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    我国现行钛合金板钛带执行标准体系概述

    发布时间 :2022-01-25 06:50:22 浏览次数 :

    钛被誉为仅次于铁、铝的“第三金属”,具有密度低、比强度高、耐蚀性好等突出优点,作为一种新兴的结构材料,广泛应用于航空、航天、舰船、化工、汽车、体育和生物医学等各个领域[1][2] 。以核电领域为例,核电作为一种安全、高效、清洁能源,凝汽器、换热器是核电站的重要设备之一,采用海水或者被污染水作为冷却液会对设备产生腐蚀和磨蚀,使设备发生泄露,危及电站安全运行。而钛以其优越的耐腐蚀性能、抗冲刷、高比强度、热交换性等性能,现已成为核电用凝汽器、换热器的理想材料[3] 。

    1、国内钛板钛带发展现状

    钛及钛合金经加工后制成板、带、箔、管、棒、丝、锻件、铸件及复合材料等产品类型,钛板带材是其中最为重要的产品形式,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,同时钛板带材的耐磨性差,生产工艺复杂。在2007年以前,国内钛板带工业化生产处于空白状态,钛带卷完全依赖进口,采购费用高、

    周期长且质量不稳定,严重影响了钛板带及焊管下游应用领域的发展。近年来,以湖南湘投金天科技集团为代表的国内多家企业相继轧制出热轧钛板带和冷轧钛板带,热轧、冷轧纯钛板带的生产技术、板带热处理技术、轧制过程控制技术等方面取得了长足的进步。伴随着国内核电、PTA项目的建设加速及国产化需求,薄壁钛焊管、化工及板换用钛板

    的需求越来越旺盛,2020年我国钛及钛合金板带材的产量占到当年钛加工材总量59.2%,其中钛带卷的产量占据一半以上[4] 。对于核电冷凝器和热交换器领域应用,与采用块式单张板比较采用钛带卷具有质量稳定性高,适合批量化连续生产、产品生产周期短及成本降低等突出优点,目前钛带卷产品已成为核电用焊管、板式换热器的首选材料[5] 。

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    2、钛及钛合金板带材标准分析

    国内钛板带标准经历了从无到有,并逐步发展,现已建成较为完善得钛板带标准体系。钛板带标准起步于上世纪70年代,于1970年颁布了钛板YB762-70及钛带行业标准YB763-70,上世纪80年代初,为国家标准局发布起草国家标准计划,并于1983年发布我国第一批板材国家标准GB 3621-83《钛及钛合金板材》和GB 3622-83《板带材》。90年代初期,随着钛工业技术发展及民用领域钛板带产品需求,对标准体系进行了补充及完善,增加了专用钛板标准GB/T 14845-1993《板式换热器用钛板》[6] 。进入21世纪,对国家标准进行了大规模修订及体系完善,于2007年完成了GB/T 3621、GB/T14845标准修订,并发布YS/T 658-2007《焊管用钛带》行业标准,2011年发布GB/T 26723-2011《冷轧 钛带卷》,2012年发布NB/T 20008.15-2012《压水堆核电厂用其他材料 第15部分:3级板式热交换器用钛板》。

    目前,我国钛板带采用标准包括国家标准(GB)、行业标准(主要是有色行业标准YS、能源行业标准NB)、美国(ASTM)及法国(RCC M)等,具体见表1。

    表1 现行钛板带国家及行业标准

    序号编号名称适用范围
    1GB/T  3621-2007钛及钛合金板材适用于各种用途的钛及钛合金板材
    2GB/T  3622-2012钛及钛合金带、箔材适用于各种用途的钛及钛合金带材、箔材
    3GB/T  26723-2011冷轧钛带卷各种用途的钛带卷
    4GB/T  14845-2007板式换热器用钛板适用于冷(温)冲压制作的板式换热器传热板用钛板材
    5YS/T 658-2007焊管用钛带适用于焊管用的钛及钛合金切边带材
    NB/T  20008.15-2012压水堆核电厂3级板式热交换  器用钛板适用于压水堆核电厂3级板式热交换器用深冲成型的钛板
    ASTM  B265-2010钛及钛合金带材、薄板及厚板标准规范适用于退火态钛及钛合金带材、薄板及厚板
    RRC-M  M4401压水堆核电站,用于制造3级  热交换器换热器的钛板适用于压水堆核电厂3级板式热交换器钛板

