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我国钛合金板带的生产现状及相关标准发展

发布时间:2021-09-15 17:51:30 浏览次数 :

由于钛及钛合金材料具有密度低,比强度高,耐腐蚀,组织性能稳定性好等优良的综合性能,钛及钛合金材料在近几十年得到了飞速发展。我国 的钛工业起始于六十年代的国防军工要求,经过了50年的发展,取得了巨大成绩,目前钛加工材在航空、航天、船舶、冶金、化工、设备、医疗、制 药、海洋工程、体育休闲等领域均得到飞速发展。我国钛资源丰富,储量居世界前列,目前已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后,具有完整工 业体系和生产能力的世界第4大钛工业国。

伴随着钛工业的飞速发展,我国的钛及钛合金的标准从无到有,从建立到发展完善,经历了将近40多年的历程,现已形成较为完善的标准体系。 本文介绍了当前使用的钛及钛合金的板带类的国标及国军标体系,就板带材标准的发展与完善提出了建议。

1、钛合金板带材的生产现状

钛及钛合金经加工后制成板、带、箔、管、棒、丝、钛锻件、铸件及复合材料等产品类型,广泛用于化工、航空航天、船舶、医药、海洋、体育休闲等领域。

钛合金强度高而密度小,机械性能好,韧性和抗腐蚀性能好。但钛板带材的加工工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧碳 氮等杂质。另外钛板带材的耐磨性差,生产工艺复杂。在所有的钛合金加工材中,钛板带材的产量接近50%,在各领域得到广泛应用。目前世界钛板带 材年产量已达4万余吨,钛板带材牌号近30种。使用最广泛的钛板带材是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TAl、TA2和TA3)。

钛板带材的用途很广,主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期,钛及其合金已在一般工业中 应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及钛合金板带还可作燃料和氧化剂的 储箱以及高压容器。钛及钛合金板还可制作自动步枪、迫击炮的座板及无后座力炮的发射管。还可用钛合金板加工成高尔夫球头等。

我国经济正持续高速发展、特别是大飞机计划和滨海电站的大力发展,拉动了对钛板带材的需求。制约国内钛板带材工业化发展的主要因素是生 产工艺相对落后及一次性投资过大。近年,国内各家企业纷纷花费巨资,上马了一批钛板带生产线,有的已经正式投产。这些生产线的建成与投产必 将带来钛板带应用的热潮。

随着钛及钛合金板带生产设备、生产技术的发展,有关钛板带的标准经历了从无到有,到逐步发展,现已建立了比较完善的钛板带标准体系。

2、钛合金板带相关标准

我国目前涉及钛及钛合金的加工板带材的标准主要有GB(国家标准)、行业标准(主要是有色行业标准YS)、GJB(国家军用标准)。国家标准和军 用标准各有好几个,但是侧重点不同,用途不同,所包含的牌号也不同。

GB、YS以满足民用为主,兼顾军用的一般通用要求,主要采标对象是ASTM(美国材料与试验协会)和ASME(美国机械工程师协会);GJB则是为了 满足军品的需求,主要采标的对象是AMS(美国宇航材料规范)和MIL(美国军用标准)。我国的钛板带标准起步于20世纪70年代初,国家标准体系建 立于80年代初,经过30多年的发展和完善,形成较为完善的钛板材标准体系。

我国第一项钛及钛合金板带标准是由冶金工业部于1970年7月23日正式批准颁布的钛板行业标准YB762-70和钛带行业标准YB763-70。

20世纪80年代初,国家标准局组织修改原部颁钛材标准,同时起草国家标准。并于1983年发布钛板带的国家标准:《钛及钛合金板材》(GB3621 -83)和《钛带材》(GB3622-83)。《钛及钛合金板材》(GB362l-1983)和《钛带材》(GB3622-1983)标准分别以冶金行业标准YB762-70和YB763-70为 基础进行了制修订。在1987年颁布了《钛-不锈钢复合板》(GB/T 8546-1987)和《钛-钢复合板》(GB/T 8547-1987)。

90年代初期开始国家对国标进行了全面的修订和对标准体系的补充完善。增加了专用钛板标准-《板式换热器用钛板》(GB/Tl4845-1993)。

进入二十一世纪,随着钛工业的技术进步和民用领域推广钛及钛合金产品的需要,进一步促进产品质量的提高,进行了新一轮的制修订工作。在 2007年完成了GB/T 362l、GB/T 8546、GB/T 8547、GB/T l3810、GB/T l4845修订。新制定YS/T580、YS/T658两个涉及钛板带的有色金属行业标准 。

