鈦合金閥門的應(yīng)用及其選材

　　論述了常用鈦及鈦合金的特性，介紹了國內(nèi)外鈦合金閥門應(yīng)用現(xiàn)狀及部件選材，分析了鈦閥使用中應(yīng)注意的問題，提出了我國今后鈦閥門的主要應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

1、概述

　　鈦及鈦合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，屈強(qiáng)比高，無磁性，有生物惰性，并具備優(yōu)良的耐腐蝕性能。在海水環(huán)境中，鈦及鈦合金幾乎不發(fā)生腐蝕，在大部分化學(xué)介質(zhì)中具有極好的耐蝕性。目前，隨著科技的進(jìn)步以及各行各業(yè)對(duì)新材料應(yīng)用力度的加大，鈦閥門作為各種特殊環(huán)境及特殊流體介質(zhì)輸送系統(tǒng)的必備產(chǎn)品已被大量應(yīng)用。然而不同領(lǐng)域及行業(yè)的流體介質(zhì)和環(huán)境條件不盡相同，對(duì)鈦閥所用材料的性能等要求有所不同。同時(shí)，由于鈦閥不同組件性能要求存在差異，成型工藝不同，以及為降低成本部分部件需選用代用材料等因素影響，選材成為鈦閥門設(shè)計(jì)制造中必須首要考慮的技術(shù)問題之一，而受到普遍的關(guān)注和重視。

2、常用鈦及鈦合金

　　2.1、工業(yè)純鈦

　　工業(yè)純鈦系指幾種具有不同的Fe、C、N、O等雜質(zhì)含量的非合金鈦。工業(yè)純鈦不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，成型性能優(yōu)良，易于熔焊和釬焊。工業(yè)純鈦實(shí)際應(yīng)用廣泛，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)典型變形工業(yè)純鈦牌號(hào)有TA1、TA2和TA3等；典型鑄造工業(yè)純鈦牌號(hào)有ZTA1、ZTA2和ZTA3。

　　2.2、鈦合金

　　鈦合金是以鈦為基體，加入Al、Sn、Cr、Mo和Mn等元素組成的合金。鈦合金通常按照退火態(tài)相組成進(jìn)行分類，劃分為α型、β型和α+β型鈦合金。α型鈦合金主要成分為Ti中加入Al、Sn、Cr等α穩(wěn)定元素的合金，其退回狀態(tài)下的組織為單相α固溶體。α型鈦合金不能熱處理強(qiáng)化，其強(qiáng)度比β型和α+β型鈦合金低，但在500～600℃使用時(shí)能保持良好的高溫強(qiáng)度。α型鈦合金具有良好的焊接性能、鑄造性能、壓力加工性能、組織穩(wěn)定性和無冷脆性，缺點(diǎn)是較低的工藝塑性及對(duì)氫脆的敏感性。α型鈦合金實(shí)際應(yīng)用廣泛，典型α型變形鈦合金牌號(hào)有TA5、TA7、TA9等。

　　β型鈦合金主要成分為Ti中加入Cr、Mo、V等元素的合金，這類合金經(jīng)淬火處理后得到β固溶體組織，具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性，壓力加工性能和焊接性能良好。但是β型鈦合金的組織和性能不穩(wěn)定，熔煉工藝復(fù)雜，應(yīng)用較少。穩(wěn)定的β型鈦合金有TB7和Ti40。

　　α+β型鈦合金的室溫組織為α+β組織，是在穩(wěn)定狀態(tài)下含5%～25%的β相以及從β區(qū)急劇冷卻形成α型馬氏體相的α+β鈦合金，它可通過熱處理淬火加時(shí)效處理強(qiáng)化。α+β型鈦合金力學(xué)性能范圍較寬，在寬廣的溫度范圍內(nèi)有較好的綜合性能，可適合各種不同的用途。典型α+β型變形鈦合金牌號(hào)有TC4、TC11和TC16等。典型α+β型鑄造鈦合金牌號(hào)有ZTC3、ZTC4和ZTC5。

3、鈦的力學(xué)性能

　　鑄造用鈦金屬必須具備良好的流動(dòng)性和工藝性，國內(nèi)外典型鑄造鈦及鈦合金的力學(xué)性能見表1。鍛造用鈦金屬必須具備良好的塑性，國內(nèi)外典型鍛造鈦及鈦合金的力學(xué)性能見表2。

