一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金及其制备方法

1.本发明属于涉及乏燃料后处理材料领域，具体涉及一种耐高温硝酸腐蚀钛合金及其制备方法。


背景技术：

2.乏燃料后处理过程中采用了高浓度的硝酸来溶解乏燃料，与此同时还伴随着高温和强放射性，因此对相关设备材料的可靠性要求极高。
3.针对后处理酸处理系统设备用材的特殊需求，日本研发了ti-5ta二元耐蚀钛合金，该合金在后处理溶解器、蒸发器模拟料液介质环境中能够长期工作。国内在ti-5ta合金基础上，发展了ti35合金，并已应用到50吨后处理中试厂中。然而，ti35合金的价格极其昂贵(每吨约300万元)，这大大限制了其在乏燃料后处理厂中的广泛应用。同时，由于ti35中添加了一定量的ta(熔点2996℃)，合金冶炼难度显著增加。
4.合金化是提高钛合金耐蚀性能和力学性能的重要方法之一。铂族金属元素(如pd、pt、ru等)作为重要的耐蚀元素，少量添加就可显著改善纯钛或钛合金的耐蚀性能。同时，al属于α相稳定化元素，具有固溶强化作用，可显著提高钛合金的耐热性。当合金中al的含量低于7wt.％时，随al含量的增加，合金的强度提高，塑性基本不变，耐蚀性表现良好；但当合金中al的含量超过7wt.％时，合金组织中将会出现脆性ti3al，塑性和耐蚀性显著降低。众所周知，al的氧化物—al2o3的化学稳定性较高，在高温环境中具有优异的抗高温氧化性能。
5.鉴于此，本发明将通过添加一定量的al和pd来获得耐蚀性能和力学性能均优异的钛合金。


