上海申弘閥門有限公司
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鈦合金閥門設(shè)計要求 |
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| 詳細(xì)介紹 | ||||||||||||||||
1、之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹鈦合金閥門設(shè)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(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]。高強度及超高強度鈦合金由于其優(yōu)良的特性在高性能飛行器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中常用的高強結(jié)構(gòu)鋼，可減輕結(jié)構(gòu)重量的40%，典型的有美國的Ti1023（Ti-10V-2Fe-3Al），該合金與飛機結(jié)構(gòu)件中常用的30CrMnSiA高強度結(jié)構(gòu)鋼性能相當(dāng)，具有優(yōu)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(yè)純鈦還好，時效后的室溫抗拉強度可達1000MPa以上；前蘇聯(lián)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(nèi)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(gòu)件，可減輕結(jié)構(gòu)重量30%，目前這類合金還處在研制發(fā)展階段，達到這種強度級別的鈦合金如Ti-8V-5Fe-1Al亞穩(wěn)定β鈦合金，采用快速凝固粉末冶金工藝生產(chǎn)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(shè)計要求鈦及鈦合金質(zhì)量輕，強度高，屈強比高，無磁性，有生物惰性，并具備優(yōu)良的耐腐蝕性能。在海水環(huán)境中，鈦及鈦合金幾乎不發(fā)生腐蝕，在大部分化學(xué)介質(zhì)中具有*的耐蝕性。目前，隨著科技的進步以及各行各業(yè)對新材料應(yīng)用力度的加大，鈦閥門作為各種特殊環(huán)境及特殊流體介質(zhì)輸送系統(tǒng)的*產(chǎn)品已被大量應(yīng)用。然而不同領(lǐng)域及行業(yè)的流體介質(zhì)和環(huán)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(shè)計制造中必須首要考慮的技術(shù)問題之一，而受到普遍的關(guān)注和重視。
2、鈦合金閥門設(shè)計要求常用鈦及鈦合金 工業(yè)純鈦系指幾種具有不同的Fe、C、N、O等雜質(zhì)含量的非合金鈦。工業(yè)純鈦不能進行熱處理強化，成型性能優(yōu)良，易于熔焊和釬焊。工業(yè)純鈦實際應(yīng)用廣泛，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvacuum.com/)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)典型變形工業(yè)純鈦牌號有TA1、TA2和TA3等；典型鑄造工業(yè)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(tài)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(wěn)定元素的合金，其退回狀態(tài)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(jīng)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(wěn)定，熔煉工藝復(fù)雜，應(yīng)用較少。穩(wěn)定的β型鈦合金有TB7和Ti40。
3、鈦的力學(xué)性能 鈦中經(jīng)常存在的O、C和N等雜質(zhì)對鈦的力學(xué)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(wěn)定元素和重要合金元素，對合金有細(xì)化晶粒，提高再結(jié)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(wěn)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(yīng)力腐蝕敏感性。 隨著現(xiàn)代航空飛行器對承力構(gòu)件性能的要求越來越高，提高結(jié)構(gòu)鈦合金性能已成為研究熱點，近年來，國內(nèi)外致力于開發(fā)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(fā)的超高強度鈦合金，其Kβ穩(wěn)定系數(shù)約1.33，鉬當(dāng)量約14.2，屬于近β型鈦合金，棒材經(jīng)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(chǎn)品采用：API、ASME、EN、ISO、JIS、DIN、BS、GB等*標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備生產(chǎn)制造。產(chǎn)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(guī)格。是一家致力于高科技的企業(yè)。
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(chǎn)線上完成，經(jīng)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(xué)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(jīng)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(xué)、SEM、XRD、差熱分析等手段對合金不同加工狀態(tài)的組織性能進行分析測試。 3、實驗結(jié)果與分析： 3.1 鑄態(tài)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(zhì)含量低于標(biāo)準(zhǔn)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(shù)曲線，從一階倒數(shù)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(zhuǎn)變有關(guān)，第三個吸熱峰是相變峰值，該合金DSC一次倒數(shù)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(xué)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(jié)果如下。圖2（a）為合金鑄態(tài)的光學(xué)顯微組織，可以看出，合金由粗大的鑄態(tài)組織構(gòu)成，平均晶粒尺寸約1000-2000μm，合金晶界粗黑，晶內(nèi)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(fā)現(xiàn)，合金含有相和β相的特征峰，光學(xué)組織中表現(xiàn)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(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄Ц耨R氏體。從圖2（b）中可以看出，α相在β晶內(nèi)和晶界都有析出，其中，a相在晶內(nèi)呈較為彌散的點狀析出，而在晶界則呈現(xiàn)為線狀。進一步SEM高倍觀察（圖2 c、d）表明，這些晶內(nèi)呈點狀析出的a相實際上是由非常細(xì)小的、互成60“夾角的”短針“組成，在較大的β晶粒內(nèi)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(nèi)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(tài)組織與性能： 合金經(jīng)多火次開坯鍛造后，合金鍛態(tài)組織與鑄態(tài)組織相比，α相主要沿β晶界針狀析出，而且α相在β晶內(nèi)分布明顯減少，原鑄造組織發(fā)生了一系列的變化，減少或消除了鑄錠的鑄態(tài)缺陷，同時由于鍛造的作用，細(xì)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(xì)小均勻，中心晶粒尺寸較大，并且分布不勻，有細(xì)小的再結(jié)晶晶粒和粗大晶粒構(gòu)成混晶組織，平均晶粒尺寸約為400~500μm。相比鑄態(tài)和鍛造開坯后的晶粒組織，精鍛的晶粒明顯細(xì)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(tài)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(xù)，晶粒進一步細(xì)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(guī)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(jié)果表明，合金經(jīng)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(xì)化，使其強度和塑性達到。 （1）鑄態(tài)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(nèi)和晶界都有α相析出；經(jīng)過鍛造，合金晶粒細(xì)化到100μm，α相主要沿β晶界針狀析出，β晶內(nèi)分布明顯減少；再經(jīng)熱軋后，晶粒進一步細(xì)化到20μm左右，合金為單相的β組織。 （2）合金經(jīng)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(tài)的295HV顯著提高，達到380HV。 （3）合金經(jīng)熱軋后抗拉強度為RM=861MPa，延伸率為A=17.5%左右，經(jīng)800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶時效處理后，大量均勻細(xì)小的α相由β基體內(nèi)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(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥 |
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