Структура и коррозионная стойкость сплавов системы Ti-Nb, сформированных различными методами высокоэнергетической электронно-лучевой обработки

Научно-исследовательская работа направлена на разработку биметаллического материала с благоприятным сочетанием механических характеристик и высоким уровнем коррозионной стойкостью в растворах сильных кислот. Фундаментальная научная проблема проекта состоит в исследовании структуры, строения и свойств металлических композитов, полученных по технологии поверхностного электронно-лучевого легирования ниобием титановых заготовок в различных условиях. Тема проекта соответствует современным и приоритетным направлениям развития науки.В последнее время выполняется большое количество исследований направленных на получения материалов, обладающих высоким комплексом механических характеристик в сочетании с повышенным уровнем коррозионной стойкости. Материалы подобного типа применяются в химической промышленности для изготовления корпусов реакторов, в ядерной промышленности для получения резервуаров по переработке отработанного ядерного топлива, а также в качестве имплантатов в медицине [1-3]. К материалам удовлетворяющим данному комплексу свойств можно отнести нержавеющие стали и титановые сплавы. Использование большинства нержавеющих сталей в подобных условиях возможно только в разбавленных растворах кислот при комнатной температуре. Увеличение температуры или концентрации агрессивной среды способствует ускорению коррозионных процессов и быстрому растворения материала. Применение титановых сплавов позволяет значительно увеличить коррозионную стойкость изделия в подогретых растворах кислот, которая в отдельных случаях сохранится вплоть до температуры кипения. Кроме того, титановые сплавы обладают такими ценными свойствами как высокая удельная прочность, пластичность и низкая плотность. Однако титан и его сплавы подвержены значительной коррозии в перегретых и кипящих растворах сильных кислот.Одним из путей увеличения коррозионной стойкости титана в кипящих кислотах является легирование такими элементами как тантал, ниобий и молибден. Высокая коррозионная стойкость сплава при этом объясняется образованием более стойкой к агрессивному воздействию пассивной пленки на поверхности металла [4-6]. Наиболее эффективным легирующим элементом с точки зрения увеличения коррозионной стойкости титана является тантал. Титан-танталовые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в кипящих растворах сильных кислот, которая в отдельных случаях сопоставима с технически чистым танталом [7, 8]. Однако существенным недостатком такого легирования является высокая стоимость сплава, поскольку тантал дорогостоящий элемент. Кроме того, данный элемент обладает большой плотность (16,6 г/см3), что значительно увеличивает вес сплава [7]. Легирование титановых сплавов молибденом способствует повышению коррозионной стойкости в кипящих растворах соляной и серной кислоты. Однако титан-молибденовые сплавы обладают низкой стойкостью в кипящих растворах азотной кислоты, которая снижается с увеличением концентрации молибдена. Использование ниобия в качестве легирующего элемента титановых сплавов позволяет решит данную проблему. Ниобий обладает близким к танталу уровнем коррозионной стойкости, но при этом в 2 раза дешевле. Следует также отметить что введение ниобия в титан не приводит к существенному увеличению плотности сплава.Преимущественно титан-ниобиевые сплавы получают методом многократного электродугового переплава в вакууме или защитной среде, что является достаточно трудоемкой задачей [9, 10]. С другой стороны, для того чтобы обеспечить стойкость материала против коррозионного воздействия достаточно нанести на поверхность заготовки защитные слои, обладающие высокой стойкостью к агрессивной среде. Такой подход позволит значительно повысить коррозионную стойкость поверхности, а также сохранить механические характеристики материала основы. В связи с этим создание материалов, поверхностно легированных ниобием является актуальной задачей, имеющей как прикладное, так и фундаментальное значение.Исследования, проведенные ранее указывают на высокую эффективность высокоэнергетических методов при создании ниобийсодержащих слоев [11, 12]. Данные методы позволяют с большой скоростью наносить слои из тугоплавких металлов на поверхность материала основы. Наиболее производительным среди них является технология вневакуумной электронно-лучевой наплавки, которая позволяет формировать слои толщиной до 2 мм на крупногабаритных заготовках [13]. Поскольку обработка осуществляется в воздушной атмосфере, то для предотвращения насыщения переплавленного металла газами атмосферы в легирующую порошковую смесь вводятся флюсы. Однако, не смотря на большое содержание флюсов в исходной насыпке в приповерхностной зоне наплавленных слоев наблюдается повышенное содержание кислорода [14]. С целью исключения процессов насыщения ванны расплава газами воздушной атмосферы электронно-лучевую обработку целесообразно проводить в вакууме или в среде защитных газов.