鈦被譽為僅次于鐵、鋁的“第三金屬”，具有密度低、比強度高、耐蝕性好等突出優(yōu)點，作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、化工、汽車、體育和生物醫(yī)學等各個領(lǐng)域[1][2] 。以核電領(lǐng)域為例，核電作為一種安全、高效、清潔能源，凝汽器、換熱器是核電站的重要設(shè)備之一，采用海水或者被污染水作為冷卻液會對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕和磨蝕，使設(shè)備發(fā)生泄露，危及電站安全運行。而鈦以其優(yōu)越的耐腐蝕性能、抗沖刷、高比強度、熱交換性等性能，現(xiàn)已成為核電用凝汽器、換熱器的理想材料[3] 。
1、國內(nèi)鈦板帶發(fā)展現(xiàn)狀
鈦及鈦合金經(jīng)加工后制成板、帶、箔、管、棒、絲、鍛件、鑄件及復合材料等產(chǎn)品類型，鈦板帶材是其中最為重要的產(chǎn)品形式，但鈦板帶材的加工工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧碳氮等雜質(zhì)，同時鈦板帶材的耐磨性差，生產(chǎn)工藝復雜。在2007年以前，國內(nèi)鈦板帶工業(yè)化生產(chǎn)處于空白狀態(tài)，鈦帶卷完全依賴進口，采購費用高、
周期長且質(zhì)量不穩(wěn)定，嚴重影響了鈦板帶及焊管下游應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，以湖南湘投金天科技集團為代表的國內(nèi)多家企業(yè)相繼軋制出熱軋鈦板帶和冷軋鈦板帶，熱軋、冷軋純鈦板帶的生產(chǎn)技術(shù)、板帶熱處理技術(shù)、軋制過程控制技術(shù)等方面取得了長足的進步。伴隨著國內(nèi)核電、PTA項目的建設(shè)加速及國產(chǎn)化需求，薄壁鈦焊管、化工及板換用鈦板的需求越來越旺盛，2020年我國鈦及鈦合金板帶材的產(chǎn)量占到當年鈦加工材總量59.2%，其中鈦帶卷的產(chǎn)量占據(jù)一半以上[4] 。對于核電冷凝器和熱交換器領(lǐng)域應(yīng)用，與采用塊式單張板比較采用鈦帶卷具有質(zhì)量穩(wěn)定性高，適合批量化連續(xù)生產(chǎn)、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短及成本降低等突出優(yōu)點，目前鈦帶卷產(chǎn)品已成為核電用焊管、板式換熱器的首選材料[5] 。
2、鈦及鈦合金板帶材標準分析
國內(nèi)鈦板帶標準經(jīng)歷了從無到有，并逐步發(fā)展，現(xiàn)已建成較為完善得鈦板帶標準體系。鈦板帶標準起步于上世紀70年代，于1970年頒布了鈦板YB762-70及鈦帶行業(yè)標準YB763-70，上世紀80年代初，為國家標準局發(fā)布起草國家標準計劃，并于1983年發(fā)布我國第一批板材國家標準GB 3621-83《鈦及鈦合金板材》和GB 3622-83《板帶材》。90年代初期，隨著鈦工業(yè)技術(shù)發(fā)展及民用領(lǐng)域鈦板帶產(chǎn)品需求，對標準體系進行了補充及完善，增加了專用鈦板標準GB/T 14845-1993《板式換熱器用鈦板》[6] 。進入21世紀，對國家標準進行了大規(guī)模修訂及體系完善，于2007年完成了GB/T 3621、GB/T14845標準修訂，并發(fā)布YS/T 658-2007《焊管用鈦帶》行業(yè)標準，2011年發(fā)布GB/T 26723-2011《冷軋
鈦帶卷》，2012年發(fā)布NB/T 20008.15-2012《壓水堆核電廠用其他材料 第15部分：3級板式熱交換器用鈦板》。
目前，我國鈦板帶采用標準包括國家標準（GB）、行業(yè)標準（主要是有色行業(yè)標準YS、能源行業(yè)標準NB）、美國（ASTM）及法國（RCC M）等，具體見表1。
表1 現(xiàn)行鈦板帶國家及行業(yè)標準
| 序號 | 編號 | 名稱 | 適用范圍 |
| 1 | GB/T 3621-2007 | 鈦及鈦合金板材 | 適用于各種用途的鈦及鈦合金板材 |
| 2 | GB/T 3622-2012 | 鈦及鈦合金帶、箔材 | 適用于各種用途的鈦及鈦合金帶材、箔材 |
| 3 | GB/T 26723-2011 | 冷軋鈦帶卷 | 各種用途的鈦帶卷 |
| 4 | GB/T 14845-2007 | 板式換熱器用鈦板 | 適用于冷（溫）沖壓制作的板式換熱器傳熱板用鈦板材 |
| 5 | YS/T 658-2007 | 焊管用鈦帶 | 適用于焊管用的鈦及鈦合金切邊帶材 |
| ６ | NB/T 20008.15-2012 | 壓水堆核電廠3級板式熱交換
器用鈦板 | 適用于壓水堆核電廠３級板式熱交換器用深沖成型的鈦板 |
| ７ | ASTM B265-2010 | 鈦及鈦合金帶材、薄板及厚板
標準規(guī)范 | 適用于退火態(tài)鈦及鈦合金帶材、薄板及厚板 |
| ８ | RRC-M M4401 | 壓水堆核電站，用于制造3級