新制修订的国家标准增加了牌号,性能指标也有所调整等,并在技术要求上积极采用国际先进标准,以提高标准的水平,体现了标准的进步性。

目前现行的、正式的钛及钛合金板带国家标准、行业标准见表1。

表1 目前使

用的钛板带材的国家标准

《钛及钛合金板材》(GB/T362I-2007)是在1994年版本基础上修订的,适用于各种用途的钛及钛合金板材。修订后增加了TA8、TA8-1、TA9-l、 TAll、TA15、TA17、TAl8、TB5、TB6、TB8、TC4ELI共11个新牌号,涉及的牌号增加到26个,标准对规格及允许偏差有所调整;对纯钛板材的力学性 能和工艺性能指标进行了重大调整,规定非比例延伸强度采用ASTM B265-2006的指标,抗拉强度和断后伸长率指标均高于ASTM B265-2006。

《钛及钛合金带、箔材》(GB/T3622-1999)目前还在使用1999年版本,已不再能满足用户与生产企业的需要,2011年已纳入修订计划。

《钛-不锈钢复合板》(GB/T 8546-2007)是在1987年版本上修订的,适用范围有所调整:由原标准厚度大于8mm,变为厚度不小于4mm,复材选用 的牌号增加了2个,变成4个:TA1、TA2、TA9、TA10(符合GB/T3621钛及钛合金板材中的要求)。依据标准修订时间推算,GB/T3621采用的是1994版本,此版本运用的是《钛及钛合金牌号和化学成分》(GB/T320.1)1994年版本,在2007年对该标准的修订时,对原有牌号做了调整,由原TA0-TA3变为 TAI-TA4,此处的TAI、TA2对应现标准牌号TA2、TA3。

《钛-钢复合板》(GB/T 8547-2006)是在1987年版本上修订的,复材选用的牌号为TA0、TA1、TA2、TA9、TA10(符合GB/T3621钛及钛合金板材中 的要求)。依据标准修订时间推算,GB/T 3621采用的是1994版本,此版本运用的是《钛及钛合金牌号和化学成分》(GB/T 3620.1)1994年版本的牌 号,在2007年对该标准的修订时,对原有牌号做了调整,由原TA0-TA3变为TAl-TA4,此处的TA0、TA1、TA2应为现标准牌号TA1、TA2、TA3。

《外科植人物用钛及钛合金加工材》(GB/T l3810-2007)是在1997版基础上修订的,标准中板材选用TAlELl、TAl、TA2、TA3、TA4、TC4、 TC4EL1。产品的化学成分应符合GB/T3620.1中相应牌号的规定,对纯钛、TC4及TC4EL1中氢含量应不大于0.010%。板材的尺寸为:厚度0.8~25mm(纯 钛大于等于0.3mm)。厚度为0.8~4.75mm以冷轧、退火状态供应,表面状态为除油或酸洗;厚度>4.75-25以热加工、退火状态供应,表面状态为酸 洗或黑皮。

《板式换热器用钛板》(GB/T14845一2007)是在1994年版本上修订的,该标准的修订主要是参考了美国材料与试验协会的标准ASTMB265-06《钛 及钛合金带、薄板和厚板》中的化学成分、力学性能和工艺性能等指标。标准中原有TAl的基础上增加了TA8-1、TA9-1两个牌号,由于其用途特殊, 对板材的塑性要求非常高,所以该牌号成分中杂质含量较《钛及钛合金牌号和化学成分》(GB/T3620.1)中严格。板材的尺寸略有调整:厚度 0.5~1.0mm,宽度300~1000mm,长度规定为800~3000mm。板材的力学性能指标较常规板材也有所区别,表2为GB/T l4845-2007和GB/T 3621-2007力学 性能指标对比。

表2 GB/Tl4845-2007和 GB/T3621-2007 力学性能指标对比

从表2可以看出,该板材的强度要求没变,而塑性指标要求很高,这是由其使用用途所决定的。《制表用纯钛板材》( YS/T 580 -2006 ) 是在 2006年新制定的有色金属行业标准。牌号为WTP-1,退火(M)或热加工(R)供应,表面经白化处理,厚度为1.0~10mm,板材要求洛氏硬度值为80~90HRB, 对其他力学性能、工艺性能指标不做要求。

《焊管用钛带》(YS/T658-2006)是在2007年制定颁布的。牌号为TA1、TA2、TA3、TA9、TA9-1,TA10,以退火状态供应,厚度为0.4~2.1mm,宽度为 300~610mm。钛带的抗拉强度、断面收缩率等力学性能指标与ASTMB265-06a相同,规定非比例延伸强度低于ASTMB265-06a标准要求

