14.604.21.0135

Разработка высокоэффективных, экономичных (при общем снижении металлоемкости и затрат на производство не менее, чем на 30%) способов получения методами наплавки новых слоистых конструкционных металлических материалов, отличающихся недостижимым в монометаллах уникальным сочетанием показателей прочности, пластичности, коррозионной стойкости, износостойкости, качества соединения слоёв и сварных соединений, долговечности (увеличенными в совокупности не менее, чем в 1,5 раза), предназначенных для применения в изделиях нефтегазохимиии высокоскоростного транспорта, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе в агрессивных средах.
Разработанный защитный слой полученного материала на стальной основе должен обеспечить коррозионную стойкость к азотной, серной и ортофосфорной кислотам при температурах до 100С не менее, чем в 5 раз превышающую коррозионную стойкость основы, на которую будет производиться наплавка.
Разработанный защитный слой полученного материала на титановой основе должен обеспечить коррозионную стойкость к азотной и серной кислотам при температуре их кипения не менее, чем в 5 раз превышающую коррозионную стойкость основы, на которую будет производиться наплавка.

Новизна используемого способа получения слоистых материалов заключается в использовании уникального метода, основанного на применении для наплавки порошковых материалов с целью формирования коррозионностойких слоёв сфокусированного высоковольтного электронного пучка с энергией электронов 1,4 Мэв и мощностью до 100 кВт. Пучок выпускается в атмосферу, что позволяет обрабатывать изделия неограниченных размеров. Метод позволяет формировать покрытия на титановой основе из сплава системы Ti-Ta-Nb-Zr, который традиционными методами получается по сложной, многоцикловой технологии.

Основным направлением исследования является разработка методов получения слоистых материалов на титановой основе с применением мощного электронного пучка с высокой проникающей способностью, выпущенного в атмосферу. Для сопоставления свойств материалов, полученных в воздушной атмосфере со свойствами аналогичных материалов, полученных в инертной среде была впервые спроектирована и изготовлена аргоновая камера для наплавки покрытий электронным пучком при атмосферном давлении. Важным элементом аргоновой камеры является так называемый газовый затвор -  устройство ввода пучка в аргоновую камеру, которое изолирует аргоновую атмосферу внутри камеры от внешней воздушной среды. Разработанная конструкция газового затвора в сборе с аргоновой камерой показали свою пригодность для проведения экспериментов по обработке материалов электронным пучком в инертной среде.

Была разработана экономная система легирования материала, полученного на стальной и титановой подложках, обеспечивающая высокие показатели технологических и служебных свойств металла наплавленного слоя, включая коррозионную стойкость, износостойкость, прочность, хладостойкость, совместимость с материалом основного слоя. Разработана Программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных образцов двухслойных и многослойных конструкционных металлических материалов на стальной основе и титановой основах, полученных в воздушной атмосфере и среде аргона.

С целью последующего изготовления из разрабатываемых материалов коррозионностойких реакторов отрабатывались технологические режимы сварки образцов с наплавленным слоем на титановой основе двумя способами: с формированием углового и стыкового швов. Опробовано несколько режимов сварки из материалов на основе из сплава ВТ1 и ВТ14. На каждом из способов сварки варьировались тип присадки, состав защитного газа, геометрия шва. Все режимы и способы сварки показали свою пригодность для формирования сварных соединений слоистых материалов. В результате металлографического исследования выявлены наилучшие варианты сварки, удовлетворяющие требованиям Технического задания по временной прочности (для стыковых швов), химическому составу зоны сварки по покрытию и отсутствию существенных дефектов структуры.

Исследовалась возможность горячей прокатки листового материала на титановой основе от первоначальной толщины 12,7 мм до толщин 10, 7, 5,5, 4,5 и 3 мм с последующей горячей или холодной вальцовкой на радиусы от 60 до 125 мм. Металлографические исследования не выявили отслоений покрытий, либо формирования макротрещин и других существенных дефектов в результате прокатки и вальцовки.

Для поиска оптимального состава покрытий была изготовлена новая партия образцов, на которой производилось варьирование состава наплавленных покрытий  вблизи наилучших из ранее полученных составов. Отбор образцов производился по результатам новой серии коррозионных испытаний. Отобранный оптимальный состав покрытий будет использован для изготовления макета коррозионностойкого реактора.

