкость материала актуальна, прежде всего, для химической промышленности. Для изготовления специальных реакторов, которые способны выдержать воздействие кипящих кислот – азотной, соляной и серной – традиционно используются специальные кислотостойкие сорта нержавеющей стали, но титановые сплавы, полученные по технологии, разработанной новосибирскими учеными, могут стать хорошей альтернативой. Для экономии дорогостоящего тантала специалисты добавляют в сплав ниобий – в ходе исследований такой материал показал хорошую устойчивость в концентрированной (65%) азотной кислоте. Однако при взаимодействии с более агрессивными кислотами (соляной и серной) эффективность материала снижается – для работы с такими кислотами специалисты разработали специальный поверхностный слой сплава из титана, тантала и циркония.**

«По уровню коррозийной стойкости титановые сплавы, полученные методом электронно-лучевой наплавки, превосходят специальную кислотостойкую нержавеющую сталь в десятки раз, – рассказывает Виталий Самойленко, аспирант кафедры материаловедения НГТУ. – Поэтому несмотря на то, что стоимость нашего материала будет составлять около 3 тыс. рублей/кг против 900 рублей за килограмм кислотостойкой нержавеющей стали, по соотношению стойкость/стоимость он выигрывает в несколько раз. Что касается специальных коррозионностойких сплавов на основе никеля – хастеллоев, при сопоставимой цене их коррозионная стойкость также заметно уступает стойкости разработанного материала. Кроме того, по сравнению с хастеллоями и различными сортами нержавеющей стали, удельный вес нашего сплава на основе титана в два раза меньше, а значит, конструкции из него будут в два раза легче и, соответственно, дешевле».

http://www.inp.nsk.su

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.