1、前言
鈦及鈦合金密度約為4.51g/cm3 、抗拉強(qiáng)度Rm>300MPa，屈強(qiáng)比可達(dá)0.9，其重量輕、強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、無磁性、有生物惰性、尤其具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，既是現(xiàn)代金屬，又是重要的戰(zhàn)略金屬，其在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用，反映一個國家的綜合實(shí)力，經(jīng)濟(jì)實(shí)力，國防實(shí)力，是高技術(shù)不可或缺的關(guān)鍵材料。因此，目前隨著科技的進(jìn)步以及各行各業(yè)對新材料應(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)、環(huán)境條件不盡相同，對鈦閥所用材料的性能
等要求有所不同；同時，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)計制造中必須首要考慮的技術(shù)問題之一，而受到大量的關(guān)注和重視。本文以鈦及鈦合金材料應(yīng)用研究成果為基礎(chǔ)，針對常用鈦及鈦合金性能及不同元素對鈦材性能的影響進(jìn)行綜述，簡要介紹常用鈦及鈦合金的性能等，同時結(jié)合目前國內(nèi)外鈦閥門應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，介紹目前國內(nèi)外鈦合金閥門應(yīng)用現(xiàn)狀、鈦閥部件常見選材，希望對我國鈦閥產(chǎn)業(yè)發(fā)展及壯大，并為鈦閥門這一新產(chǎn)品的
廣泛應(yīng)用有所幫助。寶雞鈦法蘭生產(chǎn)廠家-中揚(yáng)金屬，有關(guān)鈦合金閥門的應(yīng)用及選材，將相關(guān)資料整理如下：
2、常用鈦及鈦合金綜述
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。它不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，成型性能優(yōu)異，易于熔焊和釬焊。工業(yè)純鈦實(shí)際應(yīng)用廣泛，典型變形工業(yè)純鈦牌號有TA1、TA2、TA3等；典型鑄造工業(yè)純鈦牌號有ZTA1、ZTA2、ZTA3。
2.2 鈦合金
鈦合金是指以鈦為基體，加入Al、sn、Cr、Mo、Mn等元素組成的合金。鈦合金通常按照退火態(tài)相組成而進(jìn)行分類，被劃分為 α型、 α+β型、β型鈦合金。
α型鈦合金主要成分為Ti中加入Al、sn、cr等 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，強(qiáng)度比其他兩類鈦合金低，但在500—600％使用時能保持良好的高溫強(qiáng)度。這類合金的主要優(yōu)點(diǎn)是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氫脆的敏感性 。α型鈦合金實(shí)際應(yīng)用非常廣泛，典型 型變形鈦合金牌號有TA5、TA7、TA9等。
β型鈦合金主要成分為 中加入Cr、No、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。缺點(diǎn)是組織和性能不太穩(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型鈦合金其室溫組織為 α+β組織，是在穩(wěn)定狀態(tài)下含5％ 一25％的B相以及從β區(qū)急劇冷卻形成 型馬氏體相的 α+β鈦合金，它可通過熱處理淬火加時效處理強(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。典型僅+B型變形鈦合金牌號有TC4、TC16、TC11等；典型 α+β型鑄造鈦合金牌號有ZTC3、ZTC4和ZTC5。
2.3 不同元素對鈦材性能的影響
了解不同元素對鈦材性能的影響，對于鈦閥產(chǎn)品的加工制造、檢驗(yàn)驗(yàn)收，保證產(chǎn)品質(zhì)量等十分重要。O、C、N是鈦中經(jīng)常存在的等雜，雜質(zhì)含量對鈦的力學(xué)性能影響很大，它們能提高鈦的強(qiáng)度而降低其塑性，N的影響最大，C的影響最小，而O居中。
除O、C、N外，對提高鈦的強(qiáng)度影響較大的元素是B、Be和Al。其它元素對鈦的強(qiáng)度影響不那么強(qiáng)烈，按影響程度可依次排列為：Cr、Mo、Mn、Fe、V、sn。Al常作為α型、 α+β型鈦合金中的穩(wěn)定元素和重要合金元素，對合金有細(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，能夠同時提高材料的斷裂韌性、耐蝕性，降低其應(yīng)力腐蝕敏感性。
