Ученые ИЯФ СО
РАН и НГТУ увеличили коррозионную стойкость титана в десятки раз
21 декабря 2018
Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и Новосибирского
государственного технического университета разработали технологию наплавки
коррозионностойких покрытий из тантала, ниобия или циркония на титан с помощью
промышленного ускорителя электронов ЭЛВ-6. Полученный материал может применяться
при изготовлении реакторов для химической промышленности: по уровню
устойчивости к агрессивному воздействию он в десятки раз превосходит
специальную кислотостойкую нержавеющую сталь, которая традиционно применяется в
этой области. Результаты
опубликованы в журнале Applied Surface Science.
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.
Фото Михаила Голковского
«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 старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН
кандидат физико-математических наук Михаил Гедальевич 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,
сгибанию, прокатке. Он сохраняет пластичность, прочность и коррозионную
стойкость в полном объеме, а это очень важно для использования на производстве.
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 ними 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 аспирант кафедры материаловедения НГТУ
Виталий Вячеславович Самойленко. — 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».
Пресс-служба ИЯФ СО РАН