Ứng dụng hợp kim titan trong ngành công nghiệp van

Hợp kim titan có nhiều ưu điểm như mật độ thấp, độ bền cao, khả năng chống ăn mòn, chịu được nhiệt độ cao và thấp, và có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như dầu khí, công nghiệp hóa chất, môi trường biển, y sinh học, hàng không vũ trụ, công nghiệp ô tô và đóng tàu. Hợp kim titan đúc được tạo ra bằng cách đúc hợp kim titan thành hình dạng mong muốn, trong đó hợp kim ZTC4 (Ti-6Al-4V) được sử dụng rộng rãi nhất, với hiệu suất quy trình ổn định, độ bền và độ dẻo dai chống gãy tốt (dưới 350 ℃).

Là bộ phận điều khiển chính trong nhiều môi trường đặc biệt và hệ thống vận chuyển đường ống chứa môi chất đặc biệt, van đã trở thành một bộ phận quan trọng của nhiều thiết bị trong sản xuất, và có thể nói rằng bất kỳ ngành công nghiệp nào cũng không thể thiếu van. Do yêu cầu về môi trường, nhiệt độ và môi chất khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau, việc lựa chọn vật liệu van là đặc biệt quan trọng và được đánh giá cao. Van làm từ hợp kim titan và hợp kim titan đúc có triển vọng rộng lớn trong lĩnh vực van nhờ khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, hiệu suất ở nhiệt độ cao và thấp, và độ bền cao.

Ứng dụng

- Hàng hải
Môi trường làm việc của hệ thống đường ống dẫn nước biển vô cùng khắc nghiệt, và hiệu suất của các van dùng trong môi trường biển ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và hiệu suất tổng thể của hệ thống đường ống. Ngay từ những năm 1960, Nga đã bắt đầu nghiên cứu hợp kim titan cho tàu thuyền và sau đó phát triển chúng để sử dụng trong môi trường biển. Hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong hệ thống đường ống của tàu quân sự, bao gồm van cầu, van một chiều và van bi, với nhiều chủng loại và ứng dụng đa dạng; đồng thời, van titan cũng được sử dụng trong hệ thống đường ống của tàu dân dụng. So với các hợp kim đồng, thép, v.v. được sử dụng trước đây, các thử nghiệm thoát nước sau đó cũng cho thấy việc sử dụng hợp kim titan đúc có độ tin cậy cao ở nhiều khía cạnh như độ bền cấu trúc và khả năng chống ăn mòn, và tuổi thọ đã được kéo dài đáng kể, từ 2-5 năm ban đầu lên hơn gấp đôi, điều này đã thu hút sự chú ý rộng rãi của mọi người. Van bướm lệch tâm ba chiều do Viện Nghiên cứu Đóng tàu 725 Trung Quốc tại Lạc Dương cung cấp cho một mẫu tàu nhất định là một sự thay đổi trong phương án lựa chọn vật liệu và thiết kế trước đây, sử dụng Ti80 và các vật liệu khác làm thân chính, kéo dài tuổi thọ của van lên hơn 25 năm, nâng cao độ tin cậy và tính thực tiễn của ứng dụng sản phẩm van, và lấp đầy khoảng trống công nghệ ở Trung Quốc.

- Hàng không vũ trụ
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, hợp kim titan đúc cũng thể hiện hiệu quả tốt nhờ khả năng chịu nhiệt và độ bền tuyệt vời. Cũng trong những năm 1960, hãng hàng không American Airlines đã lần đầu tiên thử nghiệm các sản phẩm đúc bằng titan. Sau một thời gian nghiên cứu, các sản phẩm đúc hợp kim titan đã được chính thức ứng dụng trong máy bay từ năm 1972 (Boeing 757, 767, và 777, v.v.). Không chỉ sử dụng một lượng lớn các cấu kiện đúc hợp kim titan có kết cấu tĩnh, mà chúng còn được sử dụng ở các vị trí quan trọng, chẳng hạn như điều khiển van trong các hệ thống đường ống quan trọng. Các loại van thường được sử dụng bao gồm van an toàn, van một chiều, v.v., giúp giảm chi phí sản xuất máy bay và tăng độ an toàn, độ tin cậy. Đồng thời, do mật độ và trọng lượng của hợp kim titan tương đối nhỏ so với các hợp kim khác, chỉ bằng khoảng 60% so với thép cùng độ bền, việc ứng dụng rộng rãi của nó có thể thúc đẩy ngành hàng không tiến dần theo hướng có độ bền cao và trọng lượng nhẹ. Hiện nay, van trong ngành hàng không vũ trụ chủ yếu được sử dụng trong nhiều hệ thống điều khiển như khí nén, thủy lực, nhiên liệu và bôi trơn, và phù hợp hơn với môi trường có khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ cao. Van là một trong những bộ phận quan trọng của các phương tiện hàng không vũ trụ, động cơ và các bộ phận khác. Van truyền thống thường cần được thay thế theo từng giai đoạn và thậm chí có thể không đáp ứng được nhu cầu. Đồng thời, với sự mở rộng nhanh chóng của thị trường van hàng không vũ trụ, van titan cũng đang chiếm thị phần ngày càng tăng nhờ hiệu suất vượt trội của chúng.