熱交換器換熱器的鈦板 | 適用于壓水堆核電廠３級板式熱交換器鈦板 |
從應(yīng)用的適用范圍來看，GB/T 3621-2007、GB/T 26723-2011、GB/T 3622-2012 及ASTMB265-2010適用于各種用途，GB/T 14845-2007適用于板式換熱器傳熱板，YS/T 658-2007適用于鈦焊管，NB/T 20008.15-2012和RRC-M M4401均適用于壓水堆核電站板式換熱器。
核電領(lǐng)域主要采用TA1、TA2鈦板帶材，本文主要針對以上兩種牌號對現(xiàn)行鈦板帶標準的化學成分及力學性能進行分析見表2、表3。
表2 現(xiàn)行鈦板帶國家及行業(yè)標準化學成分分析
| 標準號 | 牌號 | 化學成分%(雜質(zhì)含量，不大于) |
| Ti | C | Fe | N | O | H | 其他元素 |
| 單一 | 總和 |
| GB/T 3621-2007 | TA1 | 余量 | 0.1 | 0.25 | 0.03 | 0.2 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| TA2 | 余量 | 0.1 | 0.3 | 0.05 | 0.25 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| GB/T 3622-2012 | TA1 | 余量 | 0.1 | 0.25 | 0.03 | 0.2 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| TA2 | 余量 | 0.1 | 0.3 | 0.05 | 0.25 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| ASTM B265-2010 | GR1 | 余量 | 0.08 | 0.2 | 0.03 | 0.18 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| GR2 | 余量 | 0.08 | 0.3 | 0.03 | 0.25 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| GB/T 26723-2011 | TA1 | 余量 | 0.1 | 0.25 | 0.03 | 0.2 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| TA2 | 余量 | 0.1 | 0.3 | 0.05 | 0.25 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| GB/T 14845-2007 | TA1 | 余量 | 0.05 | 0.15 | 0.03 | 0.10 | 0.012 | 0.1 | 0.4 |
| YS/T 658-2007 | TA1 | 余量 | 0.1 | 0.25 | 0.03 | 0.2 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| TA2 | 余量 | 0.1 | 0.3 | 0.05 | 0.25 | 0.015 | 0.1 | 0.4 |
| NB/T 20008.15-2012 | TA1 | 余量 | 0.05 | 0.06 | 0.03 | 0.1 | 0.013 | / | / |
| M4401 | GR1 | 余量 | 0.05 | 0.06 | 0.03 | 0.1 | 0.013 | / | / |
GB /T 3621-2007《鈦及鈦合金板材》中產(chǎn)品牌號化學成分參照GB/T 3620.1執(zhí)行，其中TA1、TA2的屈服強度采用了美國標準ASTM B265-2006指標，但抗拉強度和斷后伸長率均高于美國標準。
GB/T 14845-2007《板式換熱器用鈦板》，主要參考了美國ASTM B265-2006標準中的化學成分、力學性能和工藝性能等技術(shù)指標。標準中產(chǎn)品的抗拉強度及屈服強度均參照了美國標準，但因板換特殊用途，對板材的塑性要求非常高，因此對TA1牌號的雜質(zhì)元素含量要求更為嚴格，其延伸率大大高于ASTM B265-2006及GB/T 3621-2007。
GB/T 26723-2011《冷軋鈦帶卷》帶卷的化學成分參照GB/T 3620.1執(zhí)行，帶卷的抗拉強度、屈服強度、延伸率參考美國ASTM B265-2010及GB/T3622-2012標準執(zhí)行，但與美國標準相比，冷軋鈦帶卷的橫向、縱向力學性能需同時達到指標要求。
YS/T 658-2007《焊管用鈦帶》鈦帶的化學成分參照GB/T 3620.1執(zhí)行，抗拉強度、延伸率指標與美國ASTM B265-2010相同，屈服強度低于ASTMB265-2010及GB/T 26723-2011《冷軋鈦帶卷》標準要求。
