钛合金阀门的应用及其选材

　　论述了常用钛及钛合金的特性，介绍了国内外钛合金阀门应用现状及部件选材，分析了钛阀使用中应注意的问题，提出了我国今后钛阀门的主要应用领域和发展前景。

1、概述

　　钛及钛合金质量轻，强度高，屈强比高，无磁性，有生物惰性，并具备优良的耐腐蚀性能。在海水环境中，钛及钛合金几乎不发生腐蚀，在大部分化学介质中具有极好的耐蚀性。目前，随着科技的进步以及各行各业对新材料应用力度的加大，钛阀门作为各种特殊环境及特殊流体介质输送系统的必备产品已被大量应用。然而不同领域及行业的流体介质和环境条件不尽相同，对钛阀所用材料的性能等要求有所不同。同时，由于钛阀不同组件性能要求存在差异，成型工艺不同，以及为降低成本部分部件需选用代用材料等因素影响，选材成为钛阀门设计制造中必须首要考虑的技术问题之一，而受到普遍的关注和重视。

2、常用钛及钛合金

　　2.1、工业纯钛

　　工业纯钛系指几种具有不同的Fe、C、N、O等杂质含量的非合金钛。工业纯钛不能进行热处理强化，成型性能优良，易于熔焊和钎焊。工业纯钛实际应用广泛，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研后发现典型变形工业纯钛牌号有TA1、TA2和TA3等；典型铸造工业纯钛牌号有ZTA1、ZTA2和ZTA3。

　　2.2、钛合金

　　钛合金是以钛为基体，加入Al、Sn、Cr、Mo和Mn等元素组成的合金。钛合金通常按照退火态相组成进行分类，划分为α型、β型和α+β型钛合金。α型钛合金主要成分为Ti中加入Al、Sn、Cr等α稳定元素的合金，其退回状态下的组织为单相α固溶体。α型钛合金不能热处理强化，其强度比β型和α+β型钛合金低，但在500～600℃使用时能保持良好的高温强度。α型钛合金具有良好的焊接性能、铸造性能、压力加工性能、组织稳定性和无冷脆性，缺点是较低的工艺塑性及对氢脆的敏感性。α型钛合金实际应用广泛，典型α型变形钛合金牌号有TA5、TA7、TA9等。

　　β型钛合金主要成分为Ti中加入Cr、Mo、V等元素的合金，这类合金经淬火处理后得到β固溶体组织，具有较高的强度和冲击韧性，压力加工性能和焊接性能良好。但是β型钛合金的组织和性能不稳定，熔炼工艺复杂，应用较少。稳定的β型钛合金有TB7和Ti40。

　　α+β型钛合金的室温组织为α+β组织，是在稳定状态下含5%～25%的β相以及从β区急剧冷却形成α型马氏体相的α+β钛合金，它可通过热处理淬火加时效处理强化。α+β型钛合金力学性能范围较宽，在宽广的温度范围内有较好的综合性能，可适合各种不同的用途。典型α+β型变形钛合金牌号有TC4、TC11和TC16等。典型α+β型铸造钛合金牌号有ZTC3、ZTC4和ZTC5。

3、钛的力学性能

　　铸造用钛金属必须具备良好的流动性和工艺性，国内外典型铸造钛及钛合金的力学性能见表1。锻造用钛金属必须具备良好的塑性，国内外典型锻造钛及钛合金的力学性能见表2。

　　钛中经常存在的O、C和N等杂质对钛的力学性能影响很大，它们能提高钛的强度而降低其塑性，其N的影响较大，C的影响较小，O的影响居中。另外，B、Be和Al等元素对提高钛的强度影响较大，而Cr、Mo、Mn、Fe、V和Sn等对钛的强度影响较小。Al常作为α型、α+β型钛合金中的α稳定元素和重要合金元素，对合金有细化晶粒，提高再结晶温度和相变温度，并有显著强化作用，且能够降低合金密度，增加合金弹性模量。Mo常作为β型、α+β型钛合金中的β稳定元素和重要的合金元素，旨在不显著降低材料塑性的情况下，有较大的强化作用，能够同时提高材料的断裂韧性、耐蚀性，降低其应力腐蚀敏感性。

表1 铸造钛及钛合金的力学性能

表2 国内外典型锻造钛及钛合金的力学性能

　　H对钛及钛合金的力学性能也有较大影响，当H含量达到一定数值后，将大大提高钛及钛合金对缺口的敏感性，从而降低缺口试样的冲击韧性等性能。一般认为，氢含量应低于0.007%～0.008%(质量分数)，而不允许高于0.0125%～0.015%(质量分数)，高于此含量，组织上将析出氢化物，并出现明显的氢脆现象。对钛及钛合金来说，氢脆是一个重要的问题。钛容易从酸洗液、腐蚀液和热加工的高温气氛中吸氢。钛及其合金的氢脆常有两种表现形式。一是强度稍有增加，塑性及冲击韧性降低。另一种形式是类似于钢的脆化，在恒载荷或持续载荷下，进行慢速拉伸时出现的一种脆化现象。

