一种钛合金材料及其制备方法和所制海缆金属套与流程

1.本发明涉及一种钛合金材料及其制备方法和所制海缆金属套，属于海缆金属套材料技术领域。


背景技术：

2.我国海洋面积约300万平方公里左右，海洋经济在2021年首次突破9万亿元，是国民经济不可或缺的重要组成部分。开发海洋资源用到的各种设备都需要电力驱动，因此海洋环境中的电力设施腐蚀需要我们深入探究。
3.电力设施中用到很多金属材料，如海底电缆阻水结构中的金属套，可以在电缆表面形成致密的包覆层，起到抵御腐蚀和水压的目的。金属套(例如专利申请号为kr2020010010141中所公开)很多是由铝、铜等材料制作而成的。海洋环境中的腐蚀因素众多，其中温度、溶液ph和cl-浓度是造成电力设施失效的几个重要因素。海洋环境中存在大量的cl-，传统的铝、铜等材料会在的cl-的作用下发生点蚀，点蚀坑扩展导致电力设备出现裂纹，致使其发生失效。海底环境较为复杂，局部区域的热液喷口可导致海底温度达到上百度，高温环境会造成电力设备的腐蚀加速，缩减其服役寿命。因此，我们要综合考虑cl-和高温两个因素对海底电缆金属套的腐蚀作用。
4.目前海底电缆金属套很多采用铝、铜等材料，在严苛的海洋环境中易于腐蚀，由此带来的电力设备检修和更换问题极大的提高了电力行业的成本，因此需要寻求新型材料来替代铝、铜等材料。
5.研究表明，ti-mo合金在高温海洋cl-环境中具有较好的耐蚀性能(例如cn202210045084.5ti-mo合金薄膜及其制备方法中所公开)，且其不易发生点蚀，能够在严苛环境下服役更长时间。双相钛合金由α和β两相组成，在高温海洋环境中主要以α相的腐蚀为主，ti-mo合金中β相比例仅为45％左右，其在海洋环境下的耐热腐蚀性能有待进一步提升。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种钛合金材料及其制备方法和所制海缆金属套。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种钛合金材料，以质量百分比计算，含有钒v 4～6％，钼mo 2～4％，锆zr 0.4～0.6％，铁fe 0.03～0.05％，碳c 0.01～0.02％，余量为钛ti。
9.一种海缆金属套，采用上述钛合金材料所制。
10.一种用于制备上述钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
11.(1)打磨清洗：对金属原料的表面进行打磨，使其表面呈现出金属光泽，然后用丙酮和无水乙醇分别清洗，并吹干；
12.(2)称重：将打磨与清洗后的金属单质在称量，称量误差控制在0.005g之内；
13.(3)电弧炉清洗：采用无水乙醇对电弧炉内部进行清洗；
14.(4)放料：依次放入铁fe、钛ti、锆zr、钒v、钼mo和碳c，并在中间坩埚放入钛ti球；
15.(5)抽真空：进行抽真空，熔炼之前腔体内部的真空度在5
×
10-4
以下；
16.(6)熔炼：首先熔炼中间坩埚的ti球三次，然后熔炼钛合金，每熔炼一次后进行翻样；
17.(7)冷却：冷却使其降到室温。
18.其中，采用砂纸进行打磨，并采用吹风机进行吹干。
19.其中，步骤(2)中，在精度为0.1mg的天平上进行称量。
20.其中，步骤(7)中，冷却时间为20分钟。
21.本发明具有如下有益效果：
22.1.本发明的钛合金材料具有α和β双相结构，其维钝电流密度明显低于普通ti-mo合金，极化电阻明显高于普通ti-mo合金，使其在高温海洋环境中具有比普通ti-mo合金更加优异的耐热蚀性能。
23.2.本发明的海缆金属套，采用上述钛合金材料所制，通过利用钒v元素促进β相的生成，从而增加β相含量来改善海底电缆金属套在高温海洋环境中的耐蚀性能，使得其具有优异的耐高温性能，能够适应如热液喷口等复杂海底环境。
24.3.本发明提供了一种钛合金材料的制备方法，经过一定参数下的原料打磨与清洗、称重、电弧炉清洗、放料、抽真空、熔炼、冷却等加工步骤后，所制钛合金材料中92％，使其在海洋环境下的耐热腐蚀性能得到进一步提升。