NB/T 20008.15-2012《壓水堆核電廠用其他材料 第15部分：3級板式熱交換器用鈦板》標準完全參照法國RCC-M（2000版、2002版、2005版補遺）M4401《產(chǎn)品采購技術(shù)規(guī)范 用于制造３級熱交換器換熱器的鈦板》制定，板材抗拉強度、屈服強度高于GB /T 3621-2007《鈦及鈦合金板材》及GB/T 14845-2007《板式換熱器用鈦板》，延伸率低于
GB/T 14845-2007。但該標準鈦板的化學成分未注明C、Fe、O、N、H5種雜質(zhì)元素外的其他雜質(zhì)含量百分比。
對比表2中各標準的化學成分，可以發(fā)現(xiàn)GB/T3621-2007、GB/T 26723-2011、YS/T 658-2007及GB/T 3622-2012的化學成分范圍一致，且范圍最寬，ASTM B265-2010標準GR1中C、Fe及O元素和GR2中的C、N元素含量低于GB/T 3621-2007等標準要求，GB/T 14845-2007標準中C、Fe、O及H元素含量低于GB/T 3621-2007 及GB/T 14845-2007等標準要求，NB/T 20008.15-2012和M4401元素含量相同，其C、Fe、O及H元素含量是所有標準中含量最低的，控制最為嚴格，但標準中對于其他元素單一及總體含量比例控制沒有提出要求。
表3 現(xiàn)行鈦板帶國家及行業(yè)標準力學性能對比
| 標準號 | 牌號 | Rm/MPa | Rp0.2.MPa | A/% | 取樣 |
| GB/T 3621-2007 | TA1 | ≥240 | 140-310 | ≥30 | 橫向 |
| TA2 | ≥400 | 275-450 | ≥25 |
| GB/T 3622-2012 | TA1 | ≥240 | 140-310 | ≥24 | 橫向 |
| TA2 | ≥345 | 275-450 | ≥20 |
| ASTM B265-2010 | GR1 | ≥240 | 138-310 | ≥24 | / |
| GR2 | ≥345 | 275-450 | ≥20 | / |
| GB/T 26723-2011 | TA1 | ≥240 | 138-310 | ≥24 | 橫縱向 |
| TA2 | ≥345 | 275-450 | ≥20 |
| GB/T 14845-2007 | TA1 | ≥240 | ≥140 | ≥55 | 橫向 |
| YS/T 658-2007 | TA1 | ≥240 | 125-210 | ≥24 | 縱向 |
| TA2 | ≥350 | 230-350 | ≥20 |
| NB/T 20008.15-2012 | TA1 | 290-415 | 190-310 | ≥30 | 橫向 |
| M4401 | GR1 | 290-415 | 190-310 | ≥30 | 橫向 |
分析表3中各標準的力學性能，GB/T 14845-2007、GB/T 3621-2007、NB/T 20008.15-2012、M4401及GB/T 3622-2012試樣取樣方向為橫向，YS/T 658-2007試樣取樣方向為縱向，而GB/T 26723-2011試樣取樣方向為橫縱向，要求最為嚴格。GB/T 3621-2007、GB/T 26723-2011、GB/T 3622-2012 性能指標基本相同，YS/T 658-2007抗拉強度低于GB/T 3621-2007等標準要求，GB/T3621-2007與GB/T 3621-2007比較，伸長率提高5%，GR2屈服強度提高約50MPa。NB/T 20008.15-2012和M4401的屈服強度和抗拉強度區(qū)間最窄，GB/T 14845-2007對材料抗拉強度上限沒有提出要求，但伸長率最高達到55%。
同時為滿足我國各領(lǐng)域用鈦板帶需求，國內(nèi)先后圍繞軍工、醫(yī)用、高端消費品等領(lǐng)域制定了GJB944、GB/T13810、YS/T 795等多個國軍標、國標及行業(yè)標準見表4。目前核電鈦帶卷主要用于板式換熱器及鈦焊管，同時核電有壓水堆和氣冷堆等反應(yīng)堆型，現(xiàn)有標準只適用于壓水堆板式換熱器，缺乏專門的產(chǎn)品規(guī)范及標準。
表4 各領(lǐng)域鈦板帶標準
| 序號 | 標準號 | 標準名稱 | 適用范圍 |
| 1 | GJB 944-1990 | 潛艇用TA5-A鈦合金板 | 適用于潛艇的設(shè)備、裝置和系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)件用的板材 |
| 2 | GJB 2505A-2008 | 航空用鈦及鈦合金板材和帶材規(guī)范 | 熱軋或冷軋的鈦及鈦合金厚板、薄板和帶材 |
| 3 | GJB 6471-2008 | 航天航空用TB5 鈦合金板材規(guī)范 | 厚度為0.8 mm～3.2 mm的航天航空用TB5鈦合金板材 |
| 4 | GB/T 13810-2017 | 外科植入物用鈦及鈦合金加工材 | 適用于制造外科植入物用的鈦及鈦合金板、棒、絲材 |
| 5 | YS/T 795-2012 | 高爾夫球頭用鈦及鈦合金板材 | 適用于高爾夫球頭用鈦及鈦合金板材 |
3、結(jié)論
我國鈦產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從無到有，并不斷壯大，在體