钛合金阀门的应用及其选材

张永强，余巍，崔红力，刘兴玉

( 中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471039)

摘要: 对常用钛及钛合金进行了综述，重点介绍了国内外钛合金阀门应用现状及部件选材，分析了钛阀应用中应注意的部分问题，并指出我国今后钛阀门的主要应用领域和发展前景。

关键词: 阀门; 钛合金; 选材; 应用

Application and Material Selection of Titanium Valves ZHANG Yong-qiang，YU Wei，CUI Hong-li，LIU Xing-yu

( Luoyang Ship Material Ｒesearch Institute，Luoyang 471039，China)

Abstract: The typical titanium and titanium alloys are reviewed． The current application and material selection of the titanium valves are introduced． In the application of titanium valve，some problems which should be paid attention to are analyzed． Main application directions and development of titanium valves in China are pointed out．

Key words: valve; titanium alloy; material selection; application

1 前言

钛及钛合金密度约为4.51g/cm3、抗拉强度Ｒm＞300MPa，屈强比可达0.9，其重量轻、强度高、屈强比高、无磁性、有生物惰性、尤其具备优良的耐腐蚀性能［1］，既是现代金属，又是重要的战略金属，其在国民经济中的应用，反映一个国家的综合实力，经济实力，国防实力，是高技术不可或缺的关键材料。因此，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、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，而受到大量的关注和重视。本文以钛及钛合金材料应用研究成果为基础，针对常用钛及钛合金性能及不同元素对钛材性能的影响进行综述，简要介绍常用钛及钛合金的性能等，同时结合目前国内外钛阀门应用现状及前景，介绍目前国内外钛合金阀门应用现状、钛阀部件常见选材，希望对我国钛阀产业发展及壮大，并为钛阀门这一新产品的广泛应用有所帮助。

2 常用钛及钛合金综述

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。它不能进行热处理强化，成型性能优异，易于熔焊和钎焊。工业纯钛实际应用广泛，典型变形工业纯钛牌号有TA1、TA2、TA3等;典型铸造工业纯钛牌号有ZTA1、ZTA2、ZTA3。

2.2 钛合金

钛合金是指以钛为基体，加入Al、Sn、Cr、Mo、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，强度比其他两类钛合金低，但在500～600℃使用时能保持良好的高温强度。这类合金的主要优点是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［3］。α型钛合金实际应用非常广泛，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。缺点是组织和性能不太稳定，熔炼工艺复杂，应用较少。稳定的β型钛合金有TB7和Ti40。α+β型钛合金其室温组织为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、TC16、TC11等;典型α+β型铸造钛合金牌号有ZTC3、ZTC4和ZTC5。

2.3 不同元素对钛材性能的影响
了解不同元素对钛材性能的影响，对于钛阀产品的加工制造、检验验收，保证产品质量等十分重要。O、C、N是钛中经常存在的等杂，杂质含量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，N的影响最大，C的影响最小，而O居中。除O、C、N外，对提高钛的强度影响较大的元素是B、Be和Al。其它元素对钛的强度影响不那么强烈，按影响程度可依次排列为:Cr、Mo、Mn、Fe、V、Sn。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。另外，H对钛及钛合金的力学性能也有较大影响，其影响主要体现在氢脆上，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2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。

2.4 铸件用典型钛材及其力学性能

铸造工艺常用于生产形体复杂、多曲面工件等(如钛阀的阀体、阀盖等)。因此，要进行铸造成型，用于浇铸铸件的金属首先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。

2.5 锻件用典型钛材及其力学性能锻件必须使用塑性良好的变形材料来成型，

国内外典型锻造钛及钛合金的力学性能见表2。