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            鑄造鈦合金性能及在閥門行業的應用

            與以往的合金材料相比,鈦合金具有低密度、高比強度、抗腐蝕、高溫和低溫性能優良等眾多優點,因此在石油化工、海洋環境、生物醫學、航空航天、汽車工業及艦船等諸多領域可以得到更為廣泛的應用。鑄造鈦合金是鈦合金經過澆鑄成所需的形狀得到的,其中應用最廣泛的是ZTC4(Ti-6Al-4V)合金,工藝性能穩定,具有良好的強度和斷裂韌性(350℃以下)。

            作為各種特殊環境和特殊流體介質管路輸送系統的主要控制部件,閥門已經成為生產中很多設備的重要組成部分,可以說任何行業都離不開閥門。由于不同領域的環境、溫度和介質要求不同,閥門選材尤為關鍵,廣泛受人重視。以鈦合金和鑄造鈦合金為主體的閥門由于其耐腐蝕、高溫和低溫性能優良、高強度等良好的優越性能,在閥門領域有著廣闊的前景。

            1、常用的鑄造鈦合金

            1.1種類

            隨著科技的發展和生產需要,不同種類的鑄造鈦合金被研制出來,應用于很多領域。從照相組成成分來看,鑄造鈦合金可以分為α、β和α+β 3種類型;從強度來看,可以分為中強度鈦合金、高強度鈦合金;從使用環境溫度來看,可以分為低溫鈦合金(小于等于室溫)、中溫鈦合金(400℃)、高溫鈦合金(大于等于500℃)和抗燃燒鈦合金等??梢钥闯?,鑄造鈦合金的使用范圍很大,幾乎涵蓋各個方面,有著很高的市場價值。

            1.2力學性能

            鑄造鈦合金有ZTA1、ZTA2、ZTA5和ZTC4等多種類型,涵蓋α、β和α+β 3種類型,在國內分別以TA、TC和TB表示,其常見的力學性能見表1。

            鈦合金閥門

            表1常見鑄造鈦合金的力學性能

            以目前應用最為廣泛的ZTC4鑄造鈦合金為例,其Al含量為5.5%~6.75%,V含量為3.5%~4.5%,剩下的成分均為Ti。從表1中可以看出,ZTC4鑄造鈦合金的抗拉強度為895 MPa,屈服強度為825 MPa。其力學性能與中高強度鋼的性能較為接近,使用上可以較好地替代鋼材,另一方面,其密度僅僅為4.4 g/cm3,遠小于鋼材,有利于設備減重,同時其還保留了鈦合金耐腐蝕的優越性能,這是鋼材所不能滿足的。

            因此在今后的工業生產中,若由于生產需求需要進行減重,選擇合適的鑄造鈦合金進行替代,既可以有效地進行產品減重,又可以保證產品性能,不失為一個很好的選擇。

            2、鑄造鈦合金在閥門行業的應用

            2.1船用鈦質閥門

            近年來,隨著我國經濟的高速發展,各個行業遍地開花,閥門作為一種必不可少的通用機械設備,產品的市場需求量不斷增加,我國閥門產業也得到了快速的發展。

            閥門通常由閥體、閥蓋、閥瓣、閥桿、熱片、填料及驅動件組成,閥體、閥蓋所選材料為主體材料,閥瓣(閘板)、球體、閥座、閥桿和密封座等所選材料稱為內件材料,另外還有緊固件材料;閥門常見選材有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鋼和銅合金等,可選擇性多樣化。但隨著生產的進一步需要,研究人員發現在一些惡劣的工作環境和復雜特殊的工況下,常規的閥門材料無法滿足生產和科研需要。這時鈦及鑄造鈦合金因為優越的性能引起了人們的注意,鈦制閥門得到了一定的發展。

            海水管路系統所處的工作環境十分惡劣,船用閥門的性能直接影響管路系統的安全乃至總體性能。早在20世紀60年代,俄羅斯便開始了艦船鈦合金的研究,隨后又開發了船用β鈦合金,用到之后的軍用艦船管道系統中,其中涉及的鈦合金閥門有截止閥、止回閥和球閥等,使用種類繁多,數量巨大;同時,民用船舶管路系統也開始使用鈦制閥門。相比于之前采用的銅合金、鋼等,之后的下水試驗也表明采用鑄造鈦合金后,自身結構強度和耐腐蝕等諸多方面都有了很高的可靠性,使用壽命也得到大幅度延長,從原先的2~5 a可以延長至2倍以上,引起了大家的廣泛重視。位于我國洛陽的中船七二五研究所為某型號艦船供應的三偏心蝶閥正是改變以往選材和設計方案,采用Ti80等作為主體材料,閥門使用壽命延長至25 a以上,提高閥門產品應用的可靠度和實用度,填補了國內技術空白。

            2.2航空航天鈦質閥門

            在航空航天方面,鑄造鈦合金也有著不俗的表現,這歸功于其良好的耐熱性和強度。同樣是60年代這段時期,美國航空首次試用鈦鑄件。經過一段時間的研究,從1972年鑄造鈦合金開始正式應用在飛機上(波音757、767及777等),不僅采用了較多的靜止結構鈦合金鑄件,而且也開始用于關鍵位置,比如關鍵管路系統閥門控制,常用的閥門有安全閥、止回閥等,降低了飛機的制造成本,增加了安全性和可靠性,同時由于鈦合金相對于其他合金,密度較小,重量僅為同等強度鋼材的60%左右,因此其廣泛應用可以促使飛機向著高強度、輕量化的方向穩步邁進。