另外，H對鈦及鈦合金的力學(xué)性能也有較大影響，其影響主要體現(xiàn)在氫脆上，H含量達(dá)到一定數(shù)值后，將大大提高鈦及鈦合金對缺口的敏感性，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。對鈦及鈦合金來說，氫脆是一個重要的問題。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2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)行慢速拉伸時出現(xiàn)的一種脆化現(xiàn)象。
2.4 鑄件用典型鈦材及其力學(xué)性能
鑄造工藝常用于生產(chǎn)形體復(fù)雜、多曲面工件等(如鈦閥的閥體、閥蓋等)。因此，要進(jìn)行鑄造成型，用于澆鑄鑄件的金屬首先必須具備良好的流動性和工藝性。國內(nèi)外典型鑄造鈦及鈦合金的力學(xué)性能見表1。
2.5 鍛件用典型鈦材及其力學(xué)性能
鍛件必須使用塑性良好的變形材料來成型，國內(nèi)外典型鍛造鈦及鈦合金的力學(xué)性能見表2。
3、鈦閥應(yīng)用及其所用材料
3.1 鈦閥在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用及其用材
鈦及鈦合金的強(qiáng)度高、密度小等性能為其在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供了廣大空間。鈦合金及其閥門制品在航天領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，僅就所用閥門種類而言，主要涉及調(diào)節(jié)閥、針型閥等，更多以小規(guī)格及非標(biāo)設(shè)計閥門為主。在航空領(lǐng)域鈦合金及其閥門制品的應(yīng)用不僅范圍廣而且數(shù)量巨大。一架超大型客機(jī)-空客A380，用鈦量45—65T／架；美國的亞音速波音客機(jī)用鈦量占其總重的15％ ～17％ ，F(xiàn)18艦載殲擊機(jī)用鈦量占其總重的12％ ～13％ ，最先進(jìn)的第四代戰(zhàn)機(jī)F-22用鈦量占其總重的4l％l6]。飛機(jī)上的各種管路中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、蝶閥等，用于閥門的鈦材有純鈦(如ASTM B367 C2)及鈦合金Ti一6AI一4V(ASTM B381 F5)、Ti一6AI一6V一2Sn、Ti一6A1—2Sn一4Zr一2Mo、Ti一6A1—2Sn一4Zr一6Mo等，但以純鈦和鈦合金Ti一6A1—4V較為普遍 。航空領(lǐng)域用鈦閥其緊固件用材美國選用Ti一6AI一4V，俄羅斯采用BT16。
3.2 鈦閥在化工領(lǐng)域的應(yīng)用及其用材
2010年國內(nèi)主要鈦加工材企業(yè)在化工領(lǐng)域銷售量達(dá)19718噸，占總銷售量的53.2％ 。由此數(shù)據(jù)不難看出，鈦材在化工領(lǐng)域有極其廣泛的用途，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，其使用必不可少，因此鈦閥在化工領(lǐng)域的用量不言而喻。在氯堿項(xiàng)目、制鹽業(yè)、合成氨項(xiàng)目、乙烯項(xiàng)目、硝酸項(xiàng)目、醋酸項(xiàng)目等涉及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)和環(huán)境的項(xiàng)目中，普通金屬如碳鋼、不銹鋼等因耐蝕性差，不能滿足使用要求，必須使用耐蝕性能優(yōu)良的特種金屬鈦合金，其介質(zhì)輸送管路中的控制、調(diào)節(jié)部位必須大量使用鈦閥。大型精對
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。因此不同類型、不同規(guī)格的鈦閥被大量應(yīng)用，所用閥門種類涉及閘閥、截止閥、止回閥、安全閥、球閥、蝶閥等等。國內(nèi)大型精對苯二甲酸項(xiàng)目所用鈦閥產(chǎn)品長期并大量依賴進(jìn)口，其閥體多選用ASTM B367 C2(鑄件)或ASTM B381 F2(鍛件)；閥門內(nèi)件多選用ASTM B381 F5。閥門用緊固件作為閥門重要零部件，在閥門設(shè)計、制造中也非常重要。就閥門用緊固件選材而言，國外一般分為兩種，對于和介質(zhì)接觸部位普遍選用ASTM B381 F5，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ASTM A194-Sbi等，既可降低成本，采購也相對容易。國內(nèi)在大規(guī)格鍛制鈦閥設(shè)計、制造方面已獲突破，由中國船舶重工集團(tuán)第七二五所設(shè)計制造的大規(guī)格(～DNS00)鍛制球閥、蝶閥、止回閥等已打破國外壟斷，首次實(shí)現(xiàn)在某大型精對苯二甲酸項(xiàng)目批量供貨和成功應(yīng)用。
鈦閥在化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但必須注意其并非適于任何化學(xué)介質(zhì)。其中4種無機(jī)酸：氫氟酸、鹽酸、硫酸和正磷酸及4種熱濃有機(jī)酸：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)引起注意。
