Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 11 )

Сплавы первой группы термической обработкой не упрочняются, содержание легирующих элементов (титан, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, тантал, рений) в них выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.

Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен. Сплавы на основе ванадия и хрома - наименее жаропрочны. Тем не менее, при температурах 800-1000 °С сплавы ванадия превосходят железные и никелевые сплавы, а сплавы на основе хрома благодаря жаростойкости применимы до температур 1000-1100°С.

Таблица 1.11

Механические свойства тугоплавких сплавов

Сплав	При 25 оС	При 1200 оС	σ100, МПа
σв, МПа	σ0,2 , МПа	δ , %	σв, МПа	Δ , %
На основе ниобия: ВН2А (4,1 Мо; 0,7 Zr; < 0,08 С)	800-900	620	4-5	240-260	-	130 (при 1100°С)
ВН4 (9,5 Мо; 1,5 Zr; 0,3 С)	810	730	16	550	-	280 (при 1100°С)
На основе тантала: Та + 10 W	760	520-710	3,5	300-490 1051	1,2 301	140 (при 1200°С) 35 (при 1650 °С)
1	2	3	4	5	6	7
На основе хрома: ВХ1И (до 1Y) ВХ2 (0,15 Ti; 0,2 V; 1 Y) BX4 (32 Ni; 0,15 Ti; 0,25 V, 1,5 W)	270 350 950	190 240 800	3 3 8	80 250 2402	- 30 121	24 (при 1200оС) 65 (при 1100 оС) -
На основе молибдена: ВМ1 (0,4 Ti; ≤0,01 С) ВМЗ (1,1 Ti; 0,5 Zr; 0,4 С; 1,4 Nb) Мо + 40 Re	800 800-860 840	680 - -	10 0,03 2-8	340 550 1303	14 12 -	80-90 (при 1200 oС) 250-270 (при 1300 °С) -
На основе вольфрама: W + 27 Re W+ 15 Мо	1400 -	- -	4 -	700 175	123 274	42 (при 1600 °С) -
Примечания: 1 при 2000 оС; 2 при 1000 оС; 3 при 1500 оС; 4 при 1600 оС.

Сплавы на основе ниобия работоспособны до 1300°С, а при кратковременной работе выдерживают температуры до 1500°С. Их достоинство - небольшая плотность. Сплавы на основе молибдена работоспособны до 1300-1400°С, на основе тантала - до 2000 °С, а на основе вольфрама - до 2000-2200 °С (табл. 1.11). При температурах до 1900-2000 °С многие сплавы на основе тугоплавких металлов более жаропрочны, чем вольфрам. Выше температуры 2000-2500 °С нелегированный вольфрам является самым жаропрочным металлом (в защитной атмосфере).

1.5. Титановые сплавы

Титановые сплавы имеют большие перспективы применения в тех отраслях, где можно использовать их высокую коррозионную стойкость (при этом прочность является хотя и желательным, но все же второстепенным фактором). Это относится в первую очередь к химическому производству, где в ряде случаев аппаратура даже из коррозионно-стойкой стали оказывается недостаточно стойкой к коррозии и быстро выходит из строя. Более высокая стоимость титановой аппаратуры (по сравнению со стальной) окупается благодаря значительному повышению срока службы изделий.

Области применения изделий из титановых сплавов следующие:

химическое и нефтехимическое производство - теплообменники, реакторные сосуды, аноды, очистительно-отбеливательное оборудование;

машиностроение - клапаны, золотники, пружины, коленвалы;

добыча топлива, производство ядерных силовых установок - конденсаторы, лопатки турбин, детали оборудования для использования тепловой энергии океана, детали бурильного, нефтеперекачивающего и нефтеперегонного оборудования;

градостроение - крыши, панели, трубопроводы, оболочки;

производство морской аппаратуры - детали установок опреснения морской воды, глубокопогружаемые обитаемые камеры, детали шельфовых установок нефтедобычи, полупогружаемые емкости;

производство криогенной техники - сверхпроводящие генераторы, МГД-генераторы;

производство тары для радиоактивных отходов - канистры, транспортировочные контейнеры;

производство прецизионного оборудования - корпуса компьютеров, часов, камеры;

медицинская промышленность - хирургические имплантанты, сердечные клапаны, микрохирургический инструмент, протезы;

производство спортивного инвентаря - ракетки, клюшки, детали велосипедов.

