[发明专利]具有改进耐腐蚀性和强度的钛合金

说明书

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2006/035867、国际申请日为2006年9月14日、进入中国国家阶段的申请号为200680039405.X、发明名称为“具有改进耐腐蚀性和强度的钛合金”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种新型的钛合金，其中改进的耐腐蚀性和强度是通过在基底钛或其钛合金中使用最高达4重量％的碳作为合金添加剂。

背景技术

钛是一种活性金属，就耐腐蚀性而言，取决于表面氧化物膜的形成和稳定性。在稳定的条件下，钛具有显著的耐腐蚀性特性。然而，其逆转也是确实的，因为在膜不稳定时，可以产生特别高的腐蚀速率。这些不稳定性的条件，通常在pH值的两个极端。强酸或强碱溶液可在钛氧化物膜中产生不稳定性。

典型地是，根据现有技术的实践，当在不确定的氧化物膜稳定性的区域内使用钛时，已经往钛中加入合金元素以提高氧化物膜的稳定性，这样在pH极值下就可提高其有效的实用性。已经证明，这种实践对于pH值的酸性端最有效，其中合金化能提高氧化物膜的稳定性多达2pH单位或更多。由于测定pH是根据对数标度测量，这意味着在腐蚀性酸的条件下，如沸腾的HC1中，钝性的电位提高(potential increase in passivity)100倍以上。一些合金元素在这方面已显示不同程度的成功，如钼、镍、钽、铌和贵金属。在这些族中，铂族金属(PGM)能提供最有效的保护以免遭腐蚀。铂族金属是铂、钯、钌、铑、铱和锇。

Stem等人在1959年在标题为“The Influence of Noble Metal Alloy Additions on the Elctrochemical and Corrosion Behavior of Titanium”的论文中论证了这一点。他们发现少到0.15％的Pd或Pt的合金添加剂在热还原性酸介质中，能极大地提高钛表面上的氧化物膜的稳定性，因而提高耐腐蚀性。因此，许多年以来ASTM7级钛(Ti-.15Pd)已经成为用于未合金化钛遭受腐蚀的一些严重腐蚀条件下所选择的标准材料。最近，ASTM16级(Ti-.05Pd)已被用来直接取代ASTM7级，因为它更经济些并且可以提供接近ASTM7级水平的耐腐蚀性。这样，人们倾向于认为在腐蚀性不剧烈的应用场合下它们是等效的。

通过将铂族金属添加到钛中所提供的保护机理是提高阴极去极化作用中的一种。铂族金属在酸性介质中能提供低得多的氢超电压，由此提高了电化学反应的阴极部分的动力学。这样提高的动力学说明阴极半反应斜率的变化，导致对钛而言更惰性(noble)的腐蚀电位。钛的活性/钝性的阳极行为可使腐蚀电位(极化)有小的位移，以引起腐蚀速率中的大的变化。

在用上面所列元素中的任何一种合金化钛情况下的问题是这样做的费用增加。上面所列元素中的每一种都比钛更贵，这样为了实现所希望的提高腐蚀保护就要生产成本更高的产品。添加小量钯(0.15％)的费用确实是材料(取决于钯和钛的现行价格)费用的两倍或三倍。

尽管上述现有技术的实践对提高钛在某些严重腐蚀性条件下的耐腐蚀性是有效的，但是贵金属特别是铂族金属的合金添加剂特别贵，因此，对于最终用户来说，可行性有限。具有ASTM7级性能，但具有更类似于工业纯ASTM2级钛(Ti-.12O)的成本的合金，对于钛的最终用户将有更大的益处。

另外，工业纯钛2级在化学工艺过程和海洋应用中是最常用的。ASTM2级易于制作和加工。这个级别的钛能为工业纯级提供最高的强度，同时对称作应力腐蚀裂纹(SCC)的粒状腐蚀保持阻力。尽管单纯地从强度观点来看ASTM3级和4级钛是合乎要求的，但由于在氯化物环境中，如海水，由于它们对SCC的倾向，由于氧含量提高，不能使用ASTM3和4级钛(与2级对比，具有提高的氧含量以产生增加的强度)。

惯用地，把氧作为工业纯1-4级钛中的主要强化剂使用。然而，当氧含量超过0.20wt％时，对应力腐蚀裂纹的敏感性变得非常高。这样，虽然它们有合乎要求的能导致较轻重量组分的强度程度，但氧含量高于0.20％界限的3和4级，当遇到氯化物介质时，一般是被最终用户所避免使用的。

这样，具有工业纯2级所有的理想特征，如可成形性和耐SCC性，以及工业纯3和4级钛的较高强度的合金，对于许多钛用户如化学工艺过程和海洋用或海军市场(Naval markets)来说是非常有价值的。使用这种较高强度、耐SCC的合金，可降低标准，由于需要的钛少，将导致减轻组分重量及降低成本。

发明内容