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鑄造鈦合金性能及在閥門(mén)行業(yè)的應用

[ 信息來(lái)源:搜鈦網(wǎng) | 時(shí)間:2023-03-20 | 瀏覽:13555 ]

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(yōu)良等眾多優(yōu)點(diǎn),因此在石油化工、海洋環(huán)境、生物醫學(xué)、航空航天、汽車(chē)工業(yè)及艦船等諸多領(lǐng)域可以得到更為廣泛的應用。鑄造鈦合金是鈦合金經(jīng)過(guò)澆鑄成所需的形狀得到的,其中應用*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(huán)境和特殊流體介質(zhì)管路輸送系統的主要控制部件,閥門(mén)已經(jīng)成為生產(chǎn)中很多設備的重要組成部分,可以說(shuō)任何行業(yè)都離不開(kāi)閥門(mén)。由于不同領(lǐng)域的環(huán)境、溫度和介質(zhì)要求不同,閥門(mén)選材尤為關(guān)鍵,廣泛受人重視。以鈦合金和鑄造鈦合金為主體的閥門(mén)由于其耐腐蝕、高溫和低溫性能優(yōu)良、高強度等良好的優(yōu)越性能,在閥門(mén)領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的前景。

1、常用的鑄造鈦合金

1.1種類(lèi)

隨著(zhù)科技的發(fā)展和生產(chǎn)需要,不同種類(lèi)的鑄造鈦合金被研制出來(lái),應用于很多領(lǐng)域。從照相組成成分來(lái)看,鑄造鈦合金可以分為α、β和α+β 3種類(lèi)型;從強度來(lái)看,可以分為中強度鈦合金、高強度鈦合金;從使用環(huán)境溫度來(lái)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(gè)方面,有著(zhù)很高的市場(chǎng)價(jià)值。

1.2力學(xué)性能

鑄造鈦合金有ZTA1、ZTA2、ZTA5和ZTC4等多種類(lèi)型,涵蓋α、β和α+β 3種類(lèi)型,在國內分別以TA、TC和TB表示,其常見(jiàn)的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

鈦合金閥門(mén)

表1常見(jiàn)鑄造鈦合金的力學(xué)性能

以目前應用*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T(mén)i。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(xué)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(shí)其還保留了鈦合金耐腐蝕的優(yōu)越性能,這是鋼材所不能滿(mǎn)足的。

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

2、鑄造鈦合金在閥門(mén)行業(yè)的應用

2.1船用鈦質(zhì)閥門(mén)

近年來(lái),隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,各個(gè)行業(yè)遍地開(kāi)花,閥門(mén)作為一種必不可少的通用機械設備,產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量不斷增加,我國閥門(mén)產(chǎn)業(yè)也得到了快速的發(fā)展。

閥門(mén)通常由閥體、閥蓋、閥瓣、閥桿、熱片、填料及驅動(dòng)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(chēng)為內件材料,另外還有緊固件材料;閥門(mén)常見(jiàn)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(zhù)生產(chǎn)的進(jìn)一步需要,研究人員發(fā)現在一些惡劣的工作環(huán)境和復雜特殊的工況下,常規的閥門(mén)材料無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)和科研需要。這時(shí)鈦及鑄造鈦合金因為優(yōu)越的性能引起了人們的注意,鈦制閥門(mén)得到了一定的發(fā)展。

海水管路系統所處的工作環(huán)境十分惡劣,船用閥門(mén)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(kāi)始了艦船鈦合金的研究,隨后又開(kāi)發(fā)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(mén)有截止閥、止回閥和球閥等,使用種類(lèi)繁多,數量巨大;同時(shí),民用船舶管路系統也開(kāi)始使用鈦制閥門(mén)。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(cháng),從原先的2~5 a可以延長(cháng)至2倍以上,引起了大家的廣泛重視。位于我國洛陽(yáng)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(mén)使用壽命延長(cháng)至25 a以上,提高閥門(mén)產(chǎn)品應用的可靠度和實(shí)用度,填補了國內技術(shù)空白。

2.2航空航天鈦質(zhì)閥門(mén)

在航空航天方面,鑄造鈦合金也有著(zhù)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(shí)期,美國航空首次試用鈦鑄件。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究,從1972年鑄造鈦合金開(kāi)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(kāi)始用于關(guān)鍵位置,比如關(guān)鍵管路系統閥門(mén)控制,常用的閥門(mén)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(shí)由于鈦合金相對于其他合金,密度較小,重量?jì)H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(zhù)高強度、輕量化的方向穩步邁進(jìn)。