    从应用的适用范围来看,GB/T 3621-2007、GB/T 26723-2011、GB/T 3622-2012 及ASTMB265-2010适用于各种用途,GB/T 14845-2007适用于板式换热器传热板,YS/T 658-2007适用于钛焊管,NB/T 20008.15-2012和RRC-M M4401均适用于压水堆核电站板式换热器。

    核电领域主要采用TA1、TA2钛板带材,本文主要针对以上两种牌号对现行钛板带标准的化学成分及力学性能进行分析见表2、表3。

    表2 现行钛板带国家及行业标准化学成分分析

    标准号牌号化学成分%(杂质含量,不大于)
    TiCFeNOH其他元素
    单一总和
    GB/T 3621-2007TA1余量0.10.250.030.20.0150.10.4
    TA2余量0.10.30.050.250.0150.10.4
    GB/T 3622-2012TA1余量0.10.250.030.20.0150.10.4
    TA2余量0.10.30.050.250.0150.10.4
    ASTM B265-2010GR1余量0.080.20.030.180.0150.10.4
    GR2余量0.080.30.030.250.0150.10.4
    GB/T 26723-2011TA1余量0.10.250.030.20.0150.10.4
    TA2余量0.10.30.050.250.0150.10.4
    GB/T  14845-2007TA1余量0.050.150.030.100.0120.10.4
    YS/T 658-2007TA1余量0.10.250.030.20.0150.10.4
    TA2余量0.10.30.050.250.0150.10.4
    NB/T  20008.15-2012TA1余量0.050.060.030.10.013//
    M4401GR1余量0.050.060.030.10.013//

    GB /T 3621-2007《钛及钛合金板材》中产品牌号化学成分参照GB/T 3620.1执行,其中TA1、TA2的屈服强度采用了美国标准ASTM B265-2006指标,但抗拉强度和断后伸长率均高于美国标准。

    GB/T 14845-2007《板式换热器用钛板》,主要参考了美国ASTM B265-2006标准中的化学成分、力学性能和工艺性能等技术指标。标准中产品的抗拉强度及屈服强度均参照了美国标准,但因板换特殊用途,对板材的塑性要求非常高,因此对TA1牌号的杂质元素含量要求更为严格,其延伸率大大高于ASTM B265-2006及GB/T 3621-2007。

    GB/T 26723-2011《冷轧钛带卷》带卷的化学成分参照GB/T 3620.1执行,带卷的抗拉强度、屈服强度、延伸率参考美国ASTM B265-2010及GB/T3622-2012标准执行,但与美国标准相比,冷轧钛带卷的横向、纵向力学性能需同时达到指标要求。

    YS/T 658-2007《焊管用钛带》钛带的化学成分参照GB/T 3620.1执行,抗拉强度、延伸率指标与美国ASTM B265-2010相同,屈服强度低于ASTMB265-2010及GB/T 26723-2011《冷轧钛带卷》标准要求。

    NB/T 20008.15-2012《压水堆核电厂用其他材料 第15部分:3级板式热交换器用钛板》标准完全参照法国RCC-M(2000版、2002版、2005版补遗)M4401《产品采购技术规范 用于制造3级热交换器换热器的钛板》制定,板材抗拉强度、屈服强度高于GB /T 3621-2007《钛及钛合金板材》及GB/T 14845-2007《板式换热器用钛板》,延伸率低于

    GB/T 14845-2007。但该标准钛板的化学成分未注明C、Fe、O、N、H5种杂质元素外的其他杂质含量百分比。

    对比表2中各标准的化学成分,可以发现GB/T3621-2007、GB/T 26723-2011、YS/T 658-2007及GB/T 3622-2012的化学成分范围一致,且范围最宽,ASTM B265-2010标准GR1中C、Fe及O元素和GR2中的C、N元素含量低于GB/T 3621-2007等标准要求,GB/T 14845-2007标准中C、Fe、O及H元素含量低于GB/T 3621-2007 及GB/T 14845-2007等标准要求,NB/T 20008.15-2012和M4401元素含量相同,其C、Fe、O及H元素含量是所有标准中含量最低的,控制最为严格,但标准中对于其他元素单一及总体含量比例控制没有提出要求。