　　鈦中經(jīng)常存在的O、C和N等雜質(zhì)對(duì)鈦的力學(xué)性能影響很大，它們能提高鈦的強(qiáng)度而降低其塑性，其N的影響較大，C的影響較小，O的影響居中。另外，B、Be和Al等元素對(duì)提高鈦的強(qiáng)度影響較大，而Cr、Mo、Mn、Fe、V和Sn等對(duì)鈦的強(qiáng)度影響較小。Al常作為α型、α+β型鈦合金中的α穩(wěn)定元素和重要合金元素，對(duì)合金有細(xì)化晶粒，提高再結(jié)晶溫度和相變溫度，并有顯著強(qiáng)化作用，且能夠降低合金密度，增加合金彈性模量。Mo常作為β型、α+β型鈦合金中的β穩(wěn)定元素和重要的合金元素，旨在不顯著降低材料塑性的情況下，有較大的強(qiáng)化作用，能夠同時(shí)提高材料的斷裂韌性、耐蝕性，降低其應(yīng)力腐蝕敏感性。

表1 鑄造鈦及鈦合金的力學(xué)性能

表2 國內(nèi)外典型鍛造鈦及鈦合金的力學(xué)性能

　　H對(duì)鈦及鈦合金的力學(xué)性能也有較大影響，當(dāng)H含量達(dá)到一定數(shù)值后，將大大提高鈦及鈦合金對(duì)缺口的敏感性，從而降低缺口試樣的沖擊韌性等性能。一般認(rèn)為，氫含量應(yīng)低于0.007%～0.008%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，而不允許高于0.0125%～0.015%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，高于此含量，組織上將析出氫化物，并出現(xiàn)明顯的氫脆現(xiàn)象。對(duì)鈦及鈦合金來說，氫脆是一個(gè)重要的問題。鈦容易從酸洗液、腐蝕液和熱加工的高溫氣氛中吸氫。鈦及其合金的氫脆常有兩種表現(xiàn)形式。一是強(qiáng)度稍有增加，塑性及沖擊韌性降低。另一種形式是類似于鋼的脆化，在恒載荷或持續(xù)載荷下，進(jìn)行慢速拉伸時(shí)出現(xiàn)的一種脆化現(xiàn)象。

4、鈦閥的應(yīng)用

　　4.1、航空航天工程

　　鈦及鈦合金的強(qiáng)度高、密度小等性能使其在航空航天工程中得到廣泛應(yīng)用。如飛機(jī)的各種管路上大量使用了鈦合金閥門，閥門種類涉及調(diào)節(jié)閥、截止閥、止回閥、針型閥、旋塞閥、球閥和蝶閥等。用于閥門的鈦材有純鈦(ASTMB367C2)及鈦合金(Ti-6Al-4V(ASTMB381F5)、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-13V-11Cr-3Al和Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al和Ti-11.5Mo-8V-6Al-4.5Sn等)，但純鈦和鈦合金Ti-6Al-4V使用較為普遍。航空工程用鈦閥其緊固件用材美國選用Ti-6Al-4V，俄羅斯采用BT16。

　　4.2、化工工程

　　鈦閥作為鈦合金管路中流體輸送控制的關(guān)鍵系統(tǒng)元件，在化工工程中有極其廣泛的用途。如氯堿項(xiàng)目、制鹽業(yè)、合成氨項(xiàng)目、乙烯項(xiàng)目、硝酸項(xiàng)目和醋酸項(xiàng)目等涉及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)和環(huán)境的項(xiàng)目中，必須使用耐蝕性能優(yōu)良的鈦合金，其介質(zhì)輸送管路中的控制和調(diào)節(jié)部位必須大量使用鈦閥。大型精對(duì)苯二甲酸項(xiàng)目可作為鈦閥應(yīng)用的典型，因其介質(zhì)主要涉及含有一定雜質(zhì)的高溫高濃度醋酸，環(huán)境苛刻，介質(zhì)特殊，必須應(yīng)用高耐蝕材料。因此大量應(yīng)用不同類型、不同規(guī)格的鈦閥，所用閥門種類涉及閘閥、截止閥、止回閥、安全閥、球閥和蝶閥等。國內(nèi)大型精對(duì)苯二甲酸項(xiàng)目所用鈦閥閥體選用ASTMB367C2(鑄件)或ASTMB381F2(鍛件)，閥門內(nèi)件多選用ASTMB381F5。