3.3 鈦閥在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用及其用材
俄羅斯開發(fā)艦船用鈦合金的工作始于20世紀(jì)6O年代，是國際公認(rèn)開發(fā)艦船用鈦合金最早、研究最為深入、使用最為廣泛的國家之一。就鈦工業(yè)的發(fā)展水平以及鈦合金在造船業(yè)的使用規(guī)模來看，俄羅斯遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界上其他所有國家。
20世紀(jì)60年代至80年代，俄羅斯生產(chǎn)了一系列的攻擊型潛艇群，其中包括鈦合金使用量達(dá)3000t的“阿爾法”級潛艇和用鈦量達(dá)9000t的“臺風(fēng)”¨級潛艇 。其艦艇海水管系鈦合金閥門的種類涉及舷側(cè)閥、截止閥、止回閥等等，使用較普遍和成熟。俄羅斯艦船用鈦合金閥門在用材上多選用3M合金和TB3合金等。
美國的泰科流體控制公司(Tyco—flow con—tro1)、CLA．VAL公司、Cunico公司等與美國海軍合作，為其艦船和潛艇提供閥門和控制方案，其生產(chǎn)的鈦合金閥門產(chǎn)品不僅通用性強(qiáng)，而且體積小、性能優(yōu)良。在航母、核潛艇、驅(qū)逐艦、兩棲船塢直升機(jī)艦等等的海水系統(tǒng)均有應(yīng)用。最具有代表性的如美國的LPD-17等艦艇，其海水系統(tǒng)中應(yīng)用了大量鈦合金管路及鈦合金閥門。美制鈦合金閥門的閥體材料等多采用ASTM B367 C2，內(nèi)件材料多采用ASTM B381 F5 En 。
3.4 鈦閥在核電領(lǐng)域的應(yīng)用及其用材
鈦及鈦合金閥門在電站尤其是核電領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。合理安全使用核能，是人類的一大進(jìn)步和在新能源開發(fā)利用方面的一大方向，目前世界許多發(fā)達(dá)國家均有核電站。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界共有447個核電機(jī)組正在運(yùn)行，總裝機(jī)容量3.8億千瓦，約占全球發(fā)電量的16.2％。有17各國家核電裝機(jī)容量占其本國總發(fā)電量的25％ 以上，其中法國占7％、韓國占38％ 、日本占36％ 、英國占28％ ，美國也占到了20％。由于核電站有潛在核污染可能，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)，鈦材有“海洋金屬”美譽(yù)，其優(yōu)良的耐海水腐蝕性能使得核電領(lǐng)域鈦制品用量十分巨大，鈦閥便是其中之一，另外在普通電站鈦閥門也被大量應(yīng)用。
就電站用閥門而言，我國電站的建設(shè)正向大型化方向發(fā)展，所以需用大口徑及高壓的安全閥、減壓閥、截止閥、閘閥、蝶閥、緊急切斷閥及流量控制閥、球面密封儀表截止閥等等。隨著我國核電站建設(shè)從試驗(yàn)性、補(bǔ)償性轉(zhuǎn)向戰(zhàn)略性和進(jìn)取性發(fā)展，給核電閥門帶來了廣闊的市場前景。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，在核電站中的投資比例占核電站建成總價的1.6％ 左右。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％ 。如此龐大的閥門用量中，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。
核電用閥門加工制造領(lǐng)域，目前國內(nèi)已有19個企業(yè)獲得了國家核安全局頒發(fā)的民用核承壓設(shè)備設(shè)計和生產(chǎn)資格許可證，可設(shè)計和生產(chǎn)核閥的種類包括閘閥、截止閥、調(diào)節(jié)閥等。其中，具備設(shè)計生產(chǎn)核I級閥門的企業(yè)有5家(中核蘇閥、沈陽盛世、大連大高、上海閥門、上海良工)。
3.5 鈦閥在其它領(lǐng)域的應(yīng)用及其用材
鈦及鈦合金閥門在海洋平臺、造紙工業(yè)、食品醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍。海洋鉆井平臺其環(huán)境主要涉及到海水等介質(zhì)，鈦閥已成為必須產(chǎn)品被大量應(yīng)用。近年海上油田開采進(jìn)入快速發(fā)展期，海洋平臺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。
造紙工業(yè)是我國的傳統(tǒng)工業(yè)之一，造紙業(yè)環(huán)境污染較為嚴(yán)重，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)、攪拌器等均常采用鈦合金制造，大量用到鈦合金 。就管道閥門而言，純鈦制球閥、截止閥等應(yīng)用量較大。
