新型材料钛和钛合金在阀门行业中的应用 ​

钛的优异耐蚀性源于其表面极易形成一层致密、稳定、附着力强的惰性氧化膜（TiO2），这层膜在受损后能迅速自我修复（只要环境中有氧或水）。

钛的密度约为4.5 g/cm³，仅为钢的56%左右。但其强度接近或超过许多合金钢（如TC4合金的强度与高强度钢相当）。这意味着钛合金阀门在达到同等强度要求下，重量显著轻于钢制阀门。这对航空航天、船舶、移动设备等减重需求高的场合至关重要。

在低温下仍能保持良好的韧性和强度，适用于低温工况（如液氮、液氧系统），具有一定的抗冲击能力。

纯钛（如TA1, TA2）具有优异的生物相容性，无毒、无致敏性、与人体组织相容性好。这使得纯钛阀门在制药、生物工程、食品饮料（尤其高纯度要求）以及人体植入物相关的医疗设备制造等领域有应用。

超音速火焰喷涂HVOF（High Velocity Oxy-Fuel）是指利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室内或在特殊的喷嘴中燃烧，使其产生高温、高速（燃烧焰流速度达到5马赫（1500 m/s）以上）的工艺手段。HVOF工艺的涂层厚度可以达到350 μm~500 μm，加工后保留的涂层厚度≥150 μm。为防止外形不规则的零件喷涂后涂层开裂，在喷涂后需在温控箱中均匀缓慢冷却。采用HVOF工艺制备的Cr3C2-25NiCr和WC-25Co涂层均具有较好的耐腐蚀和耐磨性能，适用于钛合金阀门硬密封表面。

物理气相沉积PVD（Physical Vapor Deposition）是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程，将某些有特殊性能（强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使母体具有更好的性能。PVD的基本方法包括真空蒸发、溅射、离子镀，钛和钛合金常用的PVD涂层为DLC（Diamond-like Carbon）类金刚石膜和TiN（Titanium nitride，氮化钛）。

离子渗氮是钛和钛合金最常用的表面处理工艺之一，离子氮化可使纯钛材料的表面硬度提高6~8倍，可使钛合金材料的硬度提高4倍。钛和钛合金的离子渗氮工艺温度通常在850 ℃以上，此时零件易产生变形，且离子渗氮后工件的表面粗糙度降低。当阀门密封件采用离子渗氮时，为避免上述问题，需制作特殊的工装以限制或减少零件的变形，从而保证离子渗氮后零件的变形不会影响阀门的密封性能。

虽然钛材在空气中自然产生的氧化膜具有一定的抗腐蚀性，但其耐磨、硬度、厚度等方面的综合性能并没有达到阀门的实际应用需求，因此需要对其进行表面氧化改性。最常用的氧化处理工艺是阳极氧化和微弧氧化。阳极氧化是在相应的电解溶液中和特定的工艺条件下施加外加电流，而在钛及钛合金表面上形成一层氧化膜的过程被称为电化学氧化，该过程可显著提高工件的耐磨和耐蚀性能，绝缘性能较好。微弧氧化是指把基材放在电解质溶液中，利用微弧放电在金属表面原位生长氧化膜的技术，又称微等离子体氧化；其优点在于氧化处理后的工件表面不仅具有良好的韧性、耐腐蚀、耐磨特性，还具有部分陶瓷材料的功能特性，如磁电屏蔽能力、生物医学性能及良好的绝缘性。

钛和钛合金阀门主要是利用钛金属材料具有的优异抗海水和液态介质腐蚀能力。由于其高性价比能抵抗多种腐蚀介质的侵蚀，在民用耐腐蚀工业输送管线中可解决不锈钢、铜或合金钢阀门难以解决的腐蚀问题，具有安全、可靠，使用寿命长等优点，广泛应用于氯碱工业、纯碱工业、制药工业、化肥工业、精细化工业、纺织纤维合成和漂染工业、基本有机酸和无机盐生产，以及硝酸工业等。虽然钛阀在化工领域应用广泛，但必须注意其并非适于任何化学介质。例如，4种无机酸（氢氟酸、盐酸、硫酸和正磷酸）、4种热浓有机酸（草酸、甲酸、三氯乙酸和三氟乙酸）和腐蚀性极强的氯化铝均会对钛及钛合金产生严重的腐蚀作用，因此钛阀不适用于此类化工介质，使用中应格外注意。

钛和钛合金阀门凭借其卓越的性能和可靠性，在深海油气开采这一极具挑战性的环境中展现出独特的优势。深海油气开采作为当代能源产业的前沿领域，其开采环境具有高压、低温、高盐腐蚀性等特点，对所使用的设备材料提出了极为严苛的要求，钛和钛合金阀门以其高强度、低密度、优良的耐腐蚀性和出色的耐低温性能，在这一环境中正发挥着重要作用。

在实际应用中，钛和钛合金阀门在深海油气开采中主要应用于以下几个方面：

1.油气输送管道系统

钛和钛合金阀门被广泛应用于深海油气输送管道系统，用于控制和调节油气的流量和压力。钛和钛合金阀门的优良耐腐蚀性和密封性能确保了油气输送的安全性和高效性。

2.海底生产平台

在海底生产平台，钛和钛合金阀门用于控制和调节各种设备和系统的流体流动。因其轻质高强和耐腐蚀性能，致使设备更加紧凑、可靠，从而降低了维护成本。

3.深海钻井设备

钛和钛合金阀门还被应用于深海钻井设备中，用于控制和调节钻井液的流动。钛和钛合金阀门优异的耐高温和耐腐蚀性能确保了钻井设备的稳定运行和钻井作业的安全。