1、前言

鈦及鈦合金密度約為4.51g/cm3、抗拉強度Rm>300MPa，屈強比可達0.9，其重量輕、強度高、屈強比高、無磁性、有生物惰性、尤其具備優良的耐腐蝕性能，既是現代金屬，又是重要的戰略金屬，其在國民經濟中的應用，反映一個國家的綜合實力，經濟實力，國防實力，是高技術不可或缺的關鍵材料。因此，目前隨著科技的進步以及各行各業對新材料應用力度的加大，鈦閥門作為各種特殊環境及特殊流體介質輸送系統的必備產品已被大量應用。然而不同領域及行業的流體介質、環境條件不盡相同，對鈦閥所用材料的性能等要求有所不同；同時，由于鈦閥不同組件性能要求存在差異，成型工藝不同，以及為降低成本部分部件需選用代用材料等因素影響，選材成為鈦閥門設計制造中必須首要考慮的技術問題之一，而受到大量的關注和重視。本文以鈦及鈦合金材料應用研究成果為基礎，針對常用鈦及鈦合金性能及不同元素對鈦材性能的影響進行綜述，簡要介紹常用鈦及鈦合金的性能等，同時結合目前國內外鈦閥門應用現狀及前景，介紹目前國內外鈦合金閥門應用現狀、鈦閥部件常見選材，希望對我國鈦閥產業發展及壯大，并為鈦閥門這一新產品的廣泛應用有所幫助。

2、常用鈦及鈦合金綜述

2.1 工業純鈦

工業純鈦系指幾種具有不同的Fe、C、N、O等雜質含量的非合金鈦。它不能進行熱處理強化，成型性能優異，易于熔焊和釬焊。工業純鈦實際應用廣泛，典型變形工業純鈦牌號有TA1、TA2、TA3等；典型鑄造工業純鈦牌號有ZTA1、ZTA2、ZTA3。

2.2 鈦合金

鈦合金是指以鈦為基體，加入Al、sn、Cr、Mo、Mn等元素組成的合金。鈦合金通常按照退火態相組成而進行分類，被劃分為α型、α+β型、β型鈦合金。

儀型鈦合金主要成分為Ti中加入Al、sn、cr等穩定元素的合金，其退回狀態下的組織為單相固溶體。型鈦合金不能熱處理強化，強度比其他兩類鈦合金低，但在500~600％使用時能保持良好的高溫強度。這類合金的主要優點是具有良好的焊接性能、鑄造性能、壓力加工性能、組織穩定性和無冷脆性，缺點是較低的工藝塑性及對氫脆的敏感性。僅型鈦合金實際應用非常廣泛，典型型變形鈦合金牌號有TA5、TA7、TA9等。

β型鈦合金主要成分為中加入Cr、No、V等元素的合金，這類合金經淬火處理后得到B固溶體組織，具有較高的強度和沖擊韌性，壓力加工性能和焊接性能良好。缺點是組織和性能不太穩定，熔煉工藝復雜，應用較少。穩定的B型鈦合金有TB7和Ti40。

僅α+β型鈦合金其室溫組織為僅+p組織，是在穩定狀態下含5％一25％的β相以及從β區急劇冷卻形成型馬氏體相的僅α+β鈦合金，它可通過熱處理淬火加時效處理強化。+B型鈦合金力學性能范圍較寬，在寬廣的溫度范圍內有較好的綜合性能，可適合各種不同的用途。典型僅α+β型變形鈦合金牌號有TC4、TC16、TC11等；典型僅+B型鑄造鈦合金牌號有ZTC3、ZTC4和ZTC5。

2.3 不同元素對鈦材性能的影響

了解不同元素對鈦材性能的影響，對于鈦閥產品的加工制造、檢驗驗收，保證產品質量等十分重要。O、C、N是鈦中經常存在的等雜，雜質含量對鈦的力學性能影響很大，它們能提高鈦的強度而降低其塑性，N的影響最大，C的影響最小，而O居中。