Однако из-за дефицитности использование титановых сплавов весьма ограничено. Сейчас разработан новый класс титановых сплавов – вторичные титановые сплавы. Они имеют повышенное содержание примесей и более широкий по сравнению с серийными перечень используемых легирующих элементов, но, тем не менее, обладают всеми основными преимуществами серийных сплавов.

При производстве деталей, узлов и агрегатов применяют в основном технический титан марок ВТ1-0, ВТ1-00 и титановый сплав ОТ4-1 (ГОСТ 19807-74), поставляемый в виде листов, плит, труб, прутков и поковок. Под вторичными титановыми сплавами подразумеваются сплавы, основу шихты которых составляют отходы технологического производства, а также слитки из этих отходов.

Разработаны четыре марки вторичных титановых сплавов: ВТВ1, ВТВ2, ВТВЗ, ВТВ4. В качестве шихтовых материалов при выплавке слитков используют отходы производства титановых сплавов, а также 25 - 30 % титановой губки ТГ100. Из вторичных титановых сплавов освоено производство листов, плит толщиной 7 - 50 мм, прутков диаметром 10 - 25 мм. На все указанные виды полуфабрикатов разработаны соответствующие технические условия.

Детали и узлы из вторичных титановых сплавов могут быть сварены всеми видами сварки, применяемыми для серийных титановых сплавов: аргонодуговой, электронно-лучевой, точечной и др. В качестве присадки используют проволоку из сплава марки BTl-ООсв, СПТ2.

Операции листовой штамповки и гибки заготовок из сплава марки ВТВ1, как правило, производят в холодном состоянии, из сплавов ВТВ2, ВТВЗ, ВТВ4 - при нагреве до 700 °С. Механическую обработку (точение, фрезерование, строгание и др.) вторичных титановых сплавов проводят инструментом с твердосплавными пластинами типа ВК6 и ВК8. Режимы резания аналогичны режимам для серийных титановых сплавов.

Титан и его сплавы весьма стойки в различных агрессивных средах, поэтому из них изготавливают сосуды, реакторы, каркасы, теплообменники и другое оборудование, используемое в химической промышленности при производстве различных материалов, в анилинокрасильной промышленности при производстве полупродуктов для получения красителей; в целлюлозно-бумажной промышленности при процессах отбеливания целлюлозы диоксидом хлора и в кислотных цехах сульфит-целлюлозного производства; в нефтехимической промышленности при получении ацетальдегида, неорганических полисульфидных каучуков; в гидрометаллургии при работе с сернокислыми растворами, содержащими примеси борной кислоты и ионов хлора, а также с солянокислыми растворами; в микробиологической промышленности при работе в среде органических кислот; в пищевой промышленности при контакте с органическими кислотами и пищевыми полуфабрикатами.

Бурильные и насосно-компрессорные трубы из титановых (в том числе вторичных) сплавов могут быть эффективно использованы при добыче и перекачке богатой нефти из новых месторождений. В настоящее время для этих целей применяют трубы из специальных сталей, закупаемые по импорту.

Фильтры, изготовленные из сферических порошков титана, инертны, коррозионно-стойки, что обусловливает их применение в фармакологии и пищевой промышленности. К преимуществам этих фильтров можно отнести сравнительно низкое сопротивление потоку, высокую термостойкость, тепло - и электропроводность, способность к регенерации.

Комплекс высоких физико-механических свойств титановых сплавов полностью реализуется при создании глубоководных морских исследовательских аппаратов типа батисферы или батискафа.

Благодаря высокой коррозионной стойкости из титана целесообразно изготавливать емкости для захоронения отработанных ядерных материалов и других радиоактивных отходов. Титан надежно обеспечивает длительные сроки хранения этих материалов в соляных копях и других подземных выработках.

1.6. Аморфные металлы и сплавы

Аморфные металлы и сплавы (металлические стекла) получают путем охлаждения расплава с высокой скоростью, превышающей скорость кристаллизации порядка 106 – 108 оС/с. В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становятся невозможными и металл после затвердевания имеет аморфное строение, т. е. в аморфных твердых телах, как и в жидкости, сохраняется только ближний порядок в расположении атомов. Высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто в настоящее время используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 1.5). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Рис. 1.5. Схема получения аморфных сплавов
с помощью быстрого охлаждения из расплава:
а - разливка на диск; б - разливка между двумя дисками;

1 - индуктор; 2 - расплав; 3 - тигель; 4 - диск;
5 - лента аморфного материала

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах А1, РЬ, Sn, Сu и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Co, Fe, Mn, Сr к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле M80X20, где М – один или несколько переходных элементов, а Х – один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe80P13C7, Ni82P18, Ni80S20).