05 марта 2016г.
Абсолютная коррозионная стойкость титана во многих агрессивных средах, низкий удельный вес, высокие удельная прочность и сопротивление мало- и многоцикловым нагрузкам, отсутствие хладноломкости, немагнитность, радиационная стойкость и ряд других факторов сделали титан и его сплавы наиболее перспективным материалом, определившем прогресс во многих областях современной техники XXI века.[6]
Исключительная стойкость титана и его сплавов при воздействии морской воды делает их незаменимыми материалами для обшивки судов, производства деталей насосов, трубопроводов и для других целей морского судостроения.
Главные свойства титана, которые открывают ему большие перспективы в морском судостроении – это малая плотность, феноменальная коррозионная стойкость металла в морской воде, стойкость к эрозии и кавитации.
Наибольшие перспективы в судостроении имеет применение титана в производстве конденсаторных труб, турбинных двигателей и паровых котлов. Увеличение размеров кораблей требует резкого повышения мощности двигателей и размеров котлов. Загрязнение последних в процессе эксплуатации приводит к замедлению скорости хода или даже к полной остановке судна. Применение конденсаторов из титана практически снимает проблему очистки котлов [2].
Превосходство титановых сплавов над сталью, алюминиевыми и магниевыми сплавами по удельной прочности сохраняется в широком температурном интервале от низких температур до температур порядка 400- 500°С [1].
Изготавливаемые титановые сплавы можно разбить на три группы [3]:
первая – сплавы с - структурой: серийные сплавы ВТ1 (технический титан); ВТ5; ВТ5-1; ВТ10. Эта группа сплавов отличается хорошей свариваемостью и термической стабильностью, отсутствием охрупчивания при совместном длительном воздействии высоких температур и напряжений;
вторая – сплавы с β-структурой: серийные сплавы ОТ4, ОТ4-1, ВТ4, ВТ9, ВТ8, ВТ6. Благодаря появлению с структуре сплавов более пластичной β-фазы эти сплавы более технологичны и лучше обрабатываются давлением, чем -сплавы.
третья – сплавы с β-структурой: некоторые опытные сплавы ВТ14 и ВТ15 с высоким содержанием хрома и молибдена. Эти сплавы сочетают хорошую технологическую пластичность с очень высокой прочностью и хорошей свариваемостью.[3]
Стандартный электродный потенциал металла является одной их основных его электрохимических характеристик, определяющих степень его термодинамической стабильности. Стандартные электродные потенциалы ионизации атомов титана, рассчитанные по изменению свободных энергий процессов, даются обычно для электродных реакций [3]:
Из данных следует, что титан термодинамически нестабилен, так как потенциалы ионизации атома титана значительно более отрицательны, чем стандартный потенциал водородного электрода. В соответствии с этими значениями титан должен вытеснять водород из воды. Однако он не растворяется не только в воде, но и в разбавленных растворах кислот. Причиной нахождения титана в этих средах в пассивном состоянии является образование на его поверхности защитной пленки, нерастворимой в воде и в разбавленных кислотах, исключающей прямой контакт между электролитом и металлом.[1]
При всех достоинствах титан имеет ряд недостатков:[3]
1 .высокая стоимость производства новых деталей, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;
2 .плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;
3 .высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
Сплавы титана в настоящее время широко используются в различных областях науки и техники благодаря уникальности их механических и физико-химических свойств. Масштабное применение титановых сплавов, в частности, в морской технике определяется их коррозионной стойкостью в морской воде. Естественная оксидная пленка делает титан практически неуязвимым для многих агрессивных сред. В то же время при электрическом контакте титана и какого-либо другого менее стойкого в морской среде металла происходит гальваническая коррозия последнего, являющегося анодом по отношению к титану. Поскольку коррозия таких металлов, как сталь, алюминий и др., контролируется катодными процессами, то возрастание площади катодной поверхности при образовании гальванической пары с титаном способствует усилению локальной коррозии более отрицательного элемента пары.[3]
Среди известных методов нанесения защитных покрытий на вентильные металлы и их сплавы большое распространение в последние годы получает метод плазменного электролитического оксидирования (ПЭО), основанный на поляризации материала в растворах электролитов при напряжениях, вызывающих протекание плазменных электрических микроразрядов на поверхности обрабатываемого электрода. При реализации ПЭО в зоне микропробоя достигается температура до нескольких тысяч градусов, а давление в каналах плазменных микроразрядов – до 100 МПа [4, 5, 7, 8]. Более того, после такого высокоэнергетического воздействия происходит резкое охлаждение зоны пробоя до температуры электролита, что также не может не сказываться на физико- химических свойствах образуемых поверхностных слоев. Интенсивный массоперенос, обусловленный высокими значениями напряженности электрического поля, в сочетании с термолизом раствора в пограничной с пробоем области, позволяет внедрять в покрытие компоненты электролита. Варьированием же состава электролита и режимов формирования можно дополнительно регулировать химический состав, а, следовательно, целенаправленно изменять свойства поверхностных слоев [7, 8].
