Влияние деформационно-термической обработки (a+b)-сплавов титана ВТ6 и ВТ22 на их коррозионную стойкость

Abstract

Актуальность. Титан и его сплавы являются одними из наиболее прочных и коррозионностойких металлических материалов, что обусловливает их широкое применение в машиностроении, авиа- и двигателестроении, химическом аппаратостроении, медицине. Использование таких конструкционных материалов с повышенной стойкостью в агрессивных средах позволяет повысить эффективность технологий переработки природного сырья (реакторы высокого давления, центрифуги, сепараторы, высокоскоростные насосы, теплообменники, коммуникации), получения хлора и щелочей (выпарные аппараты, электролизное оборудование), органического синтеза (оборудование для получения галогенпроизводных), производства азотной кислоты, аммиака и азотных удобрений. Сочетание механической и термической обработки сплавов, в том числе с использованием интенсивной пластической деформации, позволяет модифицировать их структуру и получать материалы с улучшенными физико-механическими характеристиками. Цель: определить влияние различных режимов деформационной и термической обработки титановых сплавов ВТ6 и ВТ22 на их коррозионную стойкость в водных растворах кислот, щелочей и солей. Объекты: образцы сплавов ВТ6 и ВТ22 с различной структурой, водные растворы кислот, щелочей и солей. Методы: вольтамперометрия постоянного тока, гравиметрия в условиях свободной коррозии, оптическая микроскопия, растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, атомно-эмиссионная спектроскопия. Результаты. В условиях интенсивной пластической деформации получены образцы титановых сплавов ВТ6 (всестороннее прессование в интервале температур 800…550 °С) и ВТ22 (радиально-сдвиговая прокатка в интервале температур 850…750 °С, дополнительная холодная прокатка горячекатаных образцов, старение при 550 °С в течение 3…6 ч) с ультрамелкозернистой структурой. Установлено, что сплав ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой обладает меньшей коррозионной стойкостью в условиях свободной коррозии в растворах серной кислоты с высокой концентрацией (5 М), а также в 3,5%-м растворе NaCl при анодной поляризации по сравнению с исходным сплавом с крупнозернистой структурой. Основными типами коррозионных разрушений поверхности ультрамелкозернистых образцов являются язвы и питтинг, тогда как для образцов с крупнозернистой структурой характерна сплошная коррозия. Повышение скорости коррозии и морфологические особенности разрушения поверхности объяснены структурно-фазовой неоднородностью и сегрегацией легирующих элементов в результате деформационно-термического воздействия. Коррозионная стойкость образцов ВТ22 с ультрамелкозернистой структурой коррелирует с содержанием b-фазы и особенностями межфазного распределения легирующих элементов в ходе полиморфного превращения a-TiDb-Ti в условиях деформационно-термической обработки материала. Показано, что образцы ВТ22 после горячей прокатки наиболее устойчивы в растворах кислот (0,1 М HCl, H2SO4) и наименее устойчивы в растворе щелочи (0,1 М NaOH) по сравнению с образцами, обработанными в других режимах. В 3,5%-м растворе NaCl наименьшую устойчивость проявляет ультрамелкозернистый образец ВТ22 после дополнительной холодной прокатки вследствие большой концентрации структурных дефектов, способствующих усилению коррозионного растрескивания материала. Интерпретация экспериментальных результатов проведена с использованием теоретических расчетов равновесного состава продуктов коррозии, образующихся в исследуемых многокомпонентных системах.

Relevance. Titanium and its alloys are the most durable and corrosion-resistant metal materials that makes them widely used in mechanical engineering, aircraft and machinery, chemical apparatus construction, medicine. The use of such construction materials with increased resistance in aggressive environments makes it possible to increase the efficiency of technologies for processing natural raw materials (high-pressure reactors, centrifuges, separators, high-speed pumps, heat exchangers, communications), the production of chlorine and alkalis (evaporators, electrolysis equipment), organic synthesis (equipment for the production of halogen derivatives), the production of nitric acid, ammonia and nitrogen fertilizers. The combination of mechanical and thermal treatment of alloys, including the use of severe plastic deformation, allows modifying their structure and obtaining materials with improved physical and mechanical characteristics. Purpose: to determine the effect of various modes of the deformation and heat treatment of titanium alloys VT6 and VT22 on their corrosion resistance in aqueous solutions of acids, alkalis and salts. Objects: samples of VT6 and VT22 alloys with different structures, aqueous solutions of acids, alkalis and salts. Methods: DC voltammetry, gravimetry under conditions of free corrosion, optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, atomic emission spectroscopy. Results. Under conditions of severe plastic deformation, samples of titanium alloys VT6 (triaxial pressing in the temperature range from 550 to 800 °C) and VT22 (radial shear rolling in the temperature range from 750 to 850 °C, additional cold rolling of hot-rolled samples, aging at 550 °C for 3...6 hours) with ultrafine-grained structure have been produced. It was found that VT6 alloy with ultrafine-grained structure has less corrosion resistance under conditions of free corrosion in solutions of sulfuric acid of a high concentration (5 M), as well as in 3,5 % NaCl solution at anodic polarization compared to the initial alloy with coarse-grained structure. The main types of corrosion damage to the surface of the ultrafine-grained samples were ulcers and pitting, whereas for samples with a coarse-grained structure, continuous corrosion was characteristic. The increase in the rate of corrosion and morphological features of the destruction of the surface are explained by structural-phase heterogeneity and segregation of alloying elements as a result of the deformation and thermal effects. The corrosion resistance of VT22 samples with an ultrafine-grained structure correlates with the content of the b-phase and with the features of the interphase distribution of alloying elements resulting from the polymorphic transformation of a-TiDb-Ti under conditions of the deformation and heat treatment. It is shown that VT22 samples after hot rolling are the most stable in acid solutions (0,1 M HCl, H2SO4) and the least stable in alkali solution (0,1 M NaOH) compared to samples treated under other regimes. In a 3,5 % NaCl solution, the ultrafinegrained sample VT22 showed the least resistance after additional cold rolling due to a large concentration of structural defects that contribute to increased corrosion cracking of the material. The interpretation of the experimental results was carried out using theoretical calculations of the equilibrium composition of corrosion products formed in the multicomponent systems under study.