上海申弘閥門有限公司
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鈦合金閥門設計要求 |
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| 詳細介紹 | ||||||||||||||||
1、之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹鈦合金閥門設計要求前言： 鈦合金由于低密度、高比強度及良好的耐蝕性使其在航空航天、船舶和兵器等領域獲得了廣泛應用[1]。高強度及超高強度鈦合金由于其優良的特性在高性能飛行器結構材料中更占有重要地位。高強度鈦合金[2]是指室溫拉伸強度為1100～1400MPa之間的鈦合金，主要用來代替飛機結構中常用的高強結構鋼，可減輕結構重量的40%，典型的有美國的Ti1023（Ti-10V-2Fe-3Al），該合金與飛機結構件中常用的30CrMnSiA高強度結構鋼性能相當，具有優異的鍛造性能[3-5];Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），該合金冷加工性能比工業純鈦還好，時效后的室溫抗拉強度可達1000MPa以上；前蘇聯的BT22（Ti-l-5Mo-5V-1Cr-1Fe）合金其拉伸強度大于等于1105Mpa，已成功用作機身、機翼、起落架和其它高承載部件[6];國內方面，主要有北京有色金屬研究院研制出的TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al），寶雞有色金屬研究所研制的TB3（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.l）和上海鋼鐵研究所研制的TB4（Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr）[5]以及九五期間仿制美國β-21S的TB8（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si）等合金。超高強度鈦合金[2]是指室溫拉伸強度超過1400MPa的鈦合金，用以代替超高強度鋼制造飛機起落架的主承力構件，可減輕結構重量30%，目前這類合金還處在研制發展階段，達到這種強度級別的鈦合金如Ti-8V-5Fe-1Al亞穩定β鈦合金，采用快速凝固粉末冶金工藝生產的Ti-8V-5Fe-1Al合金，其室溫抗拉強度為1480MPa，伸長率為8%。 鈦合金閥門設計要求鈦及鈦合金質量輕，強度高，屈強比高，無磁性，有生物惰性，并具備優良的耐腐蝕性能。在海水環境中，鈦及鈦合金幾乎不發生腐蝕，在大部分化學介質中具有*的耐蝕性。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*產品已被大量應用。然而不同領域及行業的流體介質和環境條件不盡相同，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，而受到普遍的關注和重視。
2、鈦合金閥門設計要求常用鈦及鈦合金 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。工業純鈦不能進行熱處理強化，成型性能優良，易于熔焊和釬焊。工業純鈦實際應用廣泛，真空技術網(http://www.chvacuum.com/)調研后發現典型變形工業純鈦牌號有TA1、TA2和TA3等；典型鑄造工業純鈦牌號有ZTA1、ZTA2和ZTA3。 2.2、鈦合金 鈦合金是以鈦為基體，加入Al、Sn、Cr、Mo和Mn等元素組成的合金。鈦合金通常按照退火態相組成進行分類，劃分為α型、β型和α+β型鈦合金。α型鈦合金主要成分為Ti中加入Al、Sn、Cr等α穩定元素的合金，其退回狀態下的組織為單相α固溶體。α型鈦合金不能熱處理強化，其強度比β型和α+β型鈦合金低，但在500～600℃使用時能保持良好的高溫強度。 β型鈦合金主要成分為Ti中加入Cr、Mo、V等元素的合金，這類合金經淬火處理后得到β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。但是β型鈦合金的組織和性能不穩定，熔煉工藝復雜，應用較少。穩定的β型鈦合金有TB7和Ti40。
3、鈦的力學性能 鈦中經常存在的O、C和N等雜質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，其N的影響較大，C的影響較小，O的影響居中。另外，B、Be和Al等元素對提高鈦的強度影響較大，而Cr、Mo、Mn、Fe、V和Sn等對鈦的強度影響較小。Al常作為α型、α+β型鈦合金中的α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β型、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。 隨著現代航空飛行器對承力構件性能的要求越來越高，提高結構鈦合金性能已成為研究熱點，近年來，國內外致力于開發1400Mp*以上的超高強β鈦合金[7]。本文所研究的一種Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb系合金是寶鈦集團有限公司自主研發的超高強度鈦合金，其Kβ穩定系數約1.33，鉬當量約14.2，屬于近β型鈦合金，棒材經固溶時效處理后的性能可達較高水平。鈦合金閥門、鈦和鈦合金系列閥門、鎳和鎳合金系列閥門（哈氏合金、蒙乃爾合金、英科乃爾合金）、鋯材、鉭材、雙相鋼及鎳基合金閥門等。 產品采用：API、ASME、EN、ISO、JIS、DIN、BS、GB等*標準設備生產制造。產品通徑NPS3/8″～48″(DN6～1200mm)，壓力等級從150Lb～2500Lb（1.0MPa～42.0MPa）多個品種系列及規格。是一家致力于高科技的企業。