技术实现要素：

6.针对现在技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种耐高温硝酸腐蚀钛合金，本发明制备的耐高温硝酸腐蚀钛合金具有高温硝酸中耐蚀能力，同时具有良好的力学性能。
7.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
8.一种耐高温硝酸腐蚀钛合金，包括以下质量百分比原料：钯0.02-0.08wt.％、铝0-7wt.％，余量为钛。
9.在一个或多个实施例中，所述耐高温硝酸腐蚀钛合金，包括以下质量百分比原料：
10.钯0.04-0.06wt.％、铝0-6wt.％，余量为钛。
11.在一个优选的实施例中，所述耐高温硝酸腐蚀钛合金，包括以下质量百分比原料：
12.钯0.04wt.％、铝4wt.％，余量为钛。
13.在一个或多个实施例中，所述耐高温硝酸腐蚀钛合金，不可避免的杂质元素含量要求：h《0.015wt.％、o《0.13wt.％，n《0.05wt.％，c《0.08wt.％。
14.本发明还提供所述耐高温硝酸腐蚀钛合金的生产工艺，按以下步骤进行：
15.s1：备料：分别称取钯、铝与钛，并对各原料干燥预热，备用；
16.s2：冶炼：将步骤s1中的原料依次放入熔炼炉内融化；
17.s3：铸造：将步骤s2中处理好的熔体进行铸造得到耐高温硝酸腐蚀钛合金。
18.上述耐高温硝酸腐蚀钛合金的生产工艺，其中：
19.所述步骤s2中熔炼温度为1650℃-1700℃；
20.所述步骤s2中冶炼的真空度至5
×
10-3
pa-6
×
10-3
pa；
21.所述步骤s2中提高冶炼次数为5-7次；
22.所述步骤s3中出炉温度设定至30℃-40℃；
23.本发明的有益效果是：
24.本发明通过在钛合金中添加不同比例的pd和al元素，同时提高钛合金的耐高温硝酸腐蚀性能和力学性能，研发一种适合于乏燃料后处理设备用的材料。通过控制添加高耐蚀贵金属pd元素和成本低廉的al元素制备的钛合金在乏燃料后处理的硝酸溶液中形成钝化膜，具有稳定的耐腐蚀性能，降低了应用成本，解决了目前乏燃料后处理用钛合金耐蚀性与应用成本兼顾的难题。本发明所述耐高温硝酸腐蚀钛合金组织均匀，无明显缺陷，可以在铸态下使用或者经过锻造、轧制和拉拔等工艺加工成任意乏燃料后处理环境中的设备。
附图说明
25.图1为本发明实施例1-4制备的钛合金在100℃，含v
5+
、cr
6+
、ce
4+
浓硝酸溶液中电化学腐蚀试验的动电位极化曲线；
26.图2为本发明实施例1-4制备的钛合金在室温下的维氏硬度图。
27.图3为本发明实施例3制备的钛合金在100℃，含v
5+
、cr
6+
、ce
4+
浓硝酸溶液中浸泡120h后的形貌图。
具体实施方式
28.下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
29.实施例1
30.本实施例公开了一种耐高温硝酸腐蚀合金，其各组分的重量百分比为：0.04wt.％pd，不可避免的杂质元素含量要求：h《0.015wt.％、o《0.13wt.％，n《0.05wt.％，c《0.08wt.％，余量为ti。
31.一种耐高温硝酸腐蚀钛合金的生产工艺，包括以下步骤：
32.s1：备料：按比例分别称取钯与钛，并对各原料干燥预热，备用；
33.s2：冶炼：将步骤s1中的原料依次放入熔炼炉内融化；熔炼温度设置为1650℃，冶炼的真空度至5
×
10-3
pa，合金锭冶炼5次；
34.s3：铸造：将步骤s2中处理好的熔体进行铸造得到耐高温硝酸腐蚀钛合金；其中，出炉温度设定至30℃。
35.由图1电化学腐蚀试验的动电位极化曲线结果表明，本实施例1中耐高温硝酸腐蚀钛合金具有明显的钝化区，在钝化电位1.25v下钝化电流密度为2.71
×
10-5
a/cm2，表现出良好的高温耐腐蚀性能。由图2室温下的维氏硬度结果表明，本实施例1中耐高温硝酸腐蚀钛合金维氏硬度为150hv1，具有优良的力学性能。
36.实施例2
37.本实施例公开了一种耐高温硝酸腐蚀合金，其各组分的重量百分比为：0.04wt.％pd、2wt.％al，不可避免的杂质元素含量要求：h《0.015wt.％、o《0.13wt.％，n《0.05wt.％，c《0.08wt.％，余量为ti。
38.一种耐高温硝酸腐蚀钛合金的生产工艺，包括以下步骤：
39.s1：备料：按比例分别称取钯、铝与钛，并对各原料干燥预热，备用；
40.s2：冶炼：将步骤s1中的原料依次放入熔炼炉内融化；熔炼温度设置为1650℃，冶炼的真空度至5
×
10-3
pa，合金锭冶炼5次；
41.s3：铸造：将步骤s2中处理好的熔体进行铸造得到耐高温硝酸腐蚀钛合金；其中，出炉温度设定至30℃。
42.由图1电化学腐蚀试验的动电位极化曲线结果表明，本实施例2中耐高温硝酸腐蚀钛合金具有明显的钝化区，在钝化电位1.25v下钝化电流密度为1.799
×
10-5
a/cm2，表现出良好的高温耐腐蚀性能。由图2室温下的维氏硬度结果表明，本实施例2中耐高温硝酸腐蚀钛合金维氏硬度为220hv1，具有优良的力学性能。
43.实施例3
44.本实施例公开了一种耐高温硝酸腐蚀合金，其各组分的重量百分比为：0.04wt.％pd、4wt.％al，不可避免的杂质元素含量要求：h《0.015wt.％、o《0.13wt.％，n《0.05wt.％，c《0.08wt.％，余量为ti。
