Основное влияние титано-β-сплавов серии TB на исследования морской/глубоководной науки 

Серия TB — это метастабильный β-высокопрочный титановый сплав (главные марки для морских нужд: TB2/TB6/TB19). Он компенсирует недостатки чистого титана (TA) и обычного α-β титана (TC4) при высоких нагрузках и в условиях многофакторной коррозии в глубоководной среде, переосмысливает исследования механизмов материалов в морской воде, инженерию глубоководного оборудования и разведку морских ресурсов, являясь ключевым материалом для глубоководных научных экспедиций и фундаментальных исследований морской коррозии.

1. Продвижение прорывных исследований механизмов коррозии морской воды

1. Совершенствование теории разрушения пассивной пленки хлорид-ионов

Чистый титан и пассивная пленка TC4 легко повреждаются и медленно самовосстанавливаются в глубоководных условиях с низким содержанием кислорода, высоким давлением и интенсивным гидравлическим воздействием; сплав TB с высокими стабильными β-элементами Mo/V/Cr перестраивает поверхностную TiO₂ пассивную пленку:

• TB19 при 60°C в морской воде и струе со скоростью 10 м/с имеет скорость коррозии всего 0,00029 мм/год, при погружении длительностью в тысячи часов равномерная коррозия не наблюдается, потенциал локальной коррозии существенно выше, чем у TC4;

• На основе сравнительных экспериментов с серией сплавов TB разработана количественная модель зависимости структуры β-фазы — плотности пассивной пленки — проницаемости хлорид-ионов, прояснены микромеханизмы щелевой коррозии и водородного растрескивания для β-фазы и вторичной α-фазы в морской воде, скорректирована традиционная теория морской коррозии, основанная только на α-титане.

2. Заполнение пробела в исследованиях многофакторной коррозии глубоководных условий

Основная сложность исследований морской воды: высокое статическое давление, коррозия хлоридов, переменные напряжения, низкотемпературные синергетические разрушения.

• Критический коэффициент усталостной коррозии TB19 в морской воде KISCC=55,15 МПа·м¹/², значительно выше, чем у TC4 ELI, что делает его стандартным материалом для испытаний глубинной коррозии от напряжений и коррозионного усталостного разрушения (SCC);

• С помощью сплава TB были проведены испытания в имитационных камерах полной глубины океана, уточнены закономерности проникновения водорода и распространения водородных трещин в условиях глубоководного дефицита кислорода, разработана система оценки долговечности высокопрочных титановых сплавов в морской воде, решена проблема, ранее невозможная для материалов с низкой прочностью — моделирование высоких глубоководных нагрузок.

3. Расширение исследований синергетической коррозии и биозагрязнения морской среды

Поверхностная инертная оксидная пленка сплавов TB предотвращает прикрепление морских микроорганизмов, в исследовании проведено сравнение с нержавеющей сталью, медными сплавами и TC4, выявлена электромеханическая связь между потенциалом поверхности β-титана и загрязнением водорослями/моллюсками, что обеспечивает теоретическую основу для создания долговечных антирослинных и немасляных материалов для морских трубопроводов и сенсорных устройств.

II. Реформирование системы разработки оборудования для глубоководной разведки и научных исследований морской среды (на уровне инженерных исследований)

1. Основные материалы для герметичных конструкций пилотируемых/беспилотных подводных аппаратов, предназначенных для работы на всех глубинах океана

В прошлом для изготовления корпусов глубоководных аппаратов чаще всего использовались сплавы Ti80 и TC4, однако их недостаточная прочность приводила к увеличению веса и толщины корпуса, а также ограничивала глубину погружения; материал TB19 обладает сверхвысоким удельным прочностным коэффициентом (прочность на разрыв после старения ≥1300 МПа) и более высокими характеристиками усталостной прочности при малом количестве циклов, что способствует исследованиям по облегчению конструкции пилотируемых камер для погружения на глубину 10 000 метров:

• При сохранении тех же показателей герметичности вес камеры из TB19 снижается на 20–30 %, что значительно уменьшает плавучесть и энергопотребление аппарата, а также расширяет возможности проведения длительных и широкомасштабных научно-исследовательских работ в морской среде;

• Содействует исследованиям комплексных технологических процессов ковки герметичных корпусов, сварки толстых листов и регулирования остаточных напряжений, решая проблему различий в коррозии сварных соединений высокопрочного β-титана при эксплуатации в морской воде.