除0、C、N外，對提高鈦的強度影響較大的元素是B、Be和Al。其它元素對鈦的強度影響不那么強烈，按影響程度可依次排列為：Cr、Mo、Mn、Fe、V、sn。Al常作為僅型、僅+8型鈦合金中的穩定元素和重要合金元素，對合金有細化晶粒，提高再結晶溫度和相變溫度，并有顯著強化作用，且能夠降低合金密度、增加合金彈性模量。Mo常作為B型、僅α+β型鈦合金中的β穩定元素和重要的合金元素，旨在不顯著降低材料塑性的情況下，有較大的強化作用，能夠同時提高材料的斷裂韌性、耐蝕性，降低其應力腐蝕敏感性。

另外，H對鈦及鈦合金的力學性能也有較大影響，其影響主要體現在氫脆上，H含量達到一定數值后，將大大提高鈦及鈦合金對缺口的敏感性，從而降低缺口試樣的沖擊韌性等性能。一般認為，氫含量應低于0.007％一0.008％(質量分數)，而不允許高于0.0125％～0.015％(質量分數)，高于此含量，組織上將析出氫化物，并出現明顯的氫脆現象。對鈦及鈦合金來說，氫脆是一個重要的問題。鈦容易從酸洗液、腐蝕液和熱加工的高溫氣氛中吸氫。鈦及其合金的氫脆常有2種表現形式，一是強度稍有增加，塑性及沖擊韌性降低；另一種形式是類似于鋼的脆化，在恒載荷或持續載荷下，進行慢速拉伸時出現的一種脆化現象。

2.4 鑄件用典型鈦材及其力學性能

鑄造工藝常用于生產形體復雜、多曲面工件等(如鈦閥的閥體、閥蓋等)。因此，要進行鑄造成型，用于澆鑄鑄件的金屬首先必須具備良好的流動性和工藝性。國內外典型鑄造鈦及鈦合金的力學性能見表1。

2.5 鍛件用典型鈦材及其力學性能

鍛件必須使用塑性良好的變形材料來成型，國內外典型鍛造鈦及鈦合金的力學性能見表2。

3、鈦閥應用及其所用材料

3.1 鈦閥在航空航天領域的應用及其用材

鈦及鈦合金的強度高、密度小等性能為其在航空航天領域廣泛應用提供了廣大空間。鈦合金及其閥門制品在航天領域應用較為廣泛，僅就所用閥門種類而言，主要涉及調節閥、針型閥等，更多以小規格及非標設計閥門為主。在航空領域鈦合金及其閥門制品的應用不僅范圍廣而且數量巨大。一架超大型客機-空客A380，用鈦量45—65T／架；美國的亞音速波音客機用鈦量占其總重的15％～17％，F18艦載殲擊機用鈦量占其總重的12％～13％，最先進的第四代戰機F-22用鈦量占其總重的4l％l6]。飛機上的各種管路中大量使用了鈦合金閥門，閥門種類涉及調節閥、截止閥、止回閥、針型閥、旋塞閥、球閥、蝶閥等，用于閥門的鈦材有純鈦(如ASTMB367C2)及鈦合金Ti-6AI-4V(ASTMB381F5)、Ti-6AI-6V-2Sn、Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6A1-2Sn-4Zr-6Mo等，但以純鈦和鈦合金Ti-6A1-4V較為普遍。航空領域用鈦閥其緊固件用材美國選用Ti-6AI-4V，俄羅斯采用BT16。