45.一种耐高温硝酸腐蚀钛合金的生产工艺，包括以下步骤：
46.s1：备料：按比例分别称取钯、铝与钛，并对各原料干燥预热，备用；
47.s2：冶炼：将步骤s1中的原料依次放入熔炼炉内融化；熔炼温度设置为1650℃，冶炼的真空度至5
×
10-3
pa，合金锭冶炼5次；
48.s3：铸造：将步骤s2中处理好的熔体进行铸造得到耐高温硝酸腐蚀钛合金；其中，出炉温度设定至30℃。
49.由图1电化学腐蚀试验的动电位极化曲线结果表明，本实施例3中耐高温硝酸腐蚀钛合金具有明显的钝化区，在钝化电位1.25v下钝化电流密度为1.434
×
10-5
a/cm2，表现出良好的高温耐腐蚀性能。由图2室温下的维氏硬度结果表明，本实施例3中耐高温硝酸腐蚀钛合金维氏硬度为239hv1，具有优良的力学性能。本实施例3制备的合金腐蚀后的形貌图如图3所示，表面无明显腐蚀坑等，说明其耐蚀性能优良。
50.实施例4
51.本实施例公开了一种耐高温硝酸腐蚀合金，其各组分的重量百分比为：0.04wt.％pd、6wt.％al，不可避免的杂质元素含量要求：h《0.015wt.％、o《0.13wt.％，n《0.05wt.％，c《0.08wt.％，余量为ti。
52.一种耐高温硝酸腐蚀钛合金的生产工艺，包括以下步骤：
53.s1：备料：按比例分别称取钯、铝与钛，并对各原料干燥预热，备用；
54.s2：冶炼：将步骤s1中的原料依次放入熔炼炉内融化；熔炼温度设置为1650℃，冶炼的真空度至5
×
10-3
pa合金锭冶炼5次；
55.s3：铸造：将步骤s2中处理好的熔体进行铸造得到耐高温硝酸腐蚀钛合金；其中，出炉温度设定至30℃。
56.由图1电化学腐蚀试验的动电位极化曲线结果表明，本实施例4中耐高温硝酸腐蚀
钛合金具有明显的钝化区，在钝化电位1.25v下钝化电流密度为1.659
×
10-5
a/cm2，表现出良好的高温耐腐蚀性能。由图2室温下的维氏硬度结果表明，本实施例4中耐高温硝酸腐蚀钛合金维氏硬度为278hv1，具有优良的力学性能。
57.以上所述，仅是本发明的较佳案例，但本发明的保护范围并不局限于此。凡是根据发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金，其特征在于，包括以下质量百分比原料：钯0.02-0.08wt.％、铝0-7wt.％，余量为钛。2.根据权利要求1所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金，其特征在于，包括以下质量百分比原料：钯0.04wt.％、铝0-6wt.％，余量为钛。3.根据权利要求2所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金，其特征在于，包括以下质量百分比原料：钯0.04wt.％、铝4wt.％，余量为钛。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金，其特征在于，该钛合金中不可避免的杂质元素含量要求：h<0.015wt.％、o<0.13wt.％，n<0.05wt.％，c<0.08wt.％。5.权利要求4所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：备料：分别称取钯、铝与钛，并对各原料干燥预热，备用；s2：冶炼：将步骤s1中的原料依次放入熔炼炉内融化；s3：铸造：将步骤s2中处理好的熔体进行铸造得到耐高温硝酸腐蚀钛合金。6.根据权利要求5所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中熔炼温度为1650℃-1700℃。7.根据权利要求5所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中冶炼的真空度至5
×
10-3
pa-6
×
10-3
pa。8.根据权利要求5所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中提高冶炼次数至5-7次。9.根据权利要求5所述的一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中出炉温度设定至30℃-40℃。

技术总结
一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金及其制备方法，属于涉及乏燃料后处理材料领域，该合金由以下质量百分数的元素组成：钯0.02-0.08wt.％、铝0-7wt.％，余量为钛及不可避免杂质。通过控制添加高耐蚀贵金属Pd元素和成本低廉的Al元素，制备了在乏燃料后处理硝酸溶液中具有稳定耐腐蚀性的钛合金，降低了应用成本，解决了目前乏燃料后处理用钛合金耐蚀性与应用成本兼顾的技术难点。此外，本发明还提供了一种耐高温硝酸腐蚀的钛合金的制备方法。本发明的耐高温硝酸腐蚀钛合金配方科学、合理，其制备方法简单、易行，在高温硝酸环境里表现出良好的力学性能和耐蚀性能，值得推广使用。值得推广使用。


技术研发人员：张连民 刘晨晨 任德春 刘政 谭珂迪 马爱利 郑玉贵
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/3