Разработана эскизная конструкторская документация на макет особо коррозионностойкого реактора, работающего с использованием концентрированных сильных кислот при температурах кипения на предприятиях нефтегазохимии. Разработана программа и методика коррозионных испытаний этого макета реактора. 

 

 

 

В ходе выполнения этапов проекта в течение были получены следующие основные результаты:

Были отработаны режимы наплавки, позволяющие формировать коррозионностойкие слои на стальной и титановой основах в условиях воздушной атмосферы.

Был разработан стол-манипулятор, помещённый в аргоновой камере для проведения наплавки материалов в среде аргона. Камера была снабжена спроектированным и изготовленным в ходе выполнения проекта изолирующим газовым затвором для ввода электронного пучка.

По разработанной программе и методикам исследовательских испытаний были проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов двухслойных и многослойных конструкционных металлических материалов на стальной и титановой основах. В результате испытаний были найдены режимы формирования слоистых материалов на подложках из стали 12ХН3А и титанового сплава ВТ14, обеспечивающих высокую прочность, сплошность соединения слоев, необходимый химический состав, комплекс свойств металла наплавленного слоя.

На стальной основе получены следующие результаты. Наплавленные слои имеют дендритное строение. Суммарная степень легирования соответствует Техническому заданию проекта (до 30 вес.%). По результатам рентгеновского анализа фазовый состав наплавленных слоёв соответствует переходу от ферритного к аустенитному и аустенитному состоянию. Временное сопротивление основы 1010 кГ/мм2 (после термообработки) при относительном удлинении 20%; ударная вязкость при температуре -60С равна 68 Дж/см2; Покрытия лишены трещин, пор и отслоений.

Производительность формирования наплавленных слоёв на стальной и титановой основах составляет в настоящее время 1,8 м2/ч и может быть при необходимости увеличена в 1,5 раза. Испытания коррозионной стойкости материалов на стальной подложке показали, что коррозионная стойкость сформированных слоёв в азотной, серной и ортофосфорной кислотах при температурах 100 - 120°С возрастает до нескольких тысяч раз (для серной кислоты в 70 раз) с возрастанием суммарного процента легирования до 30%. Коррозионная стойкость сформированных покрытий системы Ti-Ta-Nb на титановой основе из сплава ВТ14 в азотной и серной кислотах при тех же температурах превышает стойкость основы в 70 и 50 раз соответственно и превышает стойкость покрытий на стальной основе при равных условиях в несколько десятков раз. По этой причине в качестве перспективной подложки для дальнейших исследований с целью изготовления слоистых материалов для изготовления особо коррозионностойких реакторов была выбрана основа из титанового сплава ВТ14.

Выполненные работы содержат следующие элементы новизны:

- впервые на пластине из стали с высокой производительностью сформирован наплавленный слой, по составу соответствующий нержавеющей стали;

- впервые сформирован двухслойный листовой материал на титановой основе с толщиной коррозионностойкого наплавленного слоя системы Ti-Ta-Nb-Zr 2 мм;

- впервые разработан процесс обработки движущихся изделий электронным пучком в среде аргона при атмосферном давлении;

- впервые исследованы механические и антикоррозионные свойства широкого спектра составов, наплавленных на титановой основе слоёв систем Ti-Ta-Nb и Ti-Ta-Zr;

- впервые отработаны и исследованы режимы сварки, прокатки и вальцовки двухслойных материалов на титановой основе с толстыми покрытиями системы Ti-Ta-Nb-Zr;

- впервые из разработанного материала на титановой основе изготавливается макет особо коррозионностойкого реактора

 

 

Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут быть использованы в химической и нефтегазохимической отрасли для изготовления коррозионностойких реакторов. Стойкость нержавеющей стали, из которой обычно изготавливаются стенки химических реакторов сопоставима со стойкостью титана. Покрытие из сплава титана с танталом или титана с танталом и ниобием превышает стойкость титана в окислительных кислотах при повышенных температурах в несколько десятков раз . Таким образом, стойкость стенок реактора, изготовленного из разрабатываемого материала будет как минимум в несколько десятков раз превышать стойкость материала обычно используемых реакторов. Разрабатываемый материал особенно эффективен для применения в нефтегазохимической отрасли на предприятиях по получению азотной кислоты и на предприятиях атомной отрасли по переработке отработанного ядерного топлива на стадии растворения содержимого ТВЕЛов в азотной кислоте.