　　閥門用緊固件作為閥門重要零部件，在閥門設(shè)計(jì)、制造中也非常重要。國外一般分為兩種，對(duì)于和介質(zhì)接觸部位選用ASTMB381F5，而用于閥門外部不與介質(zhì)直接接觸的緊固件，常選用經(jīng)一定表面處理的代用材料，如不銹鋼ASTMA194-8M等，既可降低成本，采購也相對(duì)容易。

　　國內(nèi)已設(shè)計(jì)制造了大規(guī)格(DN500)鈦閥，如鍛制球閥、蝶閥和止回閥等，實(shí)現(xiàn)了在某大型精對(duì)苯二甲酸項(xiàng)目批量供貨和成功應(yīng)用。鈦閥在化工行業(yè)應(yīng)用廣泛，但必須注意其并非適于任何化學(xué)介質(zhì)。其中氫氟酸、鹽酸、硫酸和正磷酸及熱濃的草酸、甲酸、三氯乙酸、三氟乙酸以及腐蝕性極強(qiáng)的氯化鋁，對(duì)鈦及鈦合金都有嚴(yán)重的腐蝕作用，因此鈦閥不適應(yīng)用于此類化工介質(zhì)，在使用中應(yīng)注意。

　　4.3、核電工程

　　由于核電站均建于海岸沿線，核電站中許多設(shè)施涉及海水這一特殊介質(zhì)，鈦及鈦合金閥門其優(yōu)良的耐海水腐蝕性能，使其在核電工程中用量巨大。核電用閥門在核電站中是使用數(shù)量較多的介質(zhì)輸送控制設(shè)備，是核電站安全運(yùn)行中必不可少的重要組成部分。以閥門配置情況看，截止閥占33.6%，隔膜閥占26.2%、球閥占12.8%。在龐大的閥門用量中，鈦閥門占有相當(dāng)比例，鈦閥用材主要以經(jīng)過防輻照試驗(yàn)驗(yàn)證的鈦材為主。

　　4.4、其他工程

　　鈦及鈦合金閥門在海洋平臺(tái)、造紙、食品、醫(yī)藥等工程中的應(yīng)用十分普遍。近年海上油田開采進(jìn)入快速發(fā)展期，海洋平臺(tái)用鈦合金閥門需求量逐年增加，主要有關(guān)斷球閥、止回閥、多路閥等，其閥門用材多選用純鈦。造紙工程涉及強(qiáng)堿介質(zhì)，介質(zhì)腐蝕性能極強(qiáng)。造紙行業(yè)的管道、泵、閥、風(fēng)機(jī)和攪拌器等常采用鈦合金制造，其中純鈦制球閥和截止閥等應(yīng)用量較大。由于鈦及鈦合金具有生物惰性，即對(duì)人體或其他生物無任何毒害作用，所以，鈦及鈦合金裝置在食品加工和制藥工程中應(yīng)用廣泛。高端食品加工企業(yè)及制藥廠均應(yīng)用到鈦設(shè)備、管線和閥門，所用鈦閥門主要有純鈦制球閥和蝶閥等。

5、應(yīng)用前景

　　經(jīng)過多年科研、設(shè)計(jì)、制造和用戶相結(jié)合的共同努力，我國的閥門行業(yè)已取得快速發(fā)展。逐步實(shí)現(xiàn)了重大裝備閥門國產(chǎn)化的計(jì)劃，其中包括百萬千瓦級(jí)核電站關(guān)鍵閥門和百萬噸級(jí)大型乙烯成套設(shè)備閥門國產(chǎn)化等。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，近幾年我國航空航天工程、電力工程、海洋資源開發(fā)利用工程、石油化工工程、食品及醫(yī)療工程等發(fā)展力度的加大，鈦閥的市場(chǎng)及應(yīng)用前景十分廣闊。

6、結(jié)語

　　鈦和鈦合金閥門作為一種特殊介質(zhì)及環(huán)境下的流體控制必需品，在國外發(fā)達(dá)國家，其加工制造及應(yīng)用已有多年歷史，其閥門的應(yīng)用領(lǐng)域及所用材料類型、牌號(hào)等對(duì)我國設(shè)計(jì)、加工制造高端閥門有很大幫助。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，未來鈦閥門應(yīng)用前景十分廣闊。研究和掌握國內(nèi)外鈦閥應(yīng)用現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)選材規(guī)律，有益于我國鈦閥門產(chǎn)業(yè)盡快發(fā)展。