Тема 1.6. Коррозионностойкие стали для элементов оборудования водо-
1.9. Цветные металлы и сплавы оборудования АЭС
1.9.5. Титан и его сплавы
ния равна 640°С. Полное сгорание материала за счет саморазогрева происхо- дит при температуре не ниже 615°С. Оболочки ТВЭЛов из спеченных по- рошковых магниевых сплавов не уступают по коррозионной стойкости в уг- лекислом газе оболочкам из литейных и деформируемых сплавов.
В нейтральных средах, в том числе и в дистиллированной воде, магний и его сплавы нестойки. Нормальный потенциал магния равен ‒2,38 В, т. е.
магний весьма электроотрицателен и крайне активен в коррозионном отно- шении. Облученные элементы в оболочке из сплавов магнокс хранятся в воде в течение времени, необходимого для снижения активности короткоживущих продуктов деления. Сильная коррозия сплавов магния за это время может привести к контакту урана с водой и загрязнению бассейна выдержки.
Очистка воды от хлоридов и карбонатов до содержания их 0,02 мг/л и увели- чение рН среды выше 11 почти полностью подавляют коррозию магнокса.
Следует отметить, что в описываемых условиях контакт сплавов магния с нержавеющей и низколегированной сталями, графитом интенсифицирует коррозию, вызывает образование язв. Контакт с алюминием и его сплавами не интенсифицирует коррозию сплавов магния.
Магний и его сплавы нестойки к атмосферной коррозии. Для защиты изделий из сплавов магния в этом случае применяют системы покрытий. При изготовлении оболочек сплавы магния сваривают аргоно-дуговой, электрон- но-лучевой сваркой.
144 Коэффициент линейного расширения, град-1 8,5-10–6
Коэффициент теплопроводности, Дж/(г· °С) 1,7154
Кристаллическая структура α-Фаза, ГПУ до 882°С,
β-Фаза ОЦК от 882 °С Параметры кристаллической решетки α-Фаза, α = 0,29504,
с=0,46833 β-Фаза, а=0,33065
Важными свойствами титана являются высокая удельная прочность в сочетании с высокой пластичностью и хорошая коррозионная стойкость. Од- нако титан плохо обрабатывается резанием и имеет низкие антифрикционные свойства.
Постоянными примесями титана являются Fe, Si, С, О, N, Н и др. При- меси кислорода, азота, углерода повышают прочностные характеристики ти- тана и уменьшают его пластичность. Водород существенно снижает ударную вязкость титана. Из-за высокого коэффициента трения титан не рекомендуют для резьбовых соединений.
Технический титан маркируется буквами и цифрами: ВТ 1-00 (95,53 % Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti), ВТ1-1 (99,44 % Ti). Чем меньше нулей в обозначении титана, тем больше содержится в нем примесей, которые оказывают сильное влияние на механические и другие свойства. Небольшое содержание кисло- рода, азота и углерода повышает твердость и прочность титана, но при этом снижает пластичность, коррозионную стойкость и ухудшает свариваемость и обрабатываемость давлением.
Технический титан ВТ1-1 с суммарным содержанием примесей 0,6- 0,7% имеет следующие механические свойства: 02 = 380-500МПа, в=450- 600 МПа, 5= 20-25 %, НВ 200-210. При меньшем суммарном содержании примесей твердость и прочность титана снижаются, а пластичность повыша- ется.
Сплавы титана.
Технический титан при комнатной температуре обладает заметной ползучестью. Для уменьшения ползучести сплавы титана легируют Al, V, Zr, Мо в количестве нескольких процентов. По удельной прочности (отношение предела прочности к плотности) сплавы титана превосходят все известные технические сплавы. Поэтому сплавы титана применяют для изготовления изделий, работающих при значительных нагрузках и высокой температуре. В отличие от технического титана титановые сплавы обладают более высокими прочностью при комнатной температуре, жаропрочностью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, хладостойкостью.
Сплавы титана технологичны. Они хорошо куются, штампуются, про- катываются (только в горячем состоянии). Большинство сплавов титана хо- рошо свариваются аргонно-дуговой сваркой. Сварные швы пластичны. При толщине металла более 3 мм сварные швы для снятия внутренних напряже- ний отжигают. Сплавы титана хорошо обрабатываются резанием. При дли-
тельном нагреве на воздухе при температуре выше 650°С на поверхности сплавов титана образуется тонкий хрупкий слой, снижающий пластичность.
