專利名稱：具有改進耐腐蝕性和強度的鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的鈦合金，其中改進的耐腐蝕性和強度是通過在基底鈦或其鈦合金中使用最高達4重量％的碳作為合金添加劑。
背景技術(shù)：
鈦是一種活性金屬，就耐腐蝕性而言，取決于表面氧化物膜的形成和穩(wěn)定性。在穩(wěn)定的條件下，鈦具有顯著的耐腐蝕性特性。然而，其逆轉(zhuǎn)也是確實的，因為在膜不穩(wěn)定時，可以產(chǎn)生特別高的腐蝕速率。這些不穩(wěn)定性的條件，通常在PH值的兩個極端。強酸或強堿溶液可在鈦氧化物膜中產(chǎn)生不穩(wěn)定性。典型地是，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的實踐，當(dāng)在不確定的氧化物膜穩(wěn)定性的區(qū)域內(nèi)使用鈦時，已經(jīng)往鈦中加入合金元素以提高氧化物膜的穩(wěn)定性，這樣在pH極值下就可提高其有效的實用性。已經(jīng)證明，這種實踐對于PH值的酸性端最有效，其中合金化能提高氧化物膜的穩(wěn)定性多達2pH單位或更多。由于測定pH是根據(jù)對數(shù)標(biāo)度測量，這意味著在腐蝕性酸的條件下，如沸騰的HCl中，鈍性的電位提高(potential increase in passivity) 100倍以上。一些合金元素在這方面已顯示不同程度的成功，如鑰、鎳、鉭、鈮和貴金屬。在這些族中，鉬族金屬(PGM)能提供最有效的保護以免遭腐蝕。鉬族金屬是鉬、鈀、釕、銠、銥和鋨。Stem等人在 1959年在標(biāo)題為“The Influence of Noble Metal Alloy Additionson the Elctrochemical and Corrosion Behavior of Titanium，，的論文中論證了這一點。他們發(fā)現(xiàn)少到0. 15%的Pd或Pt的合金添加劑在熱還原性酸介質(zhì)中，能極大地提高鈦表面上的氧化物膜的穩(wěn)定性，因而提高耐腐蝕性。因此，許多年以來ASTM7級鈦(Ti-. 15Pd)已經(jīng)成為用于未合金化鈦遭受腐蝕的一些嚴重腐蝕條件下所選擇的標(biāo)準材料。最近，ASTM16級(Ti-. 05Pd)已被用來直接取代ASTM7級，因為它更經(jīng)濟些并且可以提供接近ASTM7級水平的耐腐蝕性。這樣，人們傾向于認為在腐蝕性不劇烈的應(yīng)用場合下它們是等效的。通過將鉬族金屬添加到鈦中所提供的保護機理是提高陰極去極化作用中的一種。鉬族金屬在酸性介質(zhì)中能提供低得多的氫超電壓，由此提高了電化學(xué)反應(yīng)的陰極部分的動力學(xué)。這樣提高的動力學(xué)說明陰極半反應(yīng)斜率的變化，導(dǎo)致對鈦而言更惰性(noble)的腐蝕電位。鈦的活性/鈍性的陽極行為可使腐蝕電位(極化)有小的位移，以引起腐蝕速率中的大的變化。在用上面所列元素中的任何一種合金化鈦情況下的問題是這樣做的費用增加。上面所列元素中的每一種都比鈦更貴，這樣為了實現(xiàn)所希望的提高腐蝕保護就要生產(chǎn)成本更高的產(chǎn)品。添加小量鈀(0. 15% )的費用確實是材料(取決于鈀和鈦的現(xiàn)行價格)費用的
兩倍或三倍。
盡管上述現(xiàn)有技術(shù)的實踐對提高鈦在某些嚴重腐蝕性條件下的耐腐蝕性是有效的，但是貴金屬特別是鉬族金屬的合金添加劑特別貴，因此，對于最終用戶來說，可行性有限。具有ASTM7級性能，但具有更類似于エ業(yè)純ASTM2級鈦(Ti-. 120)的成本的合金，對于鈦的最終用戶將有更大的益處。另外，エ業(yè)純鈦2級在化學(xué)エ藝過程和海洋應(yīng)用中是最常用的。ASTM2級易于制作和加工。這個級別的鈦能為エ業(yè)純級提供最高的強度，同時對稱作應(yīng)カ腐蝕裂紋(SCC)的粒狀腐蝕保持阻力。盡管單純地從強度觀點來看ASTM3級和4級鈦是合乎要求的，但由于在氯化物環(huán)境中，如海水，由于它們對SCC的傾向，由于氧含量提高，不能使用ASTM3和4級鈦(與2級對比，具有提高的氧含量以產(chǎn)生増加的強度)。慣用地,把氧作為エ業(yè)純1-4級鈦中的主要強化劑使用。然而，當(dāng)氧含量超過
