钛合金阀门在航空航天化工等领域的应用与选材

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，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而进行分类，被划分为α型、α+β型、β型钛合金。

仪型钛合金主要成分为Ti中加入Al、sn、cr等稳定元素的合金，其退回状态下的组织为单相固溶体。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。仅型钛合金实际应用非常广泛，典型型变形钛合金牌号有TA5、TA7、TA9等。

β型钛合金主要成分为中加入Cr、No、V等元素的合金，这类合金经淬火处理后得到B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B型钛合金有TB7和Ti40。

仅α+β型钛合金其室温组织为仅+p组织，是在稳定状态下含5％一25％的β相以及从β区急剧冷却形成型马氏体相的仅α+β钛合金，它可通过热处理淬火加时效处理强化。+B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。典型仅α+β型变形钛合金牌号有TC4、TC16、TC11等；典型仅+B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0、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常作为仅型、仅+8型钛合金中的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B型、仅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％一0.008％(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。

3、钛阀应用及其所用材料

3.1 钛阀在航空航天领域的应用及其用材

钛及钛合金的强度高、密度小等性能为其在航空航天领域广泛应用提供了广大空间。钛合金及其阀门制品在航天领域应用较为广泛，仅就所用阀门种类而言，主要涉及调节阀、针型阀等，更多以小规格及非标设计阀门为主。在航空领域钛合金及其阀门制品的应用不仅范围广而且数量巨大。一架超大型客机-空客A380，用钛量45—65T／架；美国的亚音速波音客机用钛量占其总重的15％～17％，F18舰载歼击机用钛量占其总重的12％～13％，最先进的第四代战机F-22用钛量占其总重的4l％l6]。飞机上的各种管路中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、蝶阀等，用于阀门的钛材有纯钛(如ASTMB367C2)及钛合金Ti-6AI-4V(ASTMB381F5)、Ti-6AI-6V-2Sn、Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6A1-2Sn-4Zr-6Mo等，但以纯钛和钛合金Ti-6A1-4V较为普遍。航空领域用钛阀其紧固件用材美国选用Ti-6AI-4V，俄罗斯采用BT16。

3.2  钛阀在化工领域的应用及其用材

2010年国内主要钛加工材企业在化工领域销售量达19718吨，占总销售量的53.2％。由此数据不难看出，钛材在化工领域有极其广泛的用途，钛阀作为钛合金管路中流体输送控制的关键系统元件，其使用必不可少，因此钛阀在化工领域的用量不言而喻。在氯碱项目、制盐业、合成氨项目、乙烯项目、硝酸项目、醋酸项目等涉及强腐蚀介质和环境的项目中，普通金属如碳钢、不锈钢等因耐蚀性差，不能满足使用要求，必须使用耐蚀性能优良的特种金属钛合金，其介质输送管路中的控制、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。因此不同类型、不同规格的钛阀被大量应用，所用阀门种类涉及闸阀、截止阀、止回阀、安全阀、球阀、蝶阀等等。国内大型精对苯二甲酸项目所用钛阀产品长期并大量依赖进口，其阀体多选用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。就阀门用紧固件选材而言，国外一般分为两种，对于和介质接触部位普遍选用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-Sbi等，既可降低成本，采购也相对容易。国内在大规格锻制钛阀设计、制造方面已获突破，由中国船舶重工集团第七二五所设计制造的大规格(～DNS00)锻制球阀、蝶阀、止回阀等已打破国外垄断，首次实现在某大型精对苯二甲酸项目批量供货和成功应用。

钛阀在化工领域应用广泛，但必须注意其并非适于任何化学介质。其中4种无机酸：氢氟酸、盐酸、硫酸和正磷酸及4种热浓有机酸：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，在使用中应引起注意。

3.3 钛阀在舰船领域的应用及其用材

俄罗斯开发舰船用钛合金的工作始于20世纪6O年代，是国际公认开发舰船用钛合金最早、研究最为深入、使用最为广泛的国家之一。就钛工业的发展水平以及钛合金在造船业的使用规模来看，俄罗斯远远领先于世界上其他所有国家。

20世纪60年代至80年代，俄罗斯生产了一系列的攻击型潜艇群，其中包括钛合金使用量达3000t的“阿尔法”级潜艇和用钛量达9000t的“台风”级潜艇¨引。其舰艇海水管系钛合金阀门的种类涉及舷侧阀、截止阀、止回阀等等，使用较普遍和成熟。俄罗斯舰船用钛合金阀门在用材上多选用3M合金和TB3合金等。

美国的泰科流体控制公司(Tyco-flowcon-tro1)、CLA.VAL公司、Cunico公司等与美国海军合作，为其舰船和潜艇提供阀门和控制方案，其生产的钛合金阀门产品不仅通用性强，而且体积小、性能优良。在航母、核潜艇、驱逐舰、两栖船坞直升机舰等等的海水系统均有应用。最具有代表性的如美国的LPD.17等舰艇，其海水系统中应用了大量钛合金管路及钛合金阀门。美制钛合金阀门的阀体材料等多采用ASTMB367C2，内件材料多采用ASTMB381F5En。