3、钛及钛合金板带材国军标的发展

为了满足航空航天等国防工业工业对钛合金材料更高要求的需求,1983年我国确立了国家军用标准体系,我国第一个钛类国家军用标准《航天工 业用TC4钛合金锻制饼材》(GJB 391-1987)于1987年8月28日审定通过并于1988年发布实施。经过多年的发展,到目前初步形成了较完整的钛及钛合 金材料的国家军用标准体系。现行的GJB中与钛及钛合金相关的有34项,钛及钛合金板材的国军标有4个,见表3。

表3 钛及钛合金板材

国军标

GJB944、GJB2921和GJB6471是专用标准,一个标准仅有一个牌号;GJB2505所含牌号较多,但其用途是航空、潜艇等系统,与国家标准用途不同 ,有些指标比国家标准要求要严格一些。

《潜艇用TA5-A钛合金板》(GJB944-1990)是1990年颁布,该标准中钛板分成两组规格:(15~25)×(600~1,600)×(1,000~4,000)和(>25~40) ×(600~1,600)×(1,000-2,000),力学性能与《钛及钛合金板材》(GB/T3621-2007)中规定值相近,增加了冲击要求:

冲击值≥57J/cm2,弯曲度要求较之高:弯芯直径是5T(T为板材厚度),弯曲角≥100°。

《航空用钛及钛合金板材和带材规范》(GJB2505A-2008)是个通用标准,在1995年版本上修订的。在TAl、TA2、TA3、TA4、TA6、TA?、TCI、TC2 、TC3、TC4的基础上增加了TA15,并按用途分为A类和B类。板材的规格为:(>0.3~4.0)×(400~1,000)×(1,000!3,000)和(>4.0~70.0)× (400~3,000)×(l,000~4,000),带材的规格为(0.3~2.0)×(50~650)×(≥500)。

《超塑成形用TC4钛合金板材规范》(GJB2921-1997)规定TC4的铸锭应采用真空自耗电弧炉熔炼,熔炼次数不少于两次。最后一次熔炼稳定阶段的 压力应不大千5Pa,自耗电极不允许使用鸽板氢弧焊焊接。且对TC4的氢含量和氧含量有较严格的要求:氢含量不大于0.0125%,氧含量应不大于0.18%( 当氧含量大于0.18%但不大于0.20%时,双方协商解决)。

《航天航空用TB5钛合金板材规范》(GJB6471-2008)规定材料应采用真空自耗电弧炉熔炼,熔炼次数应不少于两次,最后一次熔炼稳定阶段的压 力应不大于5Pa,自耗电极不允许使用钨板氩弧焊焊接。且对TC4的氢含量和氧含量有较严格的要求:氢含量不大于0。0125%,氧含量应不大于0.18% ( 当氧含量大于0.18%但不大于0.20% 时,双方协商解决)。

《航天航空用TB5钛合金板材规范》(GJB 6471-2008)规定材料应采用真空自耗电弧炉熔炼,熔炼次数应不少于两次,自耗电极不允许使用钨板氩 弧焊焊接。化学成分除对氧含量要求稍高,其他与GB/ T3620.1的规定基本一致。由于GB/ T3621-2007, 室温力学性能与GB/T3621的相近,但是增加 了固溶时效状态的力学性能指标要求。还规定当订购方有要求时,应测定板材的晶粒度,主要应为6级或6级以上,允许局部存在少量大到2级的晶粒 。增加了板材的不平度要求。要求板材的表面应无任何富氧层,如α层或其他表面污染。

4、结论

我国钛板带材标准体系经几次制修订后,从体系的完善及标准的水平均有较大的提升,目前我国钛板带材标准的水平与国外先进标准基本相同, 标准体系的发展应主要从以下几个方面进行:

虽然近年我国在钛及钛合金领域飞速发展,但离钛工业发达国家还是有一定差距,主要体现在钛及钛合金半成品的规格、质量要求、检测测试手 段及品种类型等。我国的标准体系应参照国外先进标准ASTM、ASME等对原有标准进行制修订,并不断完善。2010年,中国有色标准委员会组织宝钛集 团(宝钛股份有限公司)、湖南湘投金天钛金属有限公司等公司制定了《电站冷凝器和热交换器用钛-钢复合管板》、《钛锆钢复合板》、《热轧钛 带卷》、《冷轧钛带卷》,目前宝钛公司还在起草《特种板用钛板》、《高尔夫球头用钛及钛合金板》等专用标准,以满足用户的多样化的需求,促 进生产厂家改进生产工艺、提高技术质量水平、降低生产成本等。

应加大新牌号板材的研制力度,特别是合金牌号板材的研究、生产和纳标;

同时加速合金超厚板及超薄板材的研制和生产;性能指标及检验方法应进行进一步研究,力争与国际全面接轨。

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