0.20wt%時，對應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性變得非常高。這樣，雖然它們有合乎要求的 能導(dǎo)致較輕重量組分的強度程度，但氧含量高于0. 20%界限的3和4級，當(dāng)遇到氯化物介質(zhì)時，一般是被最終用戶所避免使用的。這樣，具有エ業(yè)純2級所有的理想特征，如可成形性和耐SCC性，以及エ業(yè)純3和4級鈦的較高強度的合金，對于許多鈦用戶如化學(xué)エ藝過程和海洋用或海軍市場(Navalmarkets)來說是非常有價值的。使用這種較高強度、耐SCC的合金，可降低標(biāo)準，由于需要的鈦少，將導(dǎo)致減輕組分重量及降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本申請的發(fā)明提供ー種鈦合金，使用便宜的合金元素代替昂貴元素進行合金化，與エ業(yè)純ASTM2級鈦相比，極大地改進經(jīng)受嚴重腐蝕性應(yīng)用時鈦的耐腐蝕性并且改進機械強度，因此與上面討論過的現(xiàn)有技術(shù)實踐相對比時，在這方面是有利的。除此之外，本發(fā)明還提供ー種與PGM-合金化鈦如ASTM7級鈦相比，具有等效的耐腐蝕性、改進的機械性能以及極大地降低成本的合金。按照本發(fā)明，現(xiàn)已確定，與エ業(yè)純ASTM2級相比，具有改進耐腐蝕性的鈦合金，可通過使用碳作為主要合金元素而獲得。所述的合金，可與0.2 4重量％范圍內(nèi)，優(yōu)選
0.5 2.0重量％范圍內(nèi)的碳進行合金化。按照本發(fā)明，如此生產(chǎn)的添加優(yōu)選范圍碳的合金與未合金化的鈦(ASTM1 4級)和PGM-合金化鈦(ASTM7和16級)相比，能提供耐腐蝕性和強度兩方面的改進。上述優(yōu)選的范圍可保持合金便于加工的冷成形性。除此之外，合金可進行焊接而腐蝕性能幾乎沒有或沒有降低。這種合金還可含有0. I 0. 5重量％的硅以更大地改進機械強度。所述合金還能代替ASTM3和4級，用于含氯化物的環(huán)境中而沒有應(yīng)カ腐蝕裂紋的潛在問題。附圖
的簡要說明圖I是表明碳和硅對機械性能影響的條形圖；圖2是Ti-IC合金放大200倍的顯微照片；和圖3是Ti_2C合金類似于圖2的顯微照片。優(yōu)選實施方案和具體實施例在進行本發(fā)明的實驗工作中，使用不同碳含量的鈦合金進行機械性能實驗，實驗取得優(yōu)異結(jié)果。正如圖I所示，用少量碳合金化可使機械強度提高最高達40%，所產(chǎn)生的合金的強度，與ASTM3級相同或更高。另外，如圖I所示，用碳和硅合金化，與工業(yè)純2級鈦相比，可使屈服強度有更大的提高，產(chǎn)生的合金強度大于ASTM3級。在進行本發(fā)明的實驗工作中，還使用不同碳含量的鈦合金進行通常的腐蝕試驗，實驗取得優(yōu)異結(jié)果。正如表I和2中所示，本發(fā)明的實際應(yīng)用，比未合金化的鈦有效得多。正如表2所示，具有2重量％碳的合金，能提供與市場可購得的最耐腐蝕性鈦合金的ASTM7級(Ti-0. 15Pd)鈦相等的耐腐蝕性。另外，表2就一些含焊接的碳合金的腐蝕速率作了比較。正如結(jié)果表明的，當(dāng)焊接這些碳合金時，腐蝕性沒有出現(xiàn)多少降低，而這一點對有焊接的任何鈦容器、熱交換器或其它構(gòu)件的加工來說，是一個重要方面。表ITi-C合金在沸騰鹽酸中的腐蝕速率
權(quán)利要求