3.4 钛阀在核电领域的应用及其用材

钛及钛合金阀门在电站尤其是核电领域应用十分广泛。合理安全使用核能，是人类的一大进步和在新能源开发利用方面的一大方向，目前世界许多发达国家均有核电站。据统计，目前全世界共有447个核电机组正在运行，总装机容量3.8亿千瓦，约占全球发电量的16.2％。有17各国家核电装机容量占其本国总发电量的25％以上，其中法国占7％、韩国占38％、日本占36％、英国占28％，美国也占到了20％_2。由于核电站有潜在核污染可能，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，钛材有“海洋金属”美誉，其优良的耐海水腐蚀性能使得核电领域钛制品用量十分巨大，钛阀便是其中之一，另外在普通电站钛阀门也被大量应用。

就电站用阀门而言，我国电站的建设正向大型化方向发展，所以需用大口径及高压的安全阀、减压阀、截止阀、闸阀、蝶阀、紧急切断阀及流量控制阀、球面密封仪表截止阀等等。随着我国核电站建设从试验性、补偿性转向战略性和进取性发展，给核电阀门带来了广阔的市场前景。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，在核电站中的投资比例占核电站建成总价的1.6％左右。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％。如此庞大的阀门用量中，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。

核电用阀门加工制造领域，目前国内已有l9个企业获得了国家核安全局颁发的民用核承压设备设计和生产资格许可证，可设计和生产核阀的种类包括闸阀、截止阀、调节阀等。其中，具备设计生产核I级阀门的企业有5家(中核苏阀、沈阳盛世、大连大高、上海阀门、上海良工)。

3.5 钛阀在其它领域的应用及其用材

钛及钛合金阀门在海洋平台、造纸工业、食品医药等领域的应用十分普遍。海洋钻井平台其环境主要涉及到海水等介质，钛阀已成为必须产品被大量应用。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。

造纸工业是我国的传统工业之一，造纸业环境污染较为严重，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、搅拌器等均常采用钛合金制造，大量用到钛合金J。就管道阀门而言，纯钛制球阀、截止阀等应用量较大。

食品及医药制造领域，直接关乎人的健康。众所周知，钛及钛合金的一大特性就是其生物惰性，即对人体或其他生物无任何毒害作用，所以，钛及钛合金在食品加工、制药领域应用十分广泛，高端食品加工企业及制药厂均应用到钛设备、管线、阀门。该领域所用钛阀门主要有纯钛制球阀、蝶阀等。

4、钛阀应用前景展望

经过20多年来特别是近几年的科研、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。2008年，国务院在下达《关于加快振兴装备制造业的若干意见》后，带动了装备制造业的全面振兴。为此国家发改委同中国机械工业联合会、中国通协等有关部门提出争取在“十一五”期间逐步实现重大装备阀门国产化的计划，其中包括实现百万千瓦级核电站关键阀门、百万吨级大型乙烯成套设备阀门国产化等。通过不断引进关键技术和自主研发，并给予法规和政策上的诸多优惠，相关阀门企业抓住机遇，上下形成共识，阀门行业取得了可喜进展。阀门行业始终保持良好的发展态势，2010年1—5月，实现累计产品销售收入557亿元，比上年同期增长24.7％；实现累计利润37亿元，比上年同期增长了35.33％。2010年较上年度销售收入增长超过21％；2011年较上年度销售收入增长超过19％。

根据美国Mciivmne公司统计数据及预测，到2015年中国阀门市场将超过美国成为世界第一，2010～2015年间，平均年增长率11％左右。在整个高端阀门市场中中高端阀门约占30％，其中钛合金阀门占一定比例。随着我国国民经济的飞速发展，2010—2015年，钛阀应用量较大的石化、PTA、LNG行业阀门市场预测年增长13％，由2010年的12亿美元增至2015年的约18.8亿美元；电力行业将保持6％年增长率，由2010年的20亿美元增至2015年的约25亿美元_20J。因此，钛阀在此领域应用前景十分看好。

近几年我国航空航天事业发展迅猛，大飞机制造、奔月及太空站建设已成重大国策。因此，鉴于钛合金的优良特性及发达国家钛阀门在此领域的成功应用经验，钛阀在该领域的应用量将会大幅度增加。另外，随着我国经济实力的不断增强，加强海军建设及加大海洋资源开发利用力度，未来舰船建造及海洋钻井平台领域用钛阀的需求量将大大增加。谁拥有了能源谁就拥有未来，海洋石油开采是我国未来油田开采的重点，钛合金阀门在海洋钻井平台等方面的应用前景将十分广阔。

食品卫生及医疗保健越来越被国人及国家相关部门所重视，钛合金是用于食品加工和医药制造领域的最好金属，中国有13亿人口，占世界总人口的1/6，所以，钛阀在此领域未来的市场及应用前景同样将十分广阔。

5、结语

钛阀门作为一种特种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巨大帮助。随着我国国民经济高速发展，未来我国将成为国家第一大阀门市场，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壮大和健康发展。

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作者简介：张永强(1963一)，男，学士，高级工程师，长期从事有色金属压力加工工艺研究及阀门研制，通讯地址：471039河南洛阳市中船重工七二五所八室。