L99m g VL98He

тб9ие %

L9Zm 999 и e Щ

vmne

(Ютие

(Q)f96He

(0) 9цд

(и) Ш19

(d) 9ng (u)guQ

(И)619 Щ (и) 619 id) 619

(Z) 919 (i) 919 (9)h 919 {UO)i- C19

(o)h eiB (A)hcig

(ffjh 919 (d)hei9

I-же

(Z)S-HV

(z)89ZHe ((j99ZHe

§

s a. и

s a.

X ffl

a о-

° s-l

я

влияния на демпфирующие свойства титановых сплавов. i4 изложенному следует добавить, что величина декремента около 0,05% свойственна не только а + р-сплавам, но и а-сплавам типа сплава ВТ15, а также и нелегированному титану. В настоящее время нет сведений о способах повышения демпфирующих свойств титановых сплавов. В связи с этим, для обеспечения вибрационной надежности элементов различных установок (турбинные лопатки, трубы в потоках газовой или жидкой среды и т. п.) особо важное значение имеет конструктивное демпфирование колебаний.

4. Коррозионная стойкость и коррозионное растрескивание титановых сплавов

Природа коррозионной стойкости титана и его сплавов. Все

известные металлы и сплавы в определенных условиях могут быть подвержены коррозии, т. е. быть термодинамически неустойчивыми, способными к переходу из металлического состояния в ионное.

Степень термодинамической нестабильности металла характеризуется величиной и знаком стандартного электродного потенциала ионизации, отражающего изменение свободной энергии при переходе иона из металла в раствор. Чем меньше или чем отрицательнее электродный потенциал, тем меньшей коррозионной стойкостью при прочих равных условиях обладает металл. Теоретически рассчитанные стандартные потенциалы ионизации {Е) титана равны [90]:

Ti -> Ti2+ + 2£; £ = 1,63 В;

Ti -> Ti + 3£; Е = 1,23 В;

Ti + - TiO- + 2Н; Е = 0,88 В.

В соответствии с этими данными титан является очень активным металлом. Однако практически титан - не только коррозионно-стойкий материал по отношению ко многим агрессивным природным средам, но не реагирует и с большинством кислот. Столь высокая стойкость титана объясняется быстрым образованием на его поверхности пассивной окисной пленки, прочно связанной с основным металлом и исключающей непосредственный контакт металла с электролитом. Окисная пленка на титане возникает при окислении на воздухе, анодном окислении и самопассивации его не только в сильно окислительных, но и в нейтральных и слабокислых растворах. Одним из важнейших факторов, способствующих образованию защитной пассивной пленки на титане, является наличие в растворе окисляющих агентов и в первую очередь кислорода. Помимо кислорода воздуха роль пассиваторов, резко тормозящих процесс коррозии титана в едких растворах, могут играть. известные окислители: азотная или хромовая кислота, перманганат калия и др. В водных растворах пассивация титана

может происходить и в отсутствии кислорода воздуха или специальных окислителей, что объясняют окислением титана гид-роксильной группой. О способности титана пассивироваться более легко, чем железо, никель, хром, можно судить на основании данных табл. 4. Из пассивирующихся металлов лишь тантал и ниобий обладают более высокой коррозионной стойкостью, чем титан, вследствие их более легкой пассивируемости и большей устойчивости пассивного состояния. Стойкость пассивного состояния титана значительно выше, чем у железа, хрома, никеля и нержавеющих сталей; кроме того, в отличие от этих металлов титан

способен сохранять стойкое

Таблица 4. Величина тока и потенциала пассивации для 1-м H2SO4

пассивное состояние по отношению к водным растворам,содержащим наряду с кислородом ионы хлора практически в любой концентрации-

Коррозионная стойкость титановых сплавов в пассивном состоянии определяется стойкостью к данной агрессивной среде поверхностных пленок- В большинстве случаев это тонкие окисные пленки рутила, но в кислотных растворах природа поверхностных пленок может меняться. Исследования коррозии титана в растворах серной и соляной кислот показали, что защитная пленка в этом случае состоит из гидрида титана [90], что свидетельствует о возможности торможения процесса активного растворения титана вследствие образования гидридного слоя.

Коррозионная стойкость в естественных средах. В разнообразных атмосферных условиях титан является одним из самых стойких материалов. Проведенные Бомбергером в промышленной и морской атмосферах сравнительные испытания по скорости коррозии титана, алюминиевых сплавов, нержавеющих сталей, никель-медного сплава и сплава инконель показали, что за пятилетний срок на всех металлах, кроме титана, были обнаружены видимые продукты коррозии, тогда как образцы из титана даже не изменили блеска поверхности.

Испытания в пресной воде образцов из титана (водопроводная вода и вода из Финского залива в течение 5 мес при температуре 8-25° С показали, полное отсутствие признаков коррозии, поверхность их оставалась блестящей. Титан имел абсолютную коррозионную стойкость в холодной (12-13° С) и горячей (45-50° С) невской воде. Опыты Б. Б. Чечулина и Е. Я- Кабановой показали, что при испытании в автоклаве с пресной водой под давлением до 65 кгс/см в течение 1100 ч при +20° С (306 ч автоклав находился при температуре 280° С) образцы из титана сохраняют полную коррозионную стойкость.

