常见铸造钛合金性能及在阀门行业的应用

原晨岩，潘一帆，崔红力，史文祥

（中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000）

与以往的合金材料相比，钛合金具有低密度、高比强度、抗腐蚀、高温和低温性能优良等众多优点[1]，因此在石油化工、海洋环境、生物医学、航空航天、汽车工业及舰船等诸多领域可以得到更为广泛的应用。铸造钛合金是钛合金经过浇铸成所需的形状得到的，其中应用最广泛的是ZTC4（Ti-6Al-4V）合金，工艺性能稳定，具有良好的强度和断裂韧性（350℃以下）[2]。

作为各种特殊环境和特殊流体介质管路输送系统的主要控制部件，阀门已经成为生产中很多设备的重要组成部分，可以说任何行业都离不开阀门。由于不同领域的环境、温度和介质要求不同，阀门选材尤为关键，广泛受人重视。以钛合金和铸造钛合金为主体的阀门由于其耐腐蚀、高温和低温性能优良、高强度等良好的优越性能，在阀门领域有着广阔的前景。

1 常用的铸造钛合金

1.1 种类

随着科技的发展和生产需要，不同种类的铸造钛合金被研制出来，应用于很多领域。从照相组成成分来看，铸造钛合金可以分为α、β和α+β 3种类型；从强度来看，可以分为中强度钛合金、高强度钛合金；从使用环境温度来看，可以分为低温钛合金（小于等于室温）、中温钛合金（400℃）、高温钛合金（大于等于500℃）和抗燃烧钛合金等。可以看出，铸造钛合金的使用范围很大，几乎涵盖各个方面，有着很高的市场价值。

1.2 力学性能

铸造钛合金有ZTA1、ZTA2、ZTA5和ZTC4等多种类型，涵盖α、β和α+β 3种类型，在国内分别以TA、TC和TB表示，其常见的力学性能见表1[3]。

表1 常见铸造钛合金的力学性能

以目前应用最为广泛的ZTC4铸造钛合金为例，其Al含量为5.5%～6.75%，V含量为3.5%～4.5%，剩下的成分均为Ti。从表1中可以看出，ZTC4铸造钛合金的抗拉强度为895 MPa，屈服强度为825 MPa。其力学性能与中高强度钢的性能较为接近，使用上可以较好地替代钢材，另一方面，其密度仅仅为4.4 g/cm3，远小于钢材[4]，有利于设备减重，同时其还保留了钛合金耐腐蚀的优越性能，这是钢材所不能满足的。

因此在今后的工业生产中，若由于生产需求需要进行减重，选择合适的铸造钛合金进行替代，既可以有效地进行产品减重，又可以保证产品性能，不失为一个很好的选择。

2 铸造钛合金在阀门行业的应用

2.1 船用钛质阀门

近年来，随着我国经济的高速发展，各个行业遍地开花，阀门作为一种必不可少的通用机械设备，产品的市场需求量不断增加，我国阀门产业也得到了快速的发展。

阀门通常由阀体、阀盖、阀瓣、阀杆、热片、填料及驱动件组成，阀体、阀盖所选材料为主体材料，阀瓣（闸板）、球体、阀座、阀杆和密封座等所选材料称为内件材料[5]，另外还有紧固件材料；阀门常见选材有灰铸铁、球墨铸铁、合金钢和铜合金等，可选择性多样化。但随着生产的进一步需要，研究人员发现在一些恶劣的工作环境和复杂特殊的工况下，常规的阀门材料无法满足生产和科研需要。这时钛及铸造钛合金因为优越的性能引起了人们的注意，钛制阀门得到了一定的发展。

海水管路系统所处的工作环境十分恶劣，船用阀门的性能直接影响管路系统的安全乃至总体性能。早在20世纪60年代，俄罗斯便开始了舰船钛合金的研究，随后又开发了船用β钛合金，用到之后的军用舰船管道系统中，其中涉及的钛合金阀门有截止阀、止回阀和球阀等[6]，使用种类繁多，数量巨大；同时，民用船舶管路系统也开始使用钛制阀门。相比于之前采用的铜合金、钢等，之后的下水试验也表明采用铸造钛合金后，自身结构强度和耐腐蚀等诸多方面都有了很高的可靠性，使用寿命也得到大幅度延长，从原先的2～5 a可以延长至2倍以上，引起了大家的广泛重视。位于我国洛阳的中船七二五研究所为某型号舰船供应的三偏心蝶阀正是改变以往选材和设计方案，采用Ti80等作为主体材料，阀门使用寿命延长至25 a以上，提高阀门产品应用的可靠度和实用度，填补了国内技术空白。

2.2 航空航天钛质阀门

在航空航天方面，铸造钛合金也有着不俗的表现，这归功于其良好的耐热性和强度。同样是60年代这段时期，美国航空首次试用钛铸件。经过一段时间的研究，从1972年铸造钛合金开始正式应用在飞机上（波音757、767及777等），不仅采用了较多的静止结构钛合金铸件，而且也开始用于关键位置[7]，比如关键管路系统阀门控制，常用的阀门有安全阀、止回阀等，降低了飞机的制造成本，增加了安全性和可靠性，同时由于钛合金相对于其他合金，密度较小，重量仅为同等强度钢材的60%左右，因此其广泛应用可以促使飞机向着高强度、轻量化的方向稳步迈进。