1.一種與工業(yè)純鈦相比具有改進的耐腐蝕性的鈦合金，所述合金利用碳和氧作為主要合金元素以產(chǎn)生所述改進的耐腐蝕性，所述碳占所述鈦合金的O. 5-1. 5重量％，所述氧最高占所述鈦合金的O. 12重量％。
2.如權(quán)利要求I所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的I.0-1. 5重量％。
3.一種鈦合金，它基本上由鈦、碳和氧組成，所述碳占所述鈦合金的O. 5-4重量％，所述氧最聞?wù)妓鰵J合金的O. 2重量％。
4.如權(quán)利要求3所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的I.0-1. 5重量％。
5.一種包含權(quán)利要求3所述鈦合金的冷軋產(chǎn)品。
6.—種包含權(quán)利要求3所述鈦合金的片材產(chǎn)品。
7.一種包含權(quán)利要求3所述鈦合金的帶材產(chǎn)品。
8.一種鈦合金，它基本上由鈦和碳組成，其中，所述碳占所述鈦合金的O. 2-4重量％，且所述鈦合金的微結(jié)構(gòu)包括橫截面直徑至少3微米的碳或金屬間碳化合物的島。
9.如權(quán)利要求8所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的O.5-1. 5重量％。
10.如權(quán)利要求8所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的I.0-1.5重量％。
11.一種包含權(quán)利要求8所述鈦合金的冷軋產(chǎn)品。
12.—種包含權(quán)利要求8所述鈦合金的片材產(chǎn)品。
13.—種包含權(quán)利要求8所述鈦合金的帶材產(chǎn)品。
14.一種鈦合金,它基本上由鈦、碳和娃組成，其中，所述碳占所述鈦合金的O. 2-4重量％，所述娃占所述鈦合金的O. 1-0. 5重量％ ;且 所述鈦合金的微結(jié)構(gòu)包括橫截面直徑至少3微米的碳或金屬間碳化合物的島。
15.如權(quán)利要求14所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的O.5-1. 5重量％。
16.如權(quán)利要求14所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的I.0-1. 5重量％。
17.一種包含權(quán)利要求14所述鈦合金的冷軋產(chǎn)品。
18.—種包含權(quán)利要求14所述鈦合金的片材產(chǎn)品。
19.一種包含權(quán)利要求14所述鈦合金的帶材產(chǎn)品。
20.—種鈦合金,它基本上由鈦、碳、娃和氧組成,其中，所述碳占所述鈦合金的O. 2-4重量％，所述娃占所述鈦合金的O. 1-0. 5重量％,所述氧最高占所述鈦合金的O. 2重量％。
21.如權(quán)利要求20所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的O.5-1. 5重量％。
22.如權(quán)利要求20所述的鈦合金，其中，所述碳占所述鈦合金的I.0-1. 5重量％。
23.—種包含權(quán)利要求20所述鈦合金的冷軋產(chǎn)品。
24.一種包含權(quán)利要求20所述鈦合金的片材產(chǎn)品。
25.—種包含權(quán)利要求20所述鈦合金的帶材產(chǎn)品。
全文摘要
一種含碳的鈦合金與工業(yè)純ASTM 2級鈦或PGM-合金化的ASTM 7級鈦相比在加入或沒有加入硅的情況下能顯示改進的耐腐蝕性和機械強度。
文檔編號C22C14/00GK102816950SQ20121025464
公開日2012年12月12日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月19日
發(fā)明者詹姆斯·S·格勞曼, 斯蒂芬·P·福克斯, 斯泰西·L·尼雅加納 申請人:鈦金屬公司