附图说明
25.图1为本发明的ti-mo-v合金和普通ti-mo合金xrd图谱；
26.图2为本发明的ti-mo-v合金和普通ti-mo合金的微观组织图；
27.图3为本发明的ti-mo-v合金和普通ti-mo合金在3.5wt.％nacl溶液中的极化曲线；
28.图4为本发明的ti-mo-v合金和普通ti-mo合金在3.5wt.％nacl溶液中的阻抗谱。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
30.实施例一
31.一种钛合金材料，以质量百分比计算，含有钒v 4～6％，钼mo 2～4％，锆zr 0.4～0.6％，铁fe 0.03～0.05％，碳c 0.01～0.02％，余量为钛ti。
32.将本发明钛合金材料(ti-mo-v合金)和普通ti-mo合金性能测试，测试溶液为3.5wt.％nacl溶液，测试温度为70℃，将本发明钛合金材料(ti-mo-v合金)和普通ti-mo合金分别置于上述温度下的测试溶液中，充分浸泡腐蚀反应后，得到如下表1：
33.表1相比例及腐蚀性能对比
[0034][0035]
结合图3-4，采用princeton versastat 3f电化学工作站对极化曲线和阻抗谱进行了测量，极化曲线采用eclab进行拟合，本发明钛合金材料(ti-mo-v合金)腐蚀电流密度约为0.036μm/cm2，普通ti-mo合金腐蚀电流密度为0.058μm/cm2，说明添加v元素的耐高温海洋环境腐蚀钛合金腐蚀速率明显减小。采用zsimpwin对电化学阻抗谱进行拟合，本发明钛合金材料(ti-mo-v合金)的极化电阻约为201kω
·
cm2，普通ti-mo合金的极化电阻约为136kω
·
cm2，表明v的添加显著提升了高温海洋环境中的耐蚀性能。
[0036]
此外，参见图1，xrd图谱表明，钒v含量添加后，普通ti-mo合金β相含量由45％提升至92％，从图2的微观组织图的金相结果也可看出ti-mo-v合金的β相明显增多，v含量的添加显著提高了β相的比例。
[0037]
进而说明：本发明钛合金材料(ti-mo-v合金)维钝电流密度明显低于普通ti-mo合金，极化电阻明显高于普通ti-mo合金，使其在高温海洋环境中具有比普通ti-mo合金更加优异的耐热蚀性能。
[0038]
实施例二
[0039]
一种海缆金属套，采用上述钛合金材料所制，通过利用钒v元素促进β相的生成，从而增加β相含量来改善海底电缆金属套在高温海洋环境中的耐蚀性能，使得其具有优异的耐高温性能，能够适应如热液喷口等复杂海底环境。
[0040]
实施例三
[0041]
一种用于制备钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0042]
(1)打磨清洗：材料在空气中形成的氧化膜会对材料的组织结构与性能造成影响，为了避免这种影响，用砂纸对金属原料的表面进行打磨，使其表面呈现出金属光泽，然后用丙酮和无水乙醇分别清洗，并吹干；
[0043]
(2)称重：将打磨与清洗后的金属单质在称量，称量误差控制在0.005g之内；
[0044]
(3)电弧炉清洗：电弧炉内部的杂质会对熔炼所得合金造成影响，因而在熔炼之前需采用无水乙醇对电弧炉内部进行清洗，使得电弧炉内部无杂质；
[0045]
(4)放料：按照熔点高低的顺序依次放入铁fe、钛ti、锆zr、钒v、钼mo和碳c，并在中间坩埚放入钛ti球；
[0046]
(5)抽真空：熔炼过程中为了防止氧气的混入，需要对真空电弧炉进行抽真空，熔炼之前腔体内部的真空度在5
×
10-4
以下；
[0047]
(6)熔炼：首先熔炼中间坩埚的ti球三次，用于去除腔体内剩余的氧气；然后熔炼钛合金，每熔炼一次后进行翻样，保证熔炼均匀；
[0048]
(7)冷却：冷却20分钟使其降到室温，避免材料产生氧化。
[0049]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。