上海申弘阀门有限公司
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钛合金阀门设计要求 |
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| 详细介绍 | ||||||||||||||||
1、之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍钛合金阀门设计要求前言： 钛合金由于低密度、高比强度及良好的耐蚀性使其在航空航天、船舶和兵器等领域获得了广泛应用[1]。高强度及超高强度钛合金由于其优良的特性在高性能飞行器结构材料中更占有重要地位。高强度钛合金[2]是指室温拉伸强度为1100～1400MPa之间的钛合金，主要用来代替飞机结构中常用的高强结构钢，可减轻结构重量的40%，典型的有美国的Ti1023（Ti-10V-2Fe-3Al），该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能[3-5];Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上；前苏联的BT22（Ti-l-5Mo-5V-1Cr-1Fe）合金其拉伸强度大于等于1105Mpa，已成功用作机身、机翼、起落架和其它高承载部件[6];国内方面，主要有北京有色金属研究院研制出的TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al），宝鸡有色金属研究所研制的TB3（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.l）和上海钢铁研究所研制的TB4（Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr）[5]以及九五期间仿制美国β-21S的TB8（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si）等合金。超高强度钛合金[2]是指室温拉伸强度超过1400MPa的钛合金，用以代替超高强度钢制造飞机起落架的主承力构件，可减轻结构重量30%，目前这类合金还处在研制发展阶段，达到这种强度级别的钛合金如Ti-8V-5Fe-1Al亚稳定β钛合金，采用快速凝固粉末冶金工艺生产的Ti-8V-5Fe-1Al合金，其室温抗拉强度为1480MPa，伸长率为8%。 钛合金阀门设计要求钛及钛合金质量轻，强度高，屈强比高，无磁性，有生物惰性，并具备优良的耐腐蚀性能。在海水环境中，钛及钛合金几乎不发生腐蚀，在大部分化学介质中具有*的耐蚀性。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*产品已被大量应用。然而不同领域及行业的流体介质和环境条件不尽相同，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，而受到普遍的关注和重视。
2、钛合金阀门设计要求常用钛及钛合金 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。工业纯钛不能进行热处理强化，成型性能优良，易于熔焊和钎焊。工业纯钛实际应用广泛，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研后发现典型变形工业纯钛牌号有TA1、TA2和TA3等；典型铸造工业纯钛牌号有ZTA1、ZTA2和ZTA3。 2.2、钛合金 钛合金是以钛为基体，加入Al、Sn、Cr、Mo和Mn等元素组成的合金。钛合金通常按照退火态相组成进行分类，划分为α型、β型和α+β型钛合金。α型钛合金主要成分为Ti中加入Al、Sn、Cr等α稳定元素的合金，其退回状态下的组织为单相α固溶体。α型钛合金不能热处理强化，其强度比β型和α+β型钛合金低，但在500～600℃使用时能保持良好的高温强度。 β型钛合金主要成分为Ti中加入Cr、Mo、V等元素的合金，这类合金经淬火处理后得到β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。但是β型钛合金的组织和性能不稳定，熔炼工艺复杂，应用较少。稳定的β型钛合金有TB7和Ti40。
3、钛的力学性能 钛中经常存在的O、C和N等杂质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，其N的影响较大，C的影响较小，O的影响居中。另外，B、Be和Al等元素对提高钛的强度影响较大，而Cr、Mo、Mn、Fe、V和Sn等对钛的强度影响较小。Al常作为α型、α+β型钛合金中的α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β型、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。 随着现代航空飞行器对承力构件性能的要求越来越高，提高结构钛合金性能已成为研究热点，近年来，国内外致力于开发1400Mp*以上的超高强β钛合金[7]。本文所研究的一种Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb系合金是宝钛集团有限公司自主研发的超高强度钛合金，其Kβ稳定系数约1.33，钼当量约14.2，属于近β型钛合金，棒材经固溶时效处理后的性能可达较高水平。钛合金阀门、钛和钛合金系列阀门、镍和镍合金系列阀门（哈氏合金、蒙乃尔合金、英科乃尔合金）、锆材、钽材、双相钢及镍基合金阀门等。 产品采用：API、ASME、EN、ISO、JIS、DIN、BS、GB等*标准设备生产制造。产品通径NPS3/8″～48″(DN6～1200mm)，压力等级从150Lb～2500Lb（1.0MPa～42.0MPa）多个品种系列及规格。是一家致力于高科技的企业。