В спокойной и движущейся морской воде титан также обладает высокой коррозионной стойкостью. На рис. 12 приведены результаты сравнительных лабораторных испытаний при спокойном погружении полированных образцов из наиболее употребительных в морских условиях материалов в синтетическую морскую воду. Титановые образцы сохранили неизменную массу и внешний вид после 250 дней испытания. Нержавеющая сталь марки 0Х18Н10Т подверглась незначительной коррозии, остальные материалы корродировали значительно. Столь же высокую коррозионную стойкость в аналогичных условиях показали и сварные соединения из титана. Проведенное американскими исследователями изучение коррозионной стойкости титана и его сплавов в Атлантическом океане на глубине 830 и 2000 м показало абсолютную коррозионную стойкость таких сплавов, как Ti-5А1-2,5Sn, Ti-7А1-2Nb-ITa, Ti- 8Mn, Ti-6A1-4V, Ti-4A1- ЗМ0-IV и Ti-13V-llCr- 3A1.

В табл. 5 приводятся результаты лабораторных испытаний в синтетической морской воде на струевую коррозию титана и некоторых металлов и сплавов, наиболее часто применяемых в морских условиях. Создание условий струевого воздействия морской воды сильно увеличивает коррозию всех испытанных материалов, особенно меди и алюминиевых сплавов. Титан в указанных условиях оказался абсолютно устойчивым: не было обнаружено даже потускнения поверхности образцов.

Испытания на магнитострикционном вибраторе (частота колебаний 8000 Гц, амплитуда 0,07 мм), а также при соударении со струей воды показывают, что по кавитационно-эрозионной стойкости титан находится на уровне нержавеющих сталей. При испытании в морской воде с продуктами гниения под действием струи воздуха титан не корродировал в течение 10 ООО ч. Медные сплавы в этих условиях сильно корродировали [88]. В непосредственной близости от последнего диска паровой турбины, т. е. там, где пар наиболее насыщен каплями воды, титан проявляет более высокую эрозионную стойкость, чем сталь типа 1X13 и монель-металл, но одинаковую со сталью типа 0Х18Н10Т [74].

50 100 т zoo 250 Продолжительность испытания, дни

Рис. 12. Результаты испытания на коррозию в спокойной синтетической морской воде:

Д-л - сталь марки СХЛ-4; О-О-О -

малоуглеродистая сталь СтЗ; - - медь электролитическая; А-А-бронза БрОЦ 10-2;

X-X - латунь ло 70-1; □-□ - титан

марки BT1-0

Таблица 5. Результаты лабораторных испытаний титана и других материалов в синтетической морской воде в условиях спокойной выдержки и струевой коррозии

Исследования стойкости титана против щелевой коррозии показали, что он совершенно не подвержен коррозии в щелях и зазорах: на образцах из титана с прикрепленными к поверхности фибровыми, графитовыми и резиновыми прокладками при испытании в морской воде и морской атмосфере не было обнаружено никаких признаков щелевой и язвенной коррозии. Отсутствие склонности титана к щелевой коррозии установлено и в естественной морской воде при наличии обрастания - т. е. в условиях, приближающихся к щелевой коррозии. В табл. 6

Таблица 6. Щелевая коррозия титана и некоторых сплавов в морской воде

Потеря массы образца за 220 сут (мг)

Прилегающий металл

Приводятся результаты испытания на щелевую и контактную коррозию без прокладок в морской воде титана и некоторых сплавов, свидетельствующие об абсолютной коррозионной устойчивости титана во всех испытанных условиях. Коррозия других металлов сосредоточивалась у кромок соединенных образцов по прилегающим плоскостям неравномерно, локальными участками, что характерно для щелевой коррозии. Щелевая коррозия других металлов усиливается при контакте с титаном. Применение плотных прокладок (резина) существенно снижает степень усиления коррозии.

Исследование склонности к коррозионным разруишниям в морской воде в условиях теплопередачи показало, что титан обладает устойчивой пассивностью при температуре металла до 100° и тепловом потоке до 5-10 ккал/(м-ч). В таких условиях ни один из известных технических металлов не может конкурировать с титаном и его сплавами по коррозионной стойкости. В связи с этим, титан и его сплавы являются наиболее перспективными материалами для теплообменников с высокими тепловыми нагрузками и большими скоростями движения теплопередающих сред.

Коррозионная стойкость титана в растворах солей, кислот, щелочей и других неорганических реагентах. В соляной кислоте при комнатной температуре титан сохраняет устойчивость лишь при концентрации ее до 5%. С повышением концентрации кислоты, * особенно при одновременном повышении температуры, скорость коррозии титана возрастает. Однако титан сохраняет устойчивость до более высокой концентрации соляной кислоты, чем кислотостойкая нержавеющая сталь (20Сг, 29Ni, 2Мо, ЗСи, ISi, 0,75Мп, 0,17С) 1911.

Интенсивность коррозии титана в соляной кислоте может быть сильно уменьшена добавкой в раствор небольших количеств ингибиторов (азотной кислоты, перманганата калия, хромовой кислоты и др.), а также солей меди, железа и благородных металлов.

В серной кислоте (чистой от примесей) титан сохраняет устойчивость при концентрации ее до 5% (при комнатной температуре). С увеличением концентрации скорость коррозии титана возрастает. Свободный хлор, добавляемый в серную кислоту, в интервале концентраций 10-95% при -f20°, до 40% - при +60° и до 20% - при +90° С [89] существенно снижает скорость коррозии титана. В промышленной, загрязненной серной кислоте титан обладает лучшей стойкостью.

В аэрируемых растворах фосфорной кислоты концентрации до 30% при температуре 20° С коррозионная стойкость титана удовлетворительна. При повышении температуры граница устойчивости титана смещается в сторону меньших концентраций.

Фтористоводородная кислота и фториды оказывают самое сильное корродирующее действие на титан и его сплавы среди электролитов. Защитная пленка титана хорошо растворяется в плавиковой кислоте, поэтому он сразу теряет свою пассивность