            目前來看,航空航天閥門主要應用于氣動、液動、燃油和潤滑等諸多控制系統,比較適合耐腐蝕和環境溫度較高的環境,是航天飛行器、發動機等至關重要的部門零件之一。傳統的閥門經常需要進行階段性更換,甚至無法滿足需求,同時隨著航空航天閥門市場規模正急速擴大,所以鈦質閥門因其優越的性能所占份額也在不斷上升。

            2.3化工行業鈦質閥門

            化工類的閥門一般都在高溫、高壓、耐腐蝕和壓差大等普遍惡劣環境中使用,因此合適的材料選擇對于閥門化工行業的應用顯得至關重要,早期選材多以碳素鋼、不銹鋼等為主,使用一段時間會發生銹蝕現象,需要進行更換維護。隨著鑄造鈦合金技術的不斷發展和其優越性能逐漸被人發現,鈦質閥門也出現在人們的眼里。

            以化纖工業精對苯二甲酸(PTA)生產裝置作為例,工作介質主要為醋酸和氫溴酸,具有很強的腐蝕性,近8 000臺包含截止閥、球閥等閥門需要使用,種類繁雜,數量巨大,因此鈦質閥門成為很好的選擇,增加了使用的可靠性和安全性。一般情況下,由于尿素的腐蝕性,尿素合成塔出口和進口的閥門能夠滿足1 a的使用壽命已經達到使用要求。而山西呂梁化肥廠、山東滕州化肥廠和河南靈寶化肥廠等企業進行了多次嘗試,最終選擇鈦閥高壓止回閥H72WA-220ROO-50,H43WA-220ROO-50、65、80及保溫截止閥BJ45WA-25R-100、125等用于尿素合成塔的進口,使用壽命均在2 a以上,體現了較好的耐腐蝕性[9],降低了閥門的更換頻率和使用成本。

            鑄造鈦合金在閥門市場的應用不僅僅局限于上述行業,其他方面發展有著不錯的發展,比如日本研制開發的新型鑄造鈦合金Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si,具有低密度,高蠕變強度和較好的耐磨性等諸多優點,將其用在汽車發動機后排氣閥,可以改善發動機的安全性能,同時延長使用壽命。

            3、鑄造鈦合金在其他行業的應用

            相比于鑄造鈦合金在閥門行業的應用來說,鑄造鈦合金的其他應用更為廣泛。鈦和鈦合金都具有良好的耐腐蝕性能,因此對于石油化工等有腐蝕性要求的行業是有重要意義的,在這些行業中,容積泵、換熱器、壓縮機和反應器等需要進行工業生產的大型設備很多都是會采用耐腐蝕的鈦鑄件,有著最大的市場需求。醫學領域方面,由于鈦是世界公認的安全無毒、無重金屬析出的安全金屬,因此很多醫療輔助器械、人體假肢等都是以鑄造鈦合金作為材質的,尤其是在牙科醫療上,幾乎全部試用過的牙科醫療鑄件都是由工業純鈦和Ti-6Al-4V合金制成的,有著良好的生物相容性、機械性能和抗腐蝕性能。另一方面,由于鈦及鈦合金密度小、性能好等優點,廣泛運用在高爾夫球桿、球頭、網球拍、羽毛球拍和釣具等眾多運動器械,用其制成的產品重量輕,有質量保證,很受大眾的歡迎。例如日本鋼管公司(N104)研制的SP-700新型鈦合金的制品用作Taylor牌300系列高爾夫球頭表面材料,暢銷全球高爾夫球市場。

            從20世紀末期開始,鑄造鈦合金在石油化工、航天航空、生物醫學、汽車工業和運動休閑等領域已從最初的初步試探到現在的極力推廣發展,逐步形成產業化和規?;?。

            4、應用的局限性

            但是,雖然以鑄造鈦合金、純鈦等鈦材作為主體的閥門和其他產品,在諸多領域都有著廣闊的應用前景,但也有一定的局限性。

            相比于其他金屬材料,鈦作為一種新興金屬,其發展時間是很短暫的,鈦合金應用距今也不過短短70 a的時間,因此目前可供參考的技術資料十分有限,仍處于摸索的階段。一方面由于金屬鈦的冶煉難度很大,成本居高不下;另一方面由于鈦及鈦合金、鑄造鈦合金的加工成本很高,加工時間較長,加工成本是其材料價值的數倍,甚至高達數十倍,是公認的最難加工的材料之一,無法做到大規模的推廣使用。因此提高金屬鈦的冶煉技術,同時尋找合適的加工方法是目前的當務之急。

            5、結束語

            對于鈦及其鈦合金來說,一方面性能優越,是很多材料比如鋼材的理想替代品,另一方面鈦資源儲量豐富,因此受到了眾多研究人員的重視。雖然目前還存在著鈦資源開采、冶煉技術難度大和加工困難等一些問題,但是,閥門產業和鈦產業同樣是一個朝氣蓬勃、飛速發展的行業。伴隨著將來鈦材料的穩定開采和生產及新工藝的推出和完善,鑄造鈦合金及鑄件在閥門行業的應用發展會更加成熟并且趨于規?;?,在其他行業也會有著廣闊的應用前景。

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