3.2  鈦閥在化工領域的應用及其用材

2010年國內主要鈦加工材企業在化工領域銷售量達19718噸，占總銷售量的53.2％。由此數據不難看出，鈦材在化工領域有極其廣泛的用途，鈦閥作為鈦合金管路中流體輸送控制的關鍵系統元件，其使用必不可少，因此鈦閥在化工領域的用量不言而喻。在氯堿項目、制鹽業、合成氨項目、乙烯項目、硝酸項目、醋酸項目等涉及強腐蝕介質和環境的項目中，普通金屬如碳鋼、不銹鋼等因耐蝕性差，不能滿足使用要求，必須使用耐蝕性能優良的特種金屬鈦合金，其介質輸送管路中的控制、調節部位必須大量使用鈦閥。大型精對苯二甲酸項目可作為鈦閥應用的典型，因其介質主要涉及含有一定雜質的高溫高濃度醋酸，環境苛刻介質特殊，必須應用高耐蝕材料。因此不同類型、不同規格的鈦閥被大量應用，所用閥門種類涉及閘閥、截止閥、止回閥、安全閥、球閥、蝶閥等等。國內大型精對苯二甲酸項目所用鈦閥產品長期并大量依賴進口，其閥體多選用ASTMB367C2(鑄件)或ASTMB381F2(鍛件)；閥門內件多選用ASTMB381F5。閥門用緊固件作為閥門重要零部件，在閥門設計、制造中也非常重要。就閥門用緊固件選材而言，國外一般分為兩種，對于和介質接觸部位普遍選用ASTMB381F5，而用于閥門外部不與介質直接接觸的緊固件，常選用經一定表面處理的代用材料如不銹鋼ASTMA194-Sbi等，既可降低成本，采購也相對容易。國內在大規格鍛制鈦閥設計、制造方面已獲突破，由中國船舶重工集團第七二五所設計制造的大規格(～DNS00)鍛制球閥、蝶閥、止回閥等已打破國外壟斷，首次實現在某大型精對苯二甲酸項目批量供貨和成功應用。

鈦閥在化工領域應用廣泛，但必須注意其并非適于任何化學介質。其中4種無機酸：氫氟酸、鹽酸、硫酸和正磷酸及4種熱濃有機酸：草酸、甲酸、三氯乙酸、三氟乙酸以及腐蝕性極強的氯化鋁，對鈦及鈦合金都有嚴重的腐蝕作用，因此鈦閥不適應用于此類化工介質，在使用中應引起注意。

3.3 鈦閥在艦船領域的應用及其用材

俄羅斯開發艦船用鈦合金的工作始于20世紀6O年代，是國際公認開發艦船用鈦合金最早、研究最為深入、使用最為廣泛的國家之一。就鈦工業的發展水平以及鈦合金在造船業的使用規模來看，俄羅斯遠遠領先于世界上其他所有國家。

20世紀60年代至80年代，俄羅斯生產了一系列的攻擊型潛艇群，其中包括鈦合金使用量達3000t的“阿爾法”級潛艇和用鈦量達9000t的“臺風”級潛艇¨引。其艦艇海水管系鈦合金閥門的種類涉及舷側閥、截止閥、止回閥等等，使用較普遍和成熟。俄羅斯艦船用鈦合金閥門在用材上多選用3M合金和TB3合金等。

美國的泰科流體控制公司(Tyco-flowcon-tro1)、CLA.VAL公司、Cunico公司等與美國海軍合作，為其艦船和潛艇提供閥門和控制方案，其生產的鈦合金閥門產品不僅通用性強，而且體積小、性能優良。在航母、核潛艇、驅逐艦、兩棲船塢直升機艦等等的海水系統均有應用。最具有代表性的如美國的LPD.17等艦艇，其海水系統中應用了大量鈦合金管路及鈦合金閥門。美制鈦合金閥門的閥體材料等多采用ASTMB367C2，內件材料多采用ASTMB381F5En。

3.4 鈦閥在核電領域的應用及其用材

鈦及鈦合金閥門在電站尤其是核電領域應用十分廣泛。合理安全使用核能，是人類的一大進步和在新能源開發利用方面的一大方向，目前世界許多發達國家均有核電站。據統計，目前全世界共有447個核電機組正在運行，總裝機容量3.8億千瓦，約占全球發電量的16.2％。有17各國家核電裝機容量占其本國總發電量的25％以上，其中法國占7％、韓國占38％、日本占36％、英國占28％，美國也占到了20％_2。由于核電站有潛在核污染可能，電站均建于海岸沿線，核電站中許多設施涉及海水這一特殊介質，鈦材有“海洋金屬”美譽，其優良的耐海水腐蝕性能使得核電領域鈦制品用量十分巨大，鈦閥便是其中之一，另外在普通電站鈦閥門也被大量應用。

