鈦管鈦合金知識

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。鈦是周期表中第ⅣB類元素，外觀似鋼，熔點達(dá)1 672 ℃，屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富，遠(yuǎn)高于Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。我國鈦的資源極為豐富，僅四川攀枝花地區(qū)發(fā)現(xiàn)的特大型釩鈦磁鐵礦中，伴生鈦金屬儲量約達(dá)4.2億噸，接近國外探明鈦儲量的總和?！♀伜辖鸢从猛究煞譃槟蜔岷辖?、高強(qiáng)合金、耐蝕合金(鈦-鉬，鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。

鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能很好。另外，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要，使鈦工業(yè)以平均每年約 8%的增長速度發(fā)展。目前世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達(dá)4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3）。

鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。

中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比強(qiáng)度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。鈦合金在軍用飛機(jī)中的用量迅速增加，達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%～25%。70年代起，民用機(jī)開始大量使用鈦合金，如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上。馬赫數(shù)小于 2.5的飛機(jī)用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結(jié)構(gòu)重量。又如，美國SR-71 高空高速偵察機(jī)(飛行馬赫數(shù)為3，飛行高度26212米)，鈦占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%，號稱“全鈦”飛機(jī)。當(dāng)航空發(fā)動機(jī)的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機(jī)出口溫度相應(yīng)地從200～300°C增加到500～600°C時，原來用鋁制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片，以減輕結(jié)構(gòu)重量。70年代，鈦合金在航空發(fā)動機(jī)中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%～30%，主要用于制造壓氣機(jī)部件，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機(jī) 也都使用鈦合金板材焊接件。

鈦是同素異構(gòu)體，熔點為1720℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方品格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金（titanium alloys）。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金,(α β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。

α鈦合金

它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實際應(yīng)用溫度下，均是α相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高。

β鈦合金

它是β相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火、時效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)1372～1666MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。

α β鈦合金

它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強(qiáng)度高，可在400℃～500℃的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。

三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好，α β鈦合金次之，β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA，β鈦合金代號為TB，α β鈦合金代號為TC。

鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。典型合金的成分和性能見表。

熱處理 鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。

鈦合金是以鈦為基加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類：①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強(qiáng)化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。

合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類：

①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。

②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型二種。 應(yīng)用了鈦合金的產(chǎn)品

前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。

③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強(qiáng)化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

一引用標(biāo)準(zhǔn)

1. GB 228 金屬拉伸實驗方法

2. GB 224 金屬管液壓實驗方法

3. GB 226 金屬管壓扁實驗方法

4. GB/T3620.1 鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分

5. GB/T3620.2 鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分及成分允許偏差

二技術(shù)要求

1. 鈦及鈦合金管的化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T3620.1的規(guī)定，需方復(fù)驗時，銘坤鈦業(yè)化學(xué)成分的允許偏差符合GB/T3620.2的規(guī)定。

2.管材外徑的允許偏差應(yīng)符合表一規(guī)定。

3. 管材壁厚的允許偏差應(yīng)不超過其名義壁厚的±12.5%，管材壁厚的允許偏差不適用于鈦焊接管的焊縫處。

4. 管材的長度應(yīng)符合表二規(guī)定。

5. 管材的定尺或倍尺長度應(yīng)在其不定尺長度范圍內(nèi)，定尺長度的允許偏差為 10mm，倍尺長度還應(yīng)計入管材切斷時的切口量，每個切口量應(yīng)為5mm。 　表一

表二

鈦管生產(chǎn)工藝有很多種，這里以冷彎加工的方式為例介紹。工藝圖如右圖。

鈦管按照使用要求和性能的不同執(zhí)行兩個國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T3624-2010　GB/T3625-2007 ASTM B337 338

供應(yīng)牌號：TA0，TA1，TA2，TA9，TA10，BT1-00，BT1-0，Gr1，Gr2

鈦管件標(biāo)準(zhǔn)最早出現(xiàn)于美國宇航標(biāo)準(zhǔn)中，化工行業(yè)的鈦管件在國際上能查到的唯一標(biāo)準(zhǔn)是 ASTM B363 [ 5] 。它也是鈦管件國際貿(mào)易中常遵循的文件， ASTM B363 建立于 1961 年，第一次修改在 1978 年，以后又多次修改（如 83 年， 87 年）最近版本是 1995 年，使標(biāo)準(zhǔn)比較完善了。

我國在 1994 年由西北有色金屬研究院出臺了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/XB1507 — 94 《鈦制對焊無縫管件》。受到了設(shè)計部門的熱忱歡迎，該標(biāo)準(zhǔn)的出臺代表我國鈦管件標(biāo)準(zhǔn)化的起步。是我國鈦管件生產(chǎn)、經(jīng)銷、設(shè)計、施工的主要參考文件。

為了使標(biāo)準(zhǔn)能更好地指導(dǎo)我國鈦管件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、設(shè)計選用、采購經(jīng)銷、安裝施工，國家石油和化學(xué)工業(yè)局于 1999 年 7 月 13 日發(fā)布了《 鈦制對焊無縫管件 》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)由權(quán)西北有色金屬研究院起草，標(biāo)準(zhǔn)號為 HG/T3651-1999, 已于 2000 年 6 月 1 日起實施。該標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的管件尺寸公差與美國國家標(biāo)準(zhǔn) ANSI B16.9-1986《 鍛鋼對焊用管件 》和我國國家標(biāo)準(zhǔn) GB 12459-90《 鋼制對焊無縫管件 》等同，管件的要求和成品管件材料性能及管件表面質(zhì)量與美國材料試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) ASTM B363-95 《 無縫及有縫鈦及鈦合金對焊用管件》等同。

2017年，江西瑞鈦管道有限公司獲得江西省市場監(jiān)督管理局2017年度守合同重信用公示資格。

2018年，榮獲高新技術(shù)企業(yè)。