2. Исследования специальных материалов для прецизионных деталей, предназначенных для работы с морской водой и наблюдения за дном океана

Серия TB обладает превосходными характеристиками холодной штамповки и подходит для изготовления пробоотборников морской воды, креплений для подводных датчиков, крепежных элементов для глубоководных работ и гидравлических клапанов для морской воды:

1. Системы трубопроводов для морской воды с высокой скоростью потока: выдерживают эрозию морской водой со скоростью более 10 м/с, заменяют трубопроводы из медно-никелевых сплавов и способствуют разработке оборудования для мониторинга циркуляции морской воды на месте с большим расходом;

2. Немагнитные компоненты для глубоководной разведки: немагнитные свойства не создают помех при геомагнитных и гидроакустических исследованиях, способствуя изучению магнитного поля дна, акустики морской воды и акустики морских организмов;

3. Стандартные образцы для испытаний на коррозию в морской воде: стандартизированные прутки и листы TB2/TB6 стали универсальными эталонными образцами для испытаний на ускоренную коррозию в морской воде и в солевом тумане в морских лабораториях Китая, унифицировав контрольные стандарты для отраслевых испытаний.

3. Поддержка исследований в области морской энергетики и оборудования для добычи ресурсов морской воды

Оборудование для извлечения лития из морской воды, морские ветровые электростанции, подводные трубопроводы для транспортировки нефти и газа, подвергающиеся длительному воздействию высокотемпературной соленой морской воды:

• Сплавы TB устойчивы к воздействию высокотемпературной морской воды и комбинированной коррозии под действием сульфидов и хлорид-ионов, что способствует исследованиям в области облегчения конструкций теплообменников, подводных трубопроводов и подводных клапанов;

• По сравнению с углеродистой сталью и дуплексной нержавеющей сталью проводится количественная оценка затрат на коррозионную стойкость титана TB на протяжении всего жизненного цикла, что способствует развитию теории проектирования морского оборудования с длительным сроком службы и без необходимости технического обслуживания.

III. Содействие расширению направлений исследований в области морских материалов и междисциплинарных исследований

1. Создание новой отрасли морских материалов — «высокопрочного коррозионно-стойкого β-титана»

Ранее исследования материалов, предназначенных для использования в морской среде, в основном касались чистого титана и среднепрочных сплавов серии TC; после получения полных данных об эксплуатации серии TB в китайских научно-исследовательских институтах по судовым материалам и морских университетах сформировалось самостоятельное направление исследований по высокопрочному β-титану для глубоководных условий, охватывающее полную цепочку исследований: разработку состава, термообработку, разрушение под воздействием морской воды и модификацию поверхности (анодирование, импрегнирование металлами).

2. Поддержка создания испытательной платформы для моделирования экстремальных морских условий

Способность сплава TB19 выдерживать суровые эксплуатационные условия стимулировала модернизацию оборудования для моделирования морской среды: испытательная установка для циркуляционного омывания морской водой при высоких температурах и давлении, камера для испытаний на коррозию под статическим давлением на глубине 10 000 метров, а также испытательная установка для моделирования взаимодействия переменных напряжений и морской коррозии — все они используют сплавы серии TB в качестве базового материала для проверки, что позволяет усовершенствовать систему оборудования для испытаний в экстремальных морских условиях в Китае.

3. Содействие сдвигу в парадигме проектирования морского оборудования в сторону облегчения конструкции и увеличения срока службы

Традиционное морское оборудование продлевает срок службы за счет увеличения толщины стенок и антикоррозионных покрытий; высокое удельное сопротивление серии TB в сочетании с врожденной устойчивостью к коррозии в морской воде способствует переходу научных исследований от подхода «антикоррозионная защита и усиление» к концепции «врожденная коррозионная стойкость материала и облегчение конструкции», что значительно продлевает срок службы оборудования для морских научных исследований (проектный срок службы — более 30 лет) и уменьшает проблемы с прерыванием сбора данных в ходе морских научных исследований, вызванные частым заменой оборудования.

IV. Существующие пробелы в исследованиях и направления дальнейших исследований (направления, требующие прорыва в исследованиях сплавов серии TB в морской среде)

1. Сплавы серии TB демонстрируют превосходную коррозионную стойкость в мелководных районах при нормальной температуре, однако данные о долгосрочном старении в условиях крайне низкого содержания кислорода и длительного гидростатического давления на глубинах свыше 10 000 метров все еще находятся в стадии исследования;

2. β-титан обладает относительно низкой износостойкостью; механизм коррозии, связанной с абразивным износом, в условиях воздействия донного ила и песка является в настоящее время актуальной темой исследований в области морской среды;

3. Стоимость сплавов TB относительно высока; модификация низкозатратных сплавов β-титана с низким содержанием Mo/V для адаптации к морской среде является основным направлением исследований в области промышленного применения.