就電站用閥門而言，我國電站的建設正向大型化方向發展，所以需用大口徑及高壓的安全閥、減壓閥、截止閥、閘閥、蝶閥、緊急切斷閥及流量控制閥、球面密封儀表截止閥等等。隨著我國核電站建設從試驗性、補償性轉向戰略性和進取性發展，給核電閥門帶來了廣闊的市場前景。核電用閥門在核電站中是使用數量較多的介質輸送控制設備，是核電站安全運行中必不可少的重要組成部分，在核電站中的投資比例占核電站建成總價的1.6％左右。以閥門配置情況看，截止閥占33.6％，隔膜閥占26.2％、球閥占12.8％。如此龐大的閥門用量中，鈦閥門占有相當比例，鈦閥用材主要以經過防輻照試驗驗證的鈦材為主。

核電用閥門加工制造領域，目前國內已有l9個企業獲得了國家核安全局頒發的民用核承壓設備設計和生產資格許可證，可設計和生產核閥的種類包括閘閥、截止閥、調節閥等。其中，具備設計生產核I級閥門的企業有5家(中核蘇閥、沈陽盛世、大連大高、上海閥門、上海良工)。

3.5 鈦閥在其它領域的應用及其用材

鈦及鈦合金閥門在海洋平臺、造紙工業、食品醫藥等領域的應用十分普遍。海洋鉆井平臺其環境主要涉及到海水等介質，鈦閥已成為必須產品被大量應用。近年海上油田開采進入快速發展期，海洋平臺用鈦合金閥門需求量逐年增加，主要有關斷球閥、止回閥、多路閥等，其閥門用材多選用純鈦。

造紙工業是我國的傳統工業之一，造紙業環境污染較為嚴重，涉及強堿介質，介質腐蝕性能極強。造紙行業的管道、泵、閥、風機、攪拌器等均常采用鈦合金制造，大量用到鈦合金J。就管道閥門而言，純鈦制球閥、截止閥等應用量較大。

食品及醫藥制造領域，直接關乎人的健康。眾所周知，鈦及鈦合金的一大特性就是其生物惰性，即對人體或其他生物無任何毒害作用，所以，鈦及鈦合金在食品加工、制藥領域應用十分廣泛，高端食品加工企業及制藥廠均應用到鈦設備、管線、閥門。該領域所用鈦閥門主要有純鈦制球閥、蝶閥等。

4、鈦閥應用前景展望

經過20多年來特別是近幾年的科研、設計、制造和用戶相結合的共同努力，我國的閥門行業已取得快速發展。2008年，國務院在下達《關于加快振興裝備制造業的若干意見》后，帶動了裝備制造業的全面振興。為此國家發改委同中國機械工業聯合會、中國通協等有關部門提出爭取在“十一五”期間逐步實現重大裝備閥門國產化的計劃，其中包括實現百萬千瓦級核電站關鍵閥門、百萬噸級大型乙烯成套設備閥門國產化等。通過不斷引進關鍵技術和自主研發，并給予法規和政策上的諸多優惠，相關閥門企業抓住機遇，上下形成共識，閥門行業取得了可喜進展。閥門行業始終保持良好的發展態勢，2010年1—5月，實現累計產品銷售收入557億元，比上年同期增長24.7％；實現累計利潤37億元，比上年同期增長了35.33％。2010年較上年度銷售收入增長超過21％；2011年較上年度銷售收入增長超過19％。

根據美國Mciivmne公司統計數據及預測，到2015年中國閥門市場將超過美國成為世界第一，2010～2015年間，平均年增長率11％左右。在整個高端閥門市場中中高端閥門約占30％，其中鈦合金閥門占一定比例。隨著我國國民經濟的飛速發展，2010—2015年，鈦閥應用量較大的石化、PTA、LNG行業閥門市場預測年增長13％，由2010年的12億美元增至2015年的約18.8億美元；電力行業將保持6％年增長率，由2010年的20億美元增至2015年的約25億美元_20J。因此，鈦閥在此領域應用前景十分看好。

近幾年我國航空航天事業發展迅猛，大飛機制造、奔月及太空站建設已成重大國策。因此，鑒于鈦合金的優良特性及發達國家鈦閥門在此領域的成功應用經驗，鈦閥在該領域的應用量將會大幅度增加。另外，隨著我國經濟實力的不斷增強，加強海軍建設及加大海洋資源開發利用力度，未來艦船建造及海洋鉆井平臺領域用鈦閥的需求量將大大增加。誰擁有了能源誰就擁有未來，海洋石油開采是我國未來油田開采的重點，鈦合金閥門在海洋鉆井平臺等方面的應用前景將十分廣闊。