Наряду с процессом окислений идет процесс диффузии кислорода и азота в глубь металла. При этом под окалиной образуется хрупкий слой. Он снима- ется механической обработкой или травлением, если механическая обработка изделий из сплавов титана не предусмотрена.
По стойкости в воде высокой чистоты при высокой температуре спла- вы титана превосходят аустенитные нержавеющие стали. Вынос продуктов коррозии титана в теплоноситель пренебрежимо мал.
Сплавы титана не подвержены контактной, язвенной коррозии и, что особенно существенно, коррозии под напряжением.
Структура титановых сплавов представляет собой твердые растворы легирующих элементов в - и -модификациях титана. Легирующие элемен- ты подразделяются в зависимости от их влияния на температуру полиморф- ного превращения титана на две группы: элементы, расширяющие область существования -фазы и повышающие температуру превращения (Al, Ga, Ge, La, С, О, N) и элементы, сужающие -область и повышающие темпера- туру полиморфного превращения (V, Nb, Та, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Со, Si, Ag и др.). Поскольку легирующие элементы влияют на стабилизацию аллотропи- ческой модификации титана, то сплавы титана в зависимости от их стабиль- ной структуры подразделяют на три группы: -сплавы, (+)-сплавы (двух- фазные) и -сплавы.
Титановые сплавы также классифицируют, например, по технологии производства (деформируемые, литейные, порошковые) или по механиче- ским свойствам (обычной прочности, высокопрочные, жаропрочные и др.)
В деформируемых титановых сплавах с -структурой основным леги- рующим элементом, влияющим на свойства, является алюминий. При содер- жании алюминия примерно 5 % существенно повышаются прочность, жаро- прочность, жаростойкость и снижается плотность сплава.
Деформируемые титановые сплавы упрочняются легированием и пла- стической деформацией и не упрочняются термической обработкой. Такие сплавы подвергают только рекристаллизационному отжигу. Наиболее рас- пространенным является сплав ВТ5, который хорошо сваривается и обраба- тывается давлением, жаропрочен и кислотостоек. Добавка олова (примерно 2,5 %) улучшает технологические и механические свойства сплава, который обозначается ВТ5-1.
К группе сплавов с -структурой относятся также псевдо--сплавы, имеющие в основном -структуру и небольшое количество -фазы (1-5 %) вследствие дополнительного легирования марганцем. Такими сплавами, например, являются сплавы ОТ4, ВТ4, которые обладают более высокой пла- стичностью.
Основным недостатком сплавов с -структурой является склонность к хрупкости, если в сплаве содержится более 0,02 % водорода.
146
Деформируемые титановые сплавы с (+)-структурой упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Типичными яв- ляются сплавы марок: ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др. Чем больше -фазы содержится в сплаве, тем сильнее он упрочняется. Повышенной прочностью обладают сплавы ВТ14, ВТ15 и ВТ16.
При старении сплава образуются две дополнительные упрочняющие фазы, одна из которых вызывает хрупкость. Установлено, что при темпера- туре старения примерно 500 °С охрупчивающая фаза не образуется. Поэтому рекомендуется выполнять старение сплава при температуре, при которой об- разуется только одна дополнительная упрочняющая мелкодисперсная фаза.
Изделия из титановых сплавов с - и (+)-структурой могут длитель- ное время работать при температурах 500 °С (ВТ20) и 550-600°С (ВТ18). Жа- ропрочность титановых сплавов повышается при легировании Zr, Al, Mo, Si.
Деформируемые титановые сплавы с -структурой не нашли широкого промышленного применения, несмотря на высокую прочность при комнат- ной температуре. Недостатками этих сплавов являются плохая сваривае- мость, высокая стоимость из-за необходимости легирования дорогостоящими элементами (V, Mo, Nb, Та). В промышленности применяется сплав ВТ15, который еще называют псевдо--сплавом. Он имеет в основном -структуру с небольшим количеством -фазы. Этот сплав хорошо штампуется и постав- ляется в виде поковок, полос и прутков.
В табл 2.43 приведены механические свойства и режимы термической обработки некоторых деформируемых титановых сплавов.