    表3 现行钛板带国家及行业标准力学性能对比

    标准号牌号Rm /MPaRp0. 2 /MPaA/%取样
    GB/T 3621-2007TA1≥240140-310≥30横向
    TA2≥400275-450≥25
    GB/T 3622-2012TA1≥240140-310≥24横向
    TA2≥345275-450≥20
    ASTM B265-2010GR1≥240138-310≥24/
    GR2≥345275-450≥20/
    GB/T 26723-2011TA1≥240138-310≥24横纵向
    TA2≥345275-450≥20
    GB/T  14845-2007TA1≥240≥140≥55横向
    YS/T 658-2007TA1≥240125-210≥24纵向
    TA2≥350230-350≥20
    NB/T  20008.15-2012TA1290-415190-310≥30横向
    M4401GR1290-415190-310≥30横向

    分析表3中各标准的力学性能,GB/T 14845-2007、GB/T 3621-2007、NB/T 20008.15-2012、M4401及GB/T 3622-2012试样取样方向为横向,YS/T 658-2007试样取样方向为纵向,而GB/T 26723-2011试样取样方向为横纵向,要求最为严格。GB/T 3621-2007、GB/T 26723-2011、GB/T 3622-2012 性能指标基本相同,YS/T 658-2007抗拉强度低于GB/T 3621-2007等标准要求,GB/T3621-2007与GB/T 3621-2007比较,伸长率提高5%,GR2屈服强度提高约50MPa。NB/T 20008.15-2012和M4401的屈服强度和抗拉强度区间最窄,GB/T 14845-2007对材料抗拉强度上限没有提出要求,但伸长率最高达到55%。

    同时为满足我国各领域用钛板带需求,国内先后围绕军工、医用、高端消费品等领域制定了GJB944、GB/T13810、YS/T 795等多个国军标、国标及行业标准见表4。目前核电钛带卷主要用于板式换热器及钛焊管,同时核电有压水堆和气冷堆等反应堆型,现有标准只适用于压水堆板式换热器,缺乏专门的产品规范及标准。

    表4 各领域钛板带标准

    序号标准号标准名称适用范围
    1GJB  944-1990潜艇用TA5-A钛合金板适用于潜艇的设备、装置和系统等结构件用的板材
    2GJB 2505A-2008航空用钛及钛合金板材和带材规范热轧或冷轧的钛及钛合金厚板、薄板和带材
    3GJB 6471-2008航天航空用TB5 钛合金板材规范厚度为0.8 mm~3.2  mm的航天航空用TB5钛合金板材
    4GB/T 13810-2017外科植入物用钛及钛合金加工材适用于制造外科植入物用的钛及钛合金板、棒、丝材
    5YS/T 795-2012高尔夫球头用钛及钛合金板材适用于高尔夫球头用钛及钛合金板材

    3、结论

    我国钛产业经历了从无到有,并不断壮大,在体系建设、产业规模、技术进步等方面取得显著成就,但在专业领域标准体系方面尚存在进一步提升空间。

    (1)核电钛带卷已成为核电板式换热器及焊管最为主要的产品供应方式,但目前尚无核电带卷标准。

    (2)现有核电板式换热器用钛板仿照国外制定,化学成分和试样取样方向等内容还需完善。

    (3)应结合核电等领域产品需求特点,编制符合我国核电产品结构和技术要求的标准体系。

    参考文献

    邓国珠.钛冶金[M].北京:冶金工业出版社,2010:1.莫畏,邓国珠,罗方承. 钛冶金(第2版)[M].北京:冶金工业出版社,2006:1.

    李明利,舒滢,冯毅江,陈婷婷,祝建雯.我国钛及钛合金板带材应用现状分析[J].钛工业进展,2011(6):14-17.

    贾翃,逯福生,郝斌.2020年中国钛工业发展报告[J].钛工业进展,2021(4):34-41.

    刘瑞霞,唐有根.钛在能源材料中的应用[J].稀有金属与硬质合金,2007(3):41-45.

    张捷频.我国钛及钛合金板带材标准体系综述[J].材料开发与应用,2012(3):69-73.

    作者简介

    肖芬,本科,助理工程师,主要研究方向为钛及钛合金材料开发及标准化。

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