2、試驗方法： 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥試驗在生產線上完成，經真空自耗電弧爐3次熔煉后得到合金鑄錠，對鑄錠進行化學成分分析并測試相變點。塑性加工分別在3150t水壓機進行開坯鍛造，再到SXP精鍛機上進行精鍛，后經橫列式軋機出Φ12.5mm×L熱軋棒材，并進行固溶時效處理。同時，試驗通過金相、力學、SEM、XRD、差熱分析等手段對合金不同加工狀態的組織性能進行分析測試。 3、實驗結果與分析： 3.1 鑄態組織與性能： 合金采用真空自耗三次熔煉后，合金的成分整體分布均勻，雜質含量低于標準要求。圖1為該合金用差熱分析法測定的DSC曲線及其一階倒數曲線，從一階倒數曲線可以比DSC曲線更明顯看到三個吸熱峰，前兩個吸熱峰與合金的ω相轉變有關，第三個吸熱峰是相變峰值，該合金DSC一次倒數的峰值為783.5℃，表明相變溫度在783.5℃左右。 試驗對合金鑄錠的光學顯微組織、掃描組織、X射線衍射圖譜及合金硬度進行了分析測試，主要結果如下。圖2（a）為合金鑄態的光學顯微組織，可以看出，合金由粗大的鑄態組織構成，平均晶粒尺寸約1000-2000μm，合金晶界粗黑，晶內也分布著散亂的黑色相。為進一步分析合金的相分布，對合金進行了XRD分析（圖3）及掃描分析，通過分析發現，合金含有相和β相的特征峰，光學組織中表現的粗晶界，在掃描組織中可以看出為β晶界的馬氏體相，形成馬氏體相的原因是合金低的Cr和Fe元素含量，β相主要轉變為斜方晶格馬氏體。從圖2（b）中可以看出，α相在β晶內和晶界都有析出，其中，a相在晶內呈較為彌散的點狀析出，而在晶界則呈現為線狀。進一步SEM高倍觀察（圖2 c、d）表明，這些晶內呈點狀析出的a相實際上是由非常細小的、互成60“夾角的”短針“組成，在較大的β晶粒內彌散分布；而晶界處a相則多呈彼此平行的針狀分布，并向β晶內方向生長。 由于含有一定量的斜方馬氏體相，合金的硬度可達295HV左右。
3.2 鍛態組織與性能： 合金經多火次開坯鍛造后，合金鍛態組織與鑄態組織相比，α相主要沿β晶界針狀析出，而且α相在β晶內分布明顯減少，原鑄造組織發生了一系列的變化，減少或消除了鑄錠的鑄態缺陷，同時由于鍛造的作用，細化了鈦合金的晶粒，但邊部與中心晶粒分布不勻，從圖4（a、b）中可以看出，邊部晶粒比中心細小均勻，中心晶粒尺寸較大，并且分布不勻，有細小的再結晶晶粒和粗大晶粒構成混晶組織，平均晶粒尺寸約為400~500μm。相比鑄態和鍛造開坯后的晶粒組織，精鍛的晶粒明顯細化了，晶粒尺寸約為100μm，而且組織分布也比較均勻。
3.3 熱軋態組織與性能： 合金熱軋棒材的顯微組織如圖6（a）所示，可以看出，晶粒已被充分破碎，晶界曲折而不連續，晶粒進一步細化，平均晶粒尺寸約為20μm。熱軋后的XRD分析（圖6 b）表明，熱軋后合金為單相的β組織，這主要由于熱軋溫度在相變點以上，棒材規格小、冷卻速度很快，基本保留熱軋溫度下的β相組織。 對熱軋棒材進行室溫拉伸性能測試，其抗拉強度達RM=861MPa左右，延伸率達A=17.5%左右，具備β合金的可冷加工特性。 3.4 熱處理后的組織性能 對熱處理后的棒材進行性能測試，結果表明，合金經過800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶時效處理后，其性能可達到RM=1509MPa，R0.2=1349MPa，A=7.84%的水平，這主要是由于合金組織中析出大量的片層狀α相，組織均勻細化，使其強度和塑性達到。 （1）鑄態合金的晶粒分布不勻，比較粗大，晶粒直徑大小約為1000~2000μm，且β晶內和晶界都有α相析出；經過鍛造，合金晶粒細化到100μm，α相主要沿β晶界針狀析出，β晶內分布明顯減少；再經熱軋后，晶粒進一步細化到20μm左右，合金為單相的β組織。 （2）合金經精鍛后，棒材截面上的硬度分布較開坯鍛造時均勻，硬度值較開坯鍛造時的360HV有所提高，較鑄態的295HV顯著提高，達到380HV。 （3）合金經熱軋后抗拉強度為RM=861MPa，延伸率為A=17.5%左右，經800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶時效處理后，大量均勻細小的α相由β基體內析出，且以短片狀的形式互相平行或垂直分布其中。同時，合金性能達到RM=1509MPa，R0.2=1349MPa，A=7.84%的水平。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥 |
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