Таблица 2.43 Механические свойства и режимы термической обработки неко- торых деформируемых титановых сплавов
Марка
сплава 0,2, МПа в, МПа 5, % KCU, Дж/см2
Режимы термической обработки ВТ5 600-850 700-950 10-15 30-60 Отжиг при 740-760 °С ВТ5-1 650-850 750-950 10-15 40-90 Отжиг при 860-880 °С ОТ4 550-650 700-900 12-20 35-65 Отжиг при 670-720 °С ВТ4 700-800 850-1050 15-22 35-65 Отжиг при 700-750 °С ВТ14 1080-1300 1150-1400 6-10 25-35 Закалка от 860-880 °С;
старение при 500 °С ВТ15 1180-1400 1300-1500 3-6 25-30 Закалка от 760-800 °С;
старение при 450-480 °С ВТ16 1100-1200 1250-1450 4-6 40-60 Закалка от 790 °С; старе-
ние при 500 °С
ВТЗ-1 850-1100 1000-1200 10-16 30-60 Изотермический отжиг при 850 и 670 °С
ВТ8 850-1050 850-1050 9-16 30-60 Закалка от 900-950°С; ста- рение при 500-480°С
Литейные титановые сплавы. Эти сплавы имеют хорошие литейные свойства (высокие жидкотекучесть и плотность отливок, малые усадку и склонность к образованию горячих трещин). Однако из-за активного взаимо- действия титана с газами и формовочными материалами необходимо произ- водить их плавку и разливку в вакууме или в среде нейтральных газов. По сравнению с деформируемыми сплавами литейные сплавы имеют низкую стоимость, меньшие прочность, пластичность и выносливость.
Для фасонного литья применяют сплавы BT5Л, BT14Л и BT3-1Л, хи- мический состав которых в основном совпадает с химическим составом ана- логичных деформируемых сплавов. Однако сплав BT14JI дополнительно со- держит Fe и Сr. Упрочнение этих сплавов термической обработкой не при- меняется, так как она резко снижает пластичность. Специальные литейные сплавы BTЛI1 и ВТ21Л, содержащие до 5-6,6 % А1, имеют наибольшую прочность (в=1000-1100МПа).
Наилучшими технологическими свойствами из рассмотренных литей- ных титановых сплавов обладает сплав ВТ5Л, имеющий достаточно высокую прочность и ударную вязкость. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температуре до 400°С.
Литейные титановые сплавы используются для изготовления заготовок труб и различных фасонных отливок.
В табл. 1.44 представлены химический состав и механические свойства литейных титановых сплавов.
Таблица 1.44. Химический состав, механические свойства и режимы термиче- ской обработки некоторых литейных титановых сплавов
Марка А1 Сr Мо V Прочие
элементы в, МПа 5, % KCU, Дж/см2
ВТ5Л 5 - - - - 700-900 6-12 30-35
ВТЗ-1Л 5,5 2,0 2,0 - 0,2 Si 1000-1100 4-6 30
ВТЛ1 5,0 - - - 1,0 Si 900-1000 5-10 15
ВТ21Л 6,6 0,35 0,7 1,2 5,0 Zr, 0,35 Fe 1000-1100 4-7 20
Порошковые титановые сплавы. Современные технологии порошковой металлургии позволяют получать титановые сплавы примерно с теми же ме- ханическими и эксплуатационными свойствами, что и у деформируемых сплавов. Однако стоимость и время изготовления изделий из порошковых сплавов существенно ниже (до 50 %), чем из литых или деформируемых сплавов.
Титановый порошковый сплав ВТ6, который получают горячим изо- термическим прессованием, имеет прочность (в=70 МПа) и пластичность (5=16%), свойственные и для деформируемого титанового сплава. Если сравнивать порошковый сплав ВТ6 с аналогичным деформируемым сплавом
148
после закалки и старения, то первый несколько уступает по прочности, но превосходит в пластичности.
Исследования сплавов титана показывают, что длительная эксплуата- ция их в ядерных энергетических установках не вызывает насыщения их во- дородом и охрупчивания. Благодаря этим свойствам сплавы титана получают все более широкое применение для изготовления теплообменного оборудо- вания АЭС.
Из сплавов титана выполняются рабочие лопатки последних ступеней мощных паровых турбин АЭС, а также элементы конденсаторов паровых турбин (поверхности теплообмена, трубные доски).