原晨巖，潘一帆，崔紅力，史文祥

（中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

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[1]，因此在石油化工、海洋環(huán)境、生物醫(yī)學、航空航天、汽車工業(yè)及艦船等諸多領(lǐng)域可以得到更為廣泛的應(yīng)用。鑄造鈦合金是鈦合金經(jīng)過澆鑄成所需的形狀得到的，其中應(yīng)用最廣泛的是ZTC4（Ti-6Al-4V）合金，工藝性能穩(wěn)定，具有良好的強度和斷裂韌性（350℃以下）[2]。

作為各種特殊環(huán)境和特殊流體介質(zhì)管路輸送系統(tǒng)的主要控制部件，閥門已經(jīng)成為生產(chǎn)中很多設(shè)備的重要組成部分，可以說任何行業(yè)都離不開閥門。由于不同領(lǐng)域的環(huán)境、溫度和介質(zhì)要求不同，閥門選材尤為關(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，在閥門領(lǐng)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(fā)展和生產(chǎn)需要，不同種類的鑄造鈦合金被研制出來，應(yīng)用于很多領(lǐng)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(huán)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?？梢钥闯觯T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(nèi)分別以TA、TC和TB表示，其常見的力學性能見表1[3]。

表1 常見鑄造鈦合金的力學性能

以目前應(yīng)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[4]，有利于設(shè)備減重，同時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(chǎn)品減重，又可以保證產(chǎn)品性能，不失為一個很好的選擇。

2 鑄造鈦合金在閥門行業(yè)的應(yīng)用

2.1 船用鈦質(zhì)閥門

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，各個行業(yè)遍地開花，閥門作為一種必不可少的通用機械設(shè)備，產(chǎn)品的市場需求量不斷增加，我國閥門產(chǎn)業(yè)也得到了快速的發(fā)展。

閥門通常由閥體、閥蓋、閥瓣、閥桿、熱片、填料及驅(qū)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(nèi)件材料[5]，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(chǎn)的進一步需要，研究人員發(fā)現(xiàn)在一些惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜特殊的工況下，常規(guī)的閥門材料無法滿足生產(chǎn)和科研需要。這時鈦及鑄造鈦合金因為優(yōu)越的性能引起了人們的注意，鈦制閥門得到了一定的發(fā)展。

海水管路系統(tǒng)所處的工作環(huán)境十分惡劣，船用閥門的性能直接影響管路系統(tǒng)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(fā)了船用β鈦合金，用到之后的軍用艦船管道系統(tǒng)中，其中涉及的鈦合金閥門有截止閥、止回閥和球閥等[6]，使用種類繁多，數(shù)量巨大；同時，民用船舶管路系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(yīng)的三偏心蝶閥正是改變以往選材和設(shè)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(chǎn)品應(yīng)用的可靠度和實用度，填補了國內(nèi)技術(shù)空白。

2.2 航空航天鈦質(zhì)閥門

在航空航天方面，鑄造鈦合金也有著不俗的表現(xiàn)，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(jīng)過一段時間的研究，從1972年鑄造鈦合金開始正式應(yīng)用在飛機上（波音757、767及777等），不僅采用了較多的靜止結(jié)構(gòu)鈦合金鑄件，而且也開始用于關(guān)鍵位置[7]，比如關(guān)鍵管路系統(tǒng)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(yīng)用可以促使飛機向著高強度、輕量化的方向穩(wěn)步邁進。

目前來看，航空航天閥門主要應(yīng)用于氣動、液動、燃油和潤滑等諸多控制系統(tǒng)，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)動機等至關(guān)重要的部門零件之一。傳統(tǒng)的閥門經(jīng)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(guī)模正急速擴大，所以鈦質(zhì)閥門因其優(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

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(huán)境中使用，因此合適的材料選擇對于閥門化工行業(yè)的應(yīng)用顯得至關(guān)重要，早期選材多以碳素鋼、不銹鋼等為主，使用一段時間會發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，需要進行更換維護。隨著鑄造鈦合金技術(shù)的不斷發(fā)展和其優(yōu)越性能逐漸被人發(fā)現(xiàn)，鈦質(zhì)閥門也出現(xiàn)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、球閥等閥門需要使用，種類繁雜[8]，數(shù)量巨大，因此鈦質(zhì)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(jīng)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(yè)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(xiàn)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(yīng)用不僅僅局限于上述行業(yè)，其他方面發(fā)展有著不錯的發(fā)展，比如日本研制開發(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[10]，將其用在汽車發(fā)動機后排氣閥，可以改善發(fā)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(yè)的應(yīng)用

相比于鑄造鈦合金在閥門行業(yè)的應(yīng)用來說，鑄造鈦合金的其他應(yīng)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(yīng)器等需要進行工業(yè)生產(chǎn)的大型設(shè)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(yī)學領(lǐng)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(yī)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(yī)療上，幾乎全部試用過的牙科醫(yī)療鑄件都是由工業(yè)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[11]。另一方面，由于鈦及鈦合金密度小、性能好等優(yōu)點，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[12]，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(yī)學、汽車工業(yè)和運動休閑等領(lǐng)域已從最初的初步試探到現(xiàn)在的極力推廣發(fā)展，逐步形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?。

4 應(yīng)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(chǎn)品，在諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)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)展時間是很短暫的，鈦合金應(yīng)用距今也不過短短70 a的時間，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，加工時間較長，加工成本是其材料價值的數(shù)倍，甚至高達數(shù)十倍，是公認的最難加工的材料之一，無法做到大規(guī)模的推廣使用。因此提高金屬鈦的冶煉技術(shù)，同時尋找合適的加工方法是目前的當務(wù)之急。

5 結(jié)束語

對于鈦及其鈦合金來說，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。雖然目前還存在著鈦資源開采、冶煉技術(shù)難度大和加工困難等一些問題，但是，閥門產(chǎn)業(yè)和鈦產(chǎn)業(yè)同樣是一個朝氣蓬勃、飛速發(fā)展的行業(yè)。伴隨著將來鈦材料的穩(wěn)定開采和生產(chǎn)及新工藝的推出和完善，鑄造鈦合金及鑄件在閥門行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展會更加成熟并且趨于規(guī)?；?，在其他行業(yè)也會有著廣闊的應(yīng)用前景。