目前來(lái)看,航空航天閥門(mén)主要應用于氣動(dòng)、液動(dòng)、燃油和潤滑等諸多控制系統,比較適合耐腐蝕和環(huán)境溫度較高的環(huán)境,是航天飛行器、發(fā)動(dòng)機等至關(guān)重要的部門(mén)零件之一。傳統的閥門(mén)經(jīng)常需要進(jìn)行階段性更換,甚至無(wú)法滿(mǎn)足需求,同時(shí)隨著(zhù)航空航天閥門(mén)市場(chǎng)規模正急速擴大,所以鈦質(zhì)閥門(mén)因其優(yōu)越的性能所占份額也在不斷上升。

2.3化工行業(yè)鈦質(zhì)閥門(mén)

化工類(lèi)的閥門(mén)一般都在高溫、高壓、耐腐蝕和壓差大等普遍惡劣環(huán)境中使用,因此合適的材料選擇對于閥門(mén)化工行業(yè)的應用顯得至關(guān)重要,早期選材多以碳素鋼、不銹鋼等為主,使用一段時(shí)間會(huì )發(fā)生銹蝕現象,需要進(jìn)行更換維護。隨著(zhù)鑄造鈦合金技術(shù)的不斷發(fā)展和其優(yōu)越性能逐漸被人發(fā)現,鈦質(zhì)閥門(mén)也出現在人們的眼里。

以化纖工業(yè)精對苯二甲酸(PTA)生產(chǎn)裝置作為例,工作介質(zhì)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(mén)需要使用,種類(lèi)繁雜,數量巨大,因此鈦質(zhì)閥門(mén)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(jìn)口的閥門(mén)能夠滿(mǎn)足1 a的使用壽命已經(jīng)達到使用要求。而山西呂梁化肥廠(chǎng)、山東滕州化肥廠(chǎng)和河南靈寶化肥廠(chǎng)等企業(yè)進(jìn)行了多次嘗試,*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(jìn)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(mén)的更換頻率和使用成本。

鑄造鈦合金在閥門(mén)市場(chǎng)的應用不僅僅局限于上述行業(yè),其他方面發(fā)展有著(zhù)不錯的發(fā)展,比如日本研制開(kāi)發(fā)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(yōu)點(diǎn),將其用在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機后排氣閥,可以改善發(fā)動(dòng)機的安全性能,同時(shí)延長(cháng)使用壽命。

3、鑄造鈦合金在其他行業(yè)的應用

相比于鑄造鈦合金在閥門(mén)行業(yè)的應用來(lái)說(shuō),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(yè)是有重要意義的,在這些行業(yè)中,容積泵、換熱器、壓縮機和反應器等需要進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的大型設備很多都是會(huì )采用耐腐蝕的鈦鑄件,有著(zhù)*的市場(chǎng)需求。醫學(xué)領(lǐng)域方面,由于鈦是世界公認的安全無(wú)毒、無(wú)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(zhì)的,尤其是在牙科醫療上,幾乎全部試用過(guò)的牙科醫療鑄件都是由工業(yè)純鈦和Ti-6Al-4V合金制成的,有著(zhù)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(yōu)點(diǎn),廣泛運用在高爾夫球桿、球頭、網(wǎng)球拍、羽毛球拍和釣具等眾多運動(dòng)器械,用其制成的產(chǎn)品重量輕,有質(zhì)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(xiāo)全球高爾夫球市場(chǎng)。

從20世紀末期開(kāi)始,鑄造鈦合金在石油化工、航天航空、生物醫學(xué)、汽車(chē)工業(yè)和運動(dòng)休閑等領(lǐng)域已從*初的初步試探到現在的極力推廣發(fā)展,逐步形成產(chǎn)業(yè)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(mén)和其他產(chǎn)品,在諸多領(lǐng)域都有著(zhù)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(fā)展時(shí)間是很短暫的,鈦合金應用距今也不過(guò)短短70 a的時(shí)間,因此目前可供參考的技術(shù)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(shí)間較長(cháng),加工成本是其材料價(jià)值的數倍,甚至高達數十倍,是公認的*難加工的材料之一,無(wú)法做到大規模的推廣使用。因此提高金屬鈦的冶煉技術(shù),同時(shí)尋找合適的加工方法是目前的當務(wù)之急。

5、結束語(yǔ)

對于鈦及其鈦合金來(lái)說(shuō),一方面性能優(yōu)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(zhù)鈦資源開(kāi)采、冶煉技術(shù)難度大和加工困難等一些問(wèn)題,但是,閥門(mén)產(chǎn)業(yè)和鈦產(chǎn)業(yè)同樣是一個(gè)朝氣蓬勃、飛速發(fā)展的行業(yè)。伴隨著(zhù)將來(lái)鈦材料的穩定開(kāi)采和生產(chǎn)及新工藝的推出和完善,鑄造鈦合金及鑄件在閥門(mén)行業(yè)的應用發(fā)展會(huì )更加成熟并且趨于規?;?,在其他行業(yè)也會(huì )有著(zhù)廣闊的應用前景。

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