食品及醫(yī)藥制造領(lǐng)域，直接關(guān)乎人的健康。眾所周知，鈦及鈦合金的一大特性就是其生物惰性，即對人體或其他生物無任何毒害作用，所以，鈦及鈦合金在食品加工、制藥領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，高端食品加工企業(yè)及制藥廠均應(yīng)用到鈦設(shè)備、管線、閥門。該領(lǐng)域所用鈦閥門主要有純鈦制球閥、蝶閥等 。
4、鈦閥應(yīng)用前景展望
經(jīng)過20多年來特別是近幾年的科研、設(shè)計、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。2008年，國務(wù)院在下達(dá)《關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》后，帶動了裝備制造業(yè)的全面振興。為此國家發(fā)改委同中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會、中國通協(xié)等有關(guān)部門提出爭取在“十一五”期間逐步實(shí)現(xiàn)重大裝備閥門國產(chǎn)化的計劃，其中包括實(shí)現(xiàn)百萬千瓦級核電站關(guān)鍵閥門、百萬噸級大型乙烯成套設(shè)備閥門國產(chǎn)化等。通過不斷引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)和自主研發(fā)，并給予法規(guī)和政策上的諸多優(yōu)惠，相關(guān)閥門企業(yè)抓住機(jī)遇，上下形
成共識，閥門行業(yè)取得了可喜進(jìn)展。閥門行業(yè)始終保持良好的發(fā)展態(tài)勢，2010年1—5月，實(shí)現(xiàn)累計產(chǎn)品銷售收入557億元，比上年同期增長24．7％ ；實(shí)現(xiàn)累計利潤37億元，比上年同期增長了35．33％。2010年較上年度銷售收入增長超過21％ ；2011年較上年度銷售收入增長超過19％。
根據(jù)美國Mciivmne公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)及預(yù)測，到2015年中國閥門市場將超過美國成為世界第一，2010～ 2015年間，平均年增長率11％左右。在整個高端閥門市場中中高端閥門約占30％ ，其中鈦合金閥門占一定比例。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，2010—2015年，鈦閥應(yīng)用量較大的石化、PTA、LNG行業(yè)閥門市場預(yù)測年增長13％ ，由2010年的12億美元增至2015年的約18.8億美元；電力行業(yè)將保持6％年增長率，由2010年的20億美元增至2015年的約25億美元。因此，鈦閥在此領(lǐng)域應(yīng)用前景十分看好。
近幾年我國航空航天事業(yè)發(fā)展迅猛，大飛機(jī)制造、奔月及太空站建設(shè)已成重大國策。因此，鑒于鈦合金的優(yōu)良特性及發(fā)達(dá)國家鈦閥門在此領(lǐng)域的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，鈦閥在該領(lǐng)域的應(yīng)用量將會大幅度增加。另外，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，加強(qiáng)海軍建設(shè)及加大海洋資源開發(fā)利用力度，未來艦船建造及海洋鉆井平臺領(lǐng)域用鈦閥的需求量將大大增加。誰擁有了能源誰就擁有未來，海洋石油開采是我國未來油田開采的重點(diǎn)，鈦合金閥門在海洋鉆井平臺等方面的應(yīng)用前景將十分廣闊。
食品衛(wèi)生及醫(yī)療保健越來越被國人及國家相關(guān)部門所重視，鈦合金是用于食品加工和醫(yī)藥制造領(lǐng)域的最好金屬，中國有13億人口，占世界總?cè)丝诘?／6，所以，鈦閥在此領(lǐng)域未來的市場及應(yīng)用前景同樣將十分廣闊。
5、結(jié)語
鈦閥門作為一種特種介質(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、牌號等對我國設(shè)計、加工制造高端閥門有巨大幫助。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，未來我國將成為國家第一大閥門市場，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)計選材規(guī)律，有益于我國鈦閥門產(chǎn)業(yè)盡快壯大和健康發(fā)展。
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作者簡介i張永強(qiáng)(1963一)，男，學(xué)士，高級工程師，長期從事有色金屬壓力加工工藝研究及閥門研制，通訊地址：471039河南洛陽市中船重工七二五所八室。
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