[發明專利]具有改進耐腐蝕性和強度的鈦合金

在審

• 申請號: 201210254642.5
• 申請日: 2006-09-14
• 公開（公告）號: CN102816950A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 詹姆斯·S·格勞曼;斯蒂芬·P·福克斯;斯泰西·L·尼雅加納
• 申請（專利權）人: 鈦金屬公司
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 郭輝

本發明專利申請是國際申請號為PCT/US2006/035867、國際申請日為2006年9月14日、進入中國國家階段的申請號為200680039405.X、發明名稱為“具有改進耐腐蝕性和強度的鈦合金”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及一種新型的鈦合金，其中改進的耐腐蝕性和強度是通過在基底鈦或其鈦合金中使用最高達4重量％的碳作為合金添加劑。

背景技術

鈦是一種活性金屬，就耐腐蝕性而言，取決于表面氧化物膜的形成和穩定性。在穩定的條件下，鈦具有顯著的耐腐蝕性特性。然而，其逆轉也是確實的，因為在膜不穩定時，可以產生特別高的腐蝕速率。這些不穩定性的條件，通常在pH值的兩個極端。強酸或強堿溶液可在鈦氧化物膜中產生不穩定性。

典型地是，根據現有技術的實踐，當在不確定的氧化物膜穩定性的區域內使用鈦時，已經往鈦中加入合金元素以提高氧化物膜的穩定性，這樣在pH極值下就可提高其有效的實用性。已經證明，這種實踐對于pH值的酸性端最有效，其中合金化能提高氧化物膜的穩定性多達2pH單位或更多。由于測定pH是根據對數標度測量，這意味著在腐蝕性酸的條件下，如沸騰的HC1中，鈍性的電位提高(potential?increase?in?passivity)100倍以上。一些合金元素在這方面已顯示不同程度的成功，如鉬、鎳、鉭、鈮和貴金屬。在這些族中，鉑族金屬(PGM)能提供最有效的保護以免遭腐蝕。鉑族金屬是鉑、鈀、釕、銠、銥和鋨。

Stem等人在1959年在標題為“The?Influence?of?Noble?Metal?Alloy?Additions?on?the?Elctrochemical?and?Corrosion?Behavior?of?Titanium”的論文中論證了這一點。他們發現少到0.15％的Pd或Pt的合金添加劑在熱還原性酸介質中，能極大地提高鈦表面上的氧化物膜的穩定性，因而提高耐腐蝕性。因此，許多年以來ASTM7級鈦(Ti-.15Pd)已經成為用于未合金化鈦遭受腐蝕的一些嚴重腐蝕條件下所選擇的標準材料。最近，ASTM16級(Ti-.05Pd)已被用來直接取代ASTM7級，因為它更經濟些并且可以提供接近ASTM7級水平的耐腐蝕性。這樣，人們傾向于認為在腐蝕性不劇烈的應用場合下它們是等效的。

通過將鉑族金屬添加到鈦中所提供的保護機理是提高陰極去極化作用中的一種。鉑族金屬在酸性介質中能提供低得多的氫超電壓，由此提高了電化學反應的陰極部分的動力學。這樣提高的動力學說明陰極半反應斜率的變化，導致對鈦而言更惰性(noble)的腐蝕電位。鈦的活性/鈍性的陽極行為可使腐蝕電位(極化)有小的位移，以引起腐蝕速率中的大的變化。

在用上面所列元素中的任何一種合金化鈦情況下的問題是這樣做的費用增加。上面所列元素中的每一種都比鈦更貴，這樣為了實現所希望的提高腐蝕保護就要生產成本更高的產品。添加小量鈀(0.15％)的費用確實是材料(取決于鈀和鈦的現行價格)費用的兩倍或三倍。

盡管上述現有技術的實踐對提高鈦在某些嚴重腐蝕性條件下的耐腐蝕性是有效的，但是貴金屬特別是鉑族金屬的合金添加劑特別貴，因此，對于最終用戶來說，可行性有限。具有ASTM7級性能，但具有更類似于工業純ASTM2級鈦(Ti-.12O)的成本的合金，對于鈦的最終用戶將有更大的益處。

另外，工業純鈦2級在化學工藝過程和海洋應用中是最常用的。ASTM2級易于制作和加工。這個級別的鈦能為工業純級提供最高的強度，同時對稱作應力腐蝕裂紋(SCC)的粒狀腐蝕保持阻力。盡管單純地從強度觀點來看ASTM3級和4級鈦是合乎要求的，但由于在氯化物環境中，如海水，由于它們對SCC的傾向，由于氧含量提高，不能使用ASTM3和4級鈦(與2級對比，具有提高的氧含量以產生增加的強度)。

慣用地，把氧作為工業純1-4級鈦中的主要強化劑使用。然而，當氧含量超過0.20wt％時，對應力腐蝕裂紋的敏感性變得非常高。這樣，雖然它們有合乎要求的能導致較輕重量組分的強度程度，但氧含量高于0.20％界限的3和4級，當遇到氯化物介質時，一般是被最終用戶所避免使用的。

這樣，具有工業純2級所有的理想特征，如可成形性和耐SCC性，以及工業純3和4級鈦的較高強度的合金，對于許多鈦用戶如化學工藝過程和海洋用或海軍市場(Naval?markets)來說是非常有價值的。使用這種較高強度、耐SCC的合金，可降低標準，由于需要的鈦少，將導致減輕組分重量及降低成本。

發明內容