食品衛生及醫療保健越來越被國人及國家相關部門所重視，鈦合金是用于食品加工和醫藥制造領域的最好金屬，中國有13億人口，占世界總人口的1/6，所以，鈦閥在此領域未來的市場及應用前景同樣將十分廣闊。

5、結語

鈦閥門作為一種特種介質及環境下的流體控制必需品，在國外發達國家，其加工制造及應用已多年歷史，其閥門的應用領域及所用材料類型、牌號等對我國設計、加工制造高端閥門有巨大幫助。隨著我國國民經濟高速發展，未來我國將成為國家第一大閥門市場，鈦閥門應用前景十分廣闊。

研究和掌握國內外鈦閥應用現狀及設計選材規律，有益于我國鈦閥門產業盡快壯大和健康發展。

參考文獻

[1]中國材料工程大典編委會.中國材料工程大典(第4卷)[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2]中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會.鈦行業“十二五”規劃研究[J].鈦工業進展，2010，8(4)：3-9

[3]屠振密，李寧，朱永明.鈦及鈦合金表面處理技術和應用[M].北京：國防工業出版社，2010.

[4]范玉利，肖錫云，周春福，等.鈦及鈦合金鑄件[S].GB／T6614—1994.

[5]張平輝，王永梅，黃永光，等.鈦及鈦合金棒材[S].GB／T2965—2007.

[6]寧興龍.飛機用鈦新數據[J].鈦工業進展，2003，12(6)：19-23.

[7]何成耀.下游閥門的生產企業更應重視API認證[J].閥門世界亞洲，2011，8(4)：21-22.

[8]胡初潛.鈦合金發動機閥門[J].稀有金屬，1990，8(4)：39-42.

[9]趙永慶，奚正平，曲恒磊.我國航空用鈦合金研究現狀[J].航空材料學報，2003(3)：215-219.

[10]付艷艷，宋月清，惠宋驍，等.航空用鈦合金的研究與應用進展[J].稀有金屬，2006，30(6)：250-856.

[11]張慶玲，王慶茹，李興無.航空用鈦合金緊固件選材分析[J]，材料工程，2007，2(1)：11—18.

[12]王向東，逯福生，等.2010年中國鈦工業發展報告[J].鈦工業進展，2011，8(4)：3-8.

[13]余存燁.鈦在煉油化工行業的應用前景[J].鈦工業進展，2014，6(3)：25-28.

[14]寧興龍.俄羅斯艦船用鈦[J].鈦工業進展，2003，12(6)：23-27.

[15]陳麗萍，婁貫濤.艦船用鈦合金的應用及發展方向[J].艦船科學技術，2005，10(5)：13-15.

[16]孟祥軍.鈦合金在艦船用上的應用[J].艦船科學技術，2001，4(2)：23.27.

[17]梁緒發.鈦利閥門的設計特點[J].閥門，2004，(5)：16.23.

[18]翟偉國，王少剛，羅傳孝.鈦一鋼爆炸復合板的微觀組織結構及力學性能[J].壓力容器，2012，29(9)：7.12.

[19]李雙燕.核電設備中的鎳基合金帶板電渣堆焊[J].壓力容器，2011，28(3)：33-37.

[2O]張建華，李樹勛，王朝富，等.超(超)臨界電動高加三通閥閥體強度應力分析[J].流體機械，2012，40(12)：35—38.

[21]翟霄，俞樹榮.閥體應力分類與強度評定的討論[J].流體機械，2011，39(1)：32-35.

[22]核電閥門的知識(及廠家)[EB／OL].www.douban.eom／group／topic／11370825，2010，5，14.

[23]詹文革.生物醫藥用鈦及鈦合金的研制、生產和應用[J].鈦工業進展，2007，2(1)：27-31.

作者簡介：張永強(1963一)，男，學士，高級工程師，長期從事有色金屬壓力加工工藝研究及閥門研制，通訊地址：471039河南洛陽市中船重工七二五所八室。