目前来看，航空航天阀门主要应用于气动、液动、燃油和润滑等诸多控制系统，比较适合耐腐蚀和环境温度较高的环境，是航天飞行器、发动机等至关重要的部门零件之一。传统的阀门经常需要进行阶段性更换，甚至无法满足需求，同时随着航空航天阀门市场规模正急速扩大，所以钛质阀门因其优越的性能所占份额也在不断上升。

2.3 化工行业钛质阀门

化工类的阀门一般都在高温、高压、耐腐蚀和压差大等普遍恶劣环境中使用，因此合适的材料选择对于阀门化工行业的应用显得至关重要，早期选材多以碳素钢、不锈钢等为主，使用一段时间会发生锈蚀现象，需要进行更换维护。随着铸造钛合金技术的不断发展和其优越性能逐渐被人发现，钛质阀门也出现在人们的眼里。

以化纤工业精对苯二甲酸（PTA）生产装置作为例，工作介质主要为醋酸和氢溴酸，具有很强的腐蚀性，近8 000台包含截止阀、球阀等阀门需要使用，种类繁杂[8]，数量巨大，因此钛质阀门成为很好的选择，增加了使用的可靠性和安全性。一般情况下，由于尿素的腐蚀性，尿素合成塔出口和进口的阀门能够满足1 a的使用寿命已经达到使用要求。而山西吕梁化肥厂、山东滕州化肥厂和河南灵宝化肥厂等企业进行了多次尝试，最终选择钛阀高压止回阀H72WA-220ROO-50，H43WA-220ROO-50、65、80及保温截止阀BJ45WA-25R-100、125等用于尿素合成塔的进口，使用寿命均在2 a以上，体现了较好的耐腐蚀性[9]，降低了阀门的更换频率和使用成本。

铸造钛合金在阀门市场的应用不仅仅局限于上述行业，其他方面发展有着不错的发展，比如日本研制开发的新型铸造钛合金Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si，具有低密度，高蠕变强度和较好的耐磨性等诸多优点[10]，将其用在汽车发动机后排气阀，可以改善发动机的安全性能，同时延长使用寿命。

3 铸造钛合金在其他行业的应用

相比于铸造钛合金在阀门行业的应用来说，铸造钛合金的其他应用更为广泛。钛和钛合金都具有良好的耐腐蚀性能，因此对于石油化工等有腐蚀性要求的行业是有重要意义的，在这些行业中，容积泵、换热器、压缩机和反应器等需要进行工业生产的大型设备很多都是会采用耐腐蚀的钛铸件，有着最大的市场需求。医学领域方面，由于钛是世界公认的安全无毒、无重金属析出的安全金属，因此很多医疗辅助器械、人体假肢等都是以铸造钛合金作为材质的，尤其是在牙科医疗上，几乎全部试用过的牙科医疗铸件都是由工业纯钛和Ti-6Al-4V合金制成的，有着良好的生物相容性、机械性能和抗腐蚀性能[11]。另一方面，由于钛及钛合金密度小、性能好等优点，广泛运用在高尔夫球杆、球头、网球拍、羽毛球拍和钓具等众多运动器械，用其制成的产品重量轻，有质量保证，很受大众的欢迎。例如日本钢管公司（N104）研制的SP-700新型钛合金的制品用作Taylor牌300系列高尔夫球头表面材料[12]，畅销全球高尔夫球市场。

从20世纪末期开始，铸造钛合金在石油化工、航天航空、生物医学、汽车工业和运动休闲等领域已从最初的初步试探到现在的极力推广发展，逐步形成产业化和规模化。

4 应用的局限性

但是，虽然以铸造钛合金、纯钛等钛材作为主体的阀门和其他产品，在诸多领域都有着广阔的应用前景，但也有一定的局限性。

相比于其他金属材料，钛作为一种新兴金属，其发展时间是很短暂的，钛合金应用距今也不过短短70 a的时间，因此目前可供参考的技术资料十分有限，仍处于摸索的阶段。一方面由于金属钛的冶炼难度很大，成本居高不下；另一方面由于钛及钛合金、铸造钛合金的加工成本很高，加工时间较长，加工成本是其材料价值的数倍，甚至高达数十倍，是公认的最难加工的材料之一，无法做到大规模的推广使用。因此提高金属钛的冶炼技术，同时寻找合适的加工方法是目前的当务之急。

5 结束语

对于钛及其钛合金来说，一方面性能优越，是很多材料比如钢材的理想替代品，另一方面钛资源储量丰富，因此受到了众多研究人员的重视。虽然目前还存在着钛资源开采、冶炼技术难度大和加工困难等一些问题，但是，阀门产业和钛产业同样是一个朝气蓬勃、飞速发展的行业。伴随着将来钛材料的稳定开采和生产及新工艺的推出和完善，铸造钛合金及铸件在阀门行业的应用发展会更加成熟并且趋于规模化，在其他行业也会有着广阔的应用前景。