- Ngành công nghiệp hóa chất
Van hóa chất thường được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất cao, khả năng chống ăn mòn và chênh lệch áp suất lớn. Do đó, việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng đối với ứng dụng van trong ngành công nghiệp hóa chất. Ban đầu, chủ yếu sử dụng thép carbon, thép không gỉ và các vật liệu khác, nhưng sau khi sử dụng có thể xảy ra hiện tượng ăn mòn, cần phải thay thế và bảo trì. Với sự phát triển liên tục của công nghệ đúc hợp kim titan và hiệu suất vượt trội của nó dần được phát hiện, van titan cũng bắt đầu được chú ý. Lấy ví dụ đơn vị sản xuất axit terephthalic tinh khiết (PTA) trong ngành công nghiệp sợi hóa học, môi trường làm việc chủ yếu là axit axetic và axit hydrobromic, có tính ăn mòn mạnh. Cần sử dụng gần 8000 van, bao gồm van cầu và van bi, với nhiều loại và số lượng lớn. Do đó, van titan đã trở thành một lựa chọn tốt, giúp tăng độ tin cậy và an toàn khi sử dụng. Nói chung, do tính ăn mòn của urê, các van ở đầu ra và đầu vào của tháp tổng hợp urê có thể đáp ứng tuổi thọ 1 năm và đã đạt đến yêu cầu sử dụng. Các doanh nghiệp như Nhà máy phân bón Shanxi Lvliang, Nhà máy phân bón Shandong Tengzhou và Nhà máy phân bón Henan Lingbao đã thực hiện nhiều lần thử nghiệm và cuối cùng đã chọn van kiểm tra áp suất cao bằng titan H72WA-220ROO-50, H43WA-220ROO-50, 65, 80 và van chặn cách nhiệt BJ45WA-25R-100, 125, v.v. để nhập khẩu tháp tổng hợp urê, với tuổi thọ sử dụng hơn 2 năm, thể hiện khả năng chống ăn mòn tốt [9], giảm tần suất và chi phí thay thế van.

Việc ứng dụng hợp kim titan đúc trong thị trường van không chỉ giới hạn ở các ngành công nghiệp đã đề cập ở trên, mà còn có sự phát triển tốt ở các lĩnh vực khác. Ví dụ, hợp kim titan đúc mới Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si được phát triển tại Nhật Bản có nhiều ưu điểm như mật độ thấp, độ bền rão cao và khả năng chống mài mòn tốt. Khi được sử dụng trong van xả phía sau của động cơ ô tô, nó có thể cải thiện hiệu suất an toàn của động cơ và kéo dài tuổi thọ của động cơ.

- Các ngành công nghiệp khác
So với ứng dụng của hợp kim titan đúc trong ngành công nghiệp van, các ứng dụng khác của hợp kim titan đúc rộng rãi hơn. Titan và hợp kim titan có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, điều này rất quan trọng đối với các ngành công nghiệp có yêu cầu về môi trường ăn mòn như ngành công nghiệp hóa dầu. Trong các ngành công nghiệp này, nhiều thiết bị lớn cần sản xuất công nghiệp như bơm thể tích, bộ trao đổi nhiệt, máy nén và lò phản ứng sẽ sử dụng các sản phẩm đúc titan chống ăn mòn, có nhu cầu thị trường lớn nhất. Trong lĩnh vực y học, do titan được công nhận trên toàn cầu là kim loại an toàn, không độc hại và không chứa kim loại nặng, nên nhiều thiết bị hỗ trợ y tế, chân tay giả và các thiết bị khác được làm từ hợp kim titan đúc. Đặc biệt trong nha khoa, hầu hết các sản phẩm đúc nha khoa đã được thử nghiệm đều được làm từ titan nguyên chất công nghiệp và hợp kim Ti-6Al-4V, có khả năng tương thích sinh học, tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn tốt. Mặt khác, do ưu điểm về mật độ thấp và hiệu suất tốt của titan và hợp kim titan, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị thể thao như gậy golf, đầu bóng, vợt tennis, vợt cầu lông và dụng cụ câu cá. Các sản phẩm làm từ chúng có trọng lượng nhẹ, đảm bảo chất lượng và rất được ưa chuộng trong công chúng. Ví dụ, hợp kim titan mới SP-700 do Công ty Ống thép Nhật Bản (N104) phát triển được sử dụng làm vật liệu bề mặt cho đầu bóng golf dòng 300 của thương hiệu Taylor, sản phẩm bán chạy nhất trên thị trường golf toàn cầu. Từ cuối thế kỷ 20, hợp kim titan đúc đã dần được công nghiệp hóa và mở rộng quy mô trong các lĩnh vực như hóa dầu, hàng không vũ trụ, y sinh học, công nghiệp ô tô, thể thao và giải trí, từ giai đoạn thăm dò ban đầu đến việc thúc đẩy và phát triển mạnh mẽ hiện nay.