與以往的合金材料相比，鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、抗腐蝕、高溫和低溫性能優(yōu)良等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在石油化工、海洋環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)、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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度來看，可以分為中強(qiáng)度鈦合金、高強(qiáng)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。可以看出，鑄造鈦合金的使用范圍很大，幾乎涵蓋各個(gè)方面，有著很高的市場(chǎng)價(jià)值。
1.2 力學(xué)性能
鑄造鈦合金有 ZTA1、ZTA2、ZTA5 和 ZTC4 等多種類型，涵蓋 α、β和α+β3種類型，在國內(nèi)分別以 TA、TC 和 TB 表示，其常見的力學(xué)性能見表 1[3]。
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(qiáng)度為 895 MPa，屈服強(qiáng)度為 825 MPa。其力學(xué)性能與中高強(qiáng)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(yuǎn)小于鋼材[4]，有利于設(shè)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(jì)的高速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)遍地開花，閥門作為一種必不可少的通用機(jī)械設(shè)備，產(chǎn)品的市場(chǎng)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(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(jìn)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(shí)鈦及鑄造鈦合金因?yàn)閮?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(jì) 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(shí)，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(yàn)也表明采用鑄造鈦合金后，自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(hào)艦船供應(yīng)的三偏心蝶閥正是改變以往選材和設(shè)計(jì)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(shí)用度，填補(bǔ)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(qiáng)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)過一段時(shí)間的研究，從 1972 年鑄造鈦合金開始正式應(yīng)用在飛機(jī)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(jī)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(duì)于其他合金，密度較小，重量僅為同等強(qiáng)度鋼材的60%左右，因此其廣泛應(yīng)用可以促使飛機(jī)向著高強(qiáng)度、輕量化的方向穩(wěn)步邁進(jìn)。
目前來看，航空航天閥門主要應(yīng)用于氣動(dòng)、液動(dòng)、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(dòng)機(jī)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(jìn)行階段性更換，甚至無法滿足需求，同時(shí)隨著航空航天閥門市場(chǎng)規(guī)模正急速擴(kuò)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(duì)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(shí)間會(huì)發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，需要進(jìn)行更換維護(hù)。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(duì)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(qiáng)的腐蝕性，近8000臺(tái)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(jìn)口的閥門能夠滿足1a的使用壽命已經(jīng)達(dá)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(jìn)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(jìn)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(chǎng)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(cuò)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(qiáng)度和較好的耐磨性等諸多優(yōu)點(diǎn)[10]，將其用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)后排氣閥，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性能，同時(shí)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(duì)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(jī)和反應(yīng)器等需要進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的大型設(shè)備很多都是會(huì)采用耐腐蝕的鈦鑄件，有著最大的市場(chǎng)需求。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面，由于鈦是世界公認(rèn)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(jī)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(diǎn)，廣泛運(yùn)用在高爾夫球桿、球頭、網(wǎng)球拍、羽毛球拍和釣具等眾多運(yùn)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[12]，暢銷全球高爾夫球市場(chǎng)。
從 20 世紀(jì)末期開始，鑄造鈦合金在石油化工、航天航空、生物醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)和運(yùn)動(dòng)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)模化。
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?zhàn)鳛橐环N新興金屬，其發(fā)展時(shí)間是很短暫的，鈦合金應(yīng)用距今也不過短短 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，加工成本是其材料價(jià)值的數(shù)倍，甚至高達(dá)數(shù)十倍，是公認(rèn)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(shí)尋找合適的加工方法是目前的當(dāng)務(wù)之急。
5、結(jié)束語
對(duì)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(chǔ)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(gè)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(huì)更加成熟并且趨于規(guī)模化，在其他行業(yè)也會(huì)有著廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.
[2]王宗賢.鑄造鈦合金[J].稀有金屬材料與工程，1975（6）：74.[3]鈦及鈦合金鑄件：GB/T 6614—2014[S].
[4] 贠亞軍，楊耀山.常用鑄造合金的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].科技展望，2016，26（31）：50.
[5]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[6]寧興龍.俄羅斯艦船用鈦[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2003（6）：28-31.
[7]王紅紅，劉振軍，王紅.鈦合金鑄件的應(yīng)用及發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2009（11）：25-30.
[8] 劉興玉，丁強(qiáng)偉，趙朋舉，等.鈦制閥門在 PTA 生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械制造，2016，54（8）：102-104.
[9] 張英杰.鈦材閥門在尿素工業(yè)上的應(yīng)用[C]//全國中氮情報(bào)協(xié)作組第22 次技術(shù)交流會(huì)論文集，2004：258-259.
[10] 王紅紅，白世鴻.鈦合金鑄件在汽車上的推廣應(yīng)用[C]//2003年鈦金屬與汽車工業(yè)技術(shù)研討會(huì)論文集，2003：54-58.
[11] 秦川.鈦和鈦合金鑄件在牙科醫(yī)療上的應(yīng)用[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2002，30（4）：54-56.
[12] 高敬.SP-700 鈦合金在體育器械上得到快速應(yīng)用[J].稀有金屬快報(bào)，2001（9）：12.
相關(guān)鏈接
