Сплавы на основе тантала, устойчивые к коррозии в воде
Когда концентрация водорода превышает 100 ppm, водородное охрупчивание чистого тантала и танталовых сплавов становится значительным. В химической промышленности чистый тантал поглощает водород и становится хрупким при воздействии горячей HCl и горячей H2SO4 в условиях, показанных на рисунках 2 и 3. Ta-3W демонстрирует лучшую устойчивость к поглощению водорода, чем чистый тантал. Когда тантал и танталовые сплавы используются в химической промышленности для хранения очень горячих концентрированных кислот, основным механизмом разрушения является водородное охрупчивание, а не утонение стенок из-за коррозии.
Контролируемое добавление и сохранение азота может улучшить стойкость сплавов к окислению. Другими словами, было установлено, что путем добавления азота для образования микросплавов можно контролировать микроструктуру, особенно размер зерна, исследуемого типа сплава, или достичь относительно стабильной структуры в течение длительных периодов времени при повышенных температурах. Кроме того, для увеличения срока службы наиболее целесообразно соблюдать определенные соотношения кремния и титана, как показано в данной литературе. Тройные сплавы Ta-W содержат 1,5–3,5% вольфрама. Ниобий также может присутствовать в сплаве в количестве от 0,05 до 0,5 мас.%. Максимальное содержание молибдена ограничено 0,5% (менее 5000 ppm) для обеспечения меньшего размера зерна в сплаве.
Кованый танталовый продукт, который по сути является чистым танталом, содержит менее 300 ppm ниобия, менее 200 ppm железа, хрома и никеля в сумме, менее 50 ppm вольфрама, менее 10 ppm молибдена, менее 30 ppm хрома и менее 20 ppm кальция. Улучшение заключается во включении в состав продукта примерно 50–700 ppm кремния, что повышает его устойчивость к охрупчиванию при повышенных температурах в кислородсодержащей среде.
Способ повышения устойчивости к водородному охрупчиванию включает в себя формирование микросплава, содержащего по меньшей мере один металлический элемент, выбранный из Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, W и Re, с чистым или практически чистым танталом или сплавом тантала.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения включает в себя включение платины в NRC76. Химическая промышленность ищет новые сплавы тантала, позволяющие использовать более высокие рабочие температуры в технологическом оборудовании. Одна из целей — получение улучшенных сплавов тантала с лучшей устойчивостью к коррозии под воздействием воды и водородному охрупчиванию. Также рассматривается сплав тантала, содержащий чистый или практически чистый тантал или сплав тантала и по меньшей мере один металлический элемент, выбранный из Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, W и Re. Содержание металлического элемента может достигать предела растворимости металла в тантале.
Тантал или сплавы на основе тантала предпочтительно получают методами вакуумной плавки. Вакуумная дуговая переплавка (ВДУ), электронно-лучевая плавка (ЭЛМ) или плазменно-дуговая плавка (ПДМ) также являются методами вакуумной плавки, которые можно использовать для образования сплавов. Для получения конкретного сплава к чистому танталу, практически чистому танталу или танталовому сплаву добавляют по меньшей мере один элемент, выбранный из рутения, родия, палладия, осмия, иридия, платины, молибдена, вольфрама и рения (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, W и Re), используя один из вышеуказанных методов вакуумной плавки. Танталовый сплав предпочтительно содержит вольфрам, а также платину, молибден, рений или их смеси. Хотя могут использоваться VAR, EBM или PAM, VAR является предпочтительной технологией.
Альтернативные варианты осуществления изобретения могут включать добавление элементов, отличных от перечисленных выше, для улучшения коррозионной стойкости и устойчивости к водородному охрупчиванию. Эти дополнительные элементы могут включать иттрий, золото, церий, празеодим, неодим и торий.
Количество каждого металла предпочтительно составляет менее 10 000 ppm от общего содержания сплава, предпочтительно менее 5 000 ppm, и более предпочтительно менее 2 000 ppm. Количество добавляемого металла предпочтительно составляет не менее 50 ppm, предпочтительно не менее 100 ppm, предпочтительно не менее 150 ppm, предпочтительно не менее 200 ppm, и предпочтительно не менее 250 ppm.
Примерами танталовых сплавов с содержанием тантала не менее 89% являются, помимо прочего, Ta-3W (тантал-вольфрам), содержащий не менее 3% вольфрама, Ta-3W-Pt (тантал-вольфрам и платиновый сплав), содержащий не менее 3% вольфрама, Ta-3W-Mo (тантал-вольфрам и молибденовый сплав), содержащий не менее 3% вольфрама, и Ta-3W-Re (тантал-вольфрам и рениевый сплав), содержащий не менее 3% вольфрама. Ta-3W-Pt, Ta-3W-Mo и Ta-3W-Re могут быть получены и изготовлены аналогично способу получения Ta-3W. Предпочтительно получать эти сплавы путем образования микросплавов с другими металлами в составе Ta-3W (тантал-вольфрам).
Добавление платины является наиболее предпочтительным вариантом осуществления, поскольку платина обладает наибольшим количеством свободных электронов, которые теоретически могут притягивать дополнительные атомы кислорода для заполнения пустот в слое оксида Ta2O5 и/или обеспечивать места для низкого водородного перенапряжения, тем самым стабилизируя слой оксида Ta2O5.
Другой предпочтительный вариант осуществления включает добавление рутения, родия, палладия, осмия и иридия (также известных как «металлы платиновой группы», или PGM), которые также обеспечивают места для низкого водородного перенапряжения, тем самым стабилизируя слой оксида Ta2O5.
Еще один предпочтительный вариант осуществления включает добавление молибдена, поскольку он имеет ту же кристаллическую структуру, аналогичные параметры решетки и полный твердый раствор, что и тантал и вольфрам.
Слитки тантала, полученные с использованием VAR или PAM, затем могут быть использованы для производства листовой, пластинчатой и трубчатой продукции, аналогично методам, используемым для производства тех же продуктов, описанных выше, с использованием чистого тантала или сплавов Ta-3W.
Листовая, пластинчатая и трубная продукция, изготовленная из сплавов Ta-3W-Mo, Ta-3W-Re или Ta-3W-Pt, используется аналогично продукции, описанной выше и изготовленной из чистого тантала или сплавов Ta-3W.