2、试验方法： 上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀试验在生产线上完成，经真空自耗电弧炉3次熔炼后得到合金铸锭，对铸锭进行化学成分分析并测试相变点。塑性加工分别在3150t水压机进行开坯锻造，再到SXP精锻机上进行精锻，后经横列式轧机出Φ12.5mm×L热轧棒材，并进行固溶时效处理。同时，试验通过金相、力学、SEM、XRD、差热分析等手段对合金不同加工状态的组织性能进行分析测试。 3、实验结果与分析： 3.1 铸态组织与性能： 合金采用真空自耗三次熔炼后，合金的成分整体分布均匀，杂质含量低于标准要求。图1为该合金用差热分析法测定的DSC曲线及其一阶倒数曲线，从一阶倒数曲线可以比DSC曲线更明显看到三个吸热峰，前两个吸热峰与合金的ω相转变有关，第三个吸热峰是相变峰值，该合金DSC一次倒数的峰值为783.5℃，表明相变温度在783.5℃左右。 试验对合金铸锭的光学显微组织、扫描组织、X射线衍射图谱及合金硬度进行了分析测试，主要结果如下。图2（a）为合金铸态的光学显微组织，可以看出，合金由粗大的铸态组织构成，平均晶粒尺寸约1000-2000μm，合金晶界粗黑，晶内也分布着散乱的黑色相。为进一步分析合金的相分布，对合金进行了XRD分析（图3）及扫描分析，通过分析发现，合金含有相和β相的特征峰，光学组织中表现的粗晶界，在扫描组织中可以看出为β晶界的马氏体相，形成马氏体相的原因是合金低的Cr和Fe元素含量，β相主要转变为斜方晶格马氏体。从图2（b）中可以看出，α相在β晶内和晶界都有析出，其中，a相在晶内呈较为弥散的点状析出，而在晶界则呈现为线状。进一步SEM高倍观察（图2 c、d）表明，这些晶内呈点状析出的a相实际上是由非常细小的、互成60“夹角的”短针“组成，在较大的β晶粒内弥散分布；而晶界处a相则多呈彼此平行的针状分布，并向β晶内方向生长。 由于含有一定量的斜方马氏体相，合金的硬度可达295HV左右。
3.2 锻态组织与性能： 合金经多火次开坯锻造后，合金锻态组织与铸态组织相比，α相主要沿β晶界针状析出，而且α相在β晶内分布明显减少，原铸造组织发生了一系列的变化，减少或消除了铸锭的铸态缺陷，同时由于锻造的作用，细化了钛合金的晶粒，但边部与中心晶粒分布不匀，从图4（a、b）中可以看出，边部晶粒比中心细小均匀，中心晶粒尺寸较大，并且分布不匀，有细小的再结晶晶粒和粗大晶粒构成混晶组织，平均晶粒尺寸约为400~500μm。相比铸态和锻造开坯后的晶粒组织，精锻的晶粒明显细化了，晶粒尺寸约为100μm，而且组织分布也比较均匀。
3.3 热轧态组织与性能： 合金热轧棒材的显微组织如图6（a）所示，可以看出，晶粒已被充分破碎，晶界曲折而不连续，晶粒进一步细化，平均晶粒尺寸约为20μm。热轧后的XRD分析（图6 b）表明，热轧后合金为单相的β组织，这主要由于热轧温度在相变点以上，棒材规格小、冷却速度很快，基本保留热轧温度下的β相组织。 对热轧棒材进行室温拉伸性能测试，其抗拉强度达RM=861MPa左右，延伸率达A=17.5%左右，具备β合金的可冷加工特性。 3.4 热处理后的组织性能 对热处理后的棒材进行性能测试，结果表明，合金经过800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶时效处理后，其性能可达到RM=1509MPa，R0.2=1349MPa，A=7.84%的水平，这主要是由于合金组织中析出大量的片层状α相，组织均匀细化，使其强度和塑性达到。 （1）铸态合金的晶粒分布不匀，比较粗大，晶粒直径大小约为1000~2000μm，且β晶内和晶界都有α相析出；经过锻造，合金晶粒细化到100μm，α相主要沿β晶界针状析出，β晶内分布明显减少；再经热轧后，晶粒进一步细化到20μm左右，合金为单相的β组织。 （2）合金经精锻后，棒材截面上的硬度分布较开坯锻造时均匀，硬度值较开坯锻造时的360HV有所提高，较铸态的295HV显着提高，达到380HV。 （3）合金经热轧后抗拉强度为RM=861MPa，延伸率为A=17.5%左右，经800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶时效处理后，大量均匀细小的α相由β基体内析出，且以短片状的形式互相平行或垂直分布其中。同时，合金性能达到RM=1509MPa，R0.2=1349MPa，A=7.84%的水平。与本文相关的产品有不锈钢波纹管密封安全阀 |
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