4、钛阀的应用

　　4.1、航空航天工程

　　钛及钛合金的强度高、密度小等性能使其在航空航天工程中得到广泛应用。如飞机的各种管路上大量使用了钛合金阀门，阀门种类涉及调节阀、截止阀、止回阀、针型阀、旋塞阀、球阀和蝶阀等。用于阀门的钛材有纯钛(ASTMB367C2)及钛合金(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)，但纯钛和钛合金Ti-6Al-4V使用较为普遍。航空工程用钛阀其紧固件用材美国选用Ti-6Al-4V，俄罗斯采用BT16。

　　4.2、化工工程

　　钛阀作为钛合金管路中流体输送控制的关键系统元件，在化工工程中有极其广泛的用途。如氯碱项目、制盐业、合成氨项目、乙烯项目、硝酸项目和醋酸项目等涉及强腐蚀介质和环境的项目中，必须使用耐蚀性能优良的钛合金，其介质输送管路中的控制和调节部位必须大量使用钛阀。大型精对苯二甲酸项目可作为钛阀应用的典型，因其介质主要涉及含有一定杂质的高温高浓度醋酸，环境苛刻，介质特殊，必须应用高耐蚀材料。因此大量应用不同类型、不同规格的钛阀，所用阀门种类涉及闸阀、截止阀、止回阀、安全阀、球阀和蝶阀等。国内大型精对苯二甲酸项目所用钛阀阀体选用ASTMB367C2(铸件)或ASTMB381F2(锻件)，阀门内件多选用ASTMB381F5。

　　阀门用紧固件作为阀门重要零部件，在阀门设计、制造中也非常重要。国外一般分为两种，对于和介质接触部位选用ASTMB381F5，而用于阀门外部不与介质直接接触的紧固件，常选用经一定表面处理的代用材料，如不锈钢ASTMA194-8M等，既可降低成本，采购也相对容易。

　　国内已设计制造了大规格(DN500)钛阀，如锻制球阀、蝶阀和止回阀等，实现了在某大型精对苯二甲酸项目批量供货和成功应用。钛阀在化工行业应用广泛，但必须注意其并非适于任何化学介质。其中氢氟酸、盐酸、硫酸和正磷酸及热浓的草酸、甲酸、三氯乙酸、三氟乙酸以及腐蚀性极强的氯化铝，对钛及钛合金都有严重的腐蚀作用，因此钛阀不适应用于此类化工介质，在使用中应注意。

　　4.3、核电工程

　　由于核电站均建于海岸沿线，核电站中许多设施涉及海水这一特殊介质，钛及钛合金阀门其优良的耐海水腐蚀性能，使其在核电工程中用量巨大。核电用阀门在核电站中是使用数量较多的介质输送控制设备，是核电站安全运行中必不可少的重要组成部分。以阀门配置情况看，截止阀占33.6%，隔膜阀占26.2%、球阀占12.8%。在庞大的阀门用量中，钛阀门占有相当比例，钛阀用材主要以经过防辐照试验验证的钛材为主。

　　4.4、其他工程

　　钛及钛合金阀门在海洋平台、造纸、食品、医药等工程中的应用十分普遍。近年海上油田开采进入快速发展期，海洋平台用钛合金阀门需求量逐年增加，主要有关断球阀、止回阀、多路阀等，其阀门用材多选用纯钛。造纸工程涉及强碱介质，介质腐蚀性能极强。造纸行业的管道、泵、阀、风机和搅拌器等常采用钛合金制造，其中纯钛制球阀和截止阀等应用量较大。由于钛及钛合金具有生物惰性，即对人体或其他生物无任何毒害作用，所以，钛及钛合金装置在食品加工和制药工程中应用广泛。高端食品加工企业及制药厂均应用到钛设备、管线和阀门，所用钛阀门主要有纯钛制球阀和蝶阀等。

5、应用前景

　　经过多年科研、设计、制造和用户相结合的共同努力，我国的阀门行业已取得快速发展。逐步实现了重大装备阀门国产化的计划，其中包括百万千瓦级核电站关键阀门和百万吨级大型乙烯成套设备阀门国产化等。随着我国经济实力的不断增强，近几年我国航空航天工程、电力工程、海洋资源开发利用工程、石油化工工程、食品及医疗工程等发展力度的加大，钛阀的市场及应用前景十分广阔。

6、结语

　　钛和钛合金阀门作为一种特殊介质及环境下的流体控制必需品，在国外发达国家，其加工制造及应用已有多年历史，其阀门的应用领域及所用材料类型、牌号等对我国设计、加工制造高端阀门有很大帮助。随着我国国民经济高速发展，未来钛阀门应用前景十分广阔。研究和掌握国内外钛阀应用现状及设计选材规律，有益于我国钛阀门产业尽快发展。