Фазовый, химический состав и физико-химические характеристики плазменно-электролитических покрытий зачастую близки к известной керамике: стойкость к истиранию сочетается с высокими антикоррозионными характеристиками, жаростойкость – с электроизоляционными свойствами. Кроме того, покрытия обладают высокой адгезией к подложке [4, 7].
Условия, реализуемые при плазменном процессе, позволяют формировать, согласно термодинамическим расчетам, на поверхности обрабатываемого металла или сплава поверхностные слои, обладающие значительной твердостью и термостабильностью. Для этого в состав таких покрытий необходимо вводить определенные химические соединения. Для целенаправленного получения этого соединения в составе поверхностных ПЭО- слоев необходимо учитывать ряд факторов: форму нахождения анионных комплексов в растворе, их устойчивость, а также следовать другим основополагающим принципам направленного подбора составов электролитов [9]. В частности, необходимо учитывать наряду с прочими факторами изменение значения рН как в объеме раствора, так и в прианодной его области.
Результатом действия плазменных микроразрядов является формирование слоя покрытия, состоящего из окисленных форм элементов металла основы и компонентов электролита. В зависимости от режима плазменного электролитического оксидирования и состава электролита можно получать керамические покрытия (антикоррозионные, антинакипные, противоизносные, биоактивные, биоинертные, антифрикционные) с уникальными характеристиками и широким спектром практического применения [5].
Список литературы
1. Андреев А.А. Материаловедение для судостроителей. – Л.: Судостроение, 1981, - 248 с.
2. Горынин И.В., Ушков С.С., Хатунцев А.Н., Лошакова Н.И. Титановые сплавы для морской техники. – СПб.: Политехника, 2007. – 387 с.
3. Ильин А.А., Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. – М.: ВИЛС - МАТИ, 2009. – 520 с.
4. Малышев В.Н. Особенности строения и свойства покрытий, наносимых методом микродугового оксидирования / В.Н., Марков Г.А., Федоров В.А., Петросянц А.А., Терлеева О.А. // Хим. и нефт. машиностроение. – 1984, № 1. – С.26-27.
5. Суминов, И.В. Плазменно электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов / И. В. Суминов, П.Н. Белкин, А. В. Эпельфельд – М. : Техносфера, 2011. – 512 с.
6. Ушков С.С., Кудрявцев А.С., Карасев Э.А. Использование титана и легких сплавов в судостроении / Судостроение – 1999 – №4 – С.61
7. Гнеденков С.В., Коваль С.Я., Чижиков Р.Г., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В. Устройство для плазменно- электролитического оксидирования металлов и сплавов: пат. 2441108 Рос. Федерация. № 2011100274/02; заявл. 11.01.11; опубл. 27.01.12, Бюл. № 3.
8. Гнеденков С.В., Коваль С.Я., Чижиков Р.Г., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В. Способ плазменно- электролитического оксидирования металлов и сплавов: пат. 2440445 Рос. Федерация. № 2010122183/02; заявл. 31.05.10; опубл. 20.01.12, Бюл. № 2.
9. Гордиенко П.С., Гнеденков С.В., Хрисанфова О. А., Вострикова Н. Г., Коврянов А. Н. Патент России № 2046156, Б.И. № 29, 20.10.1995 Электролит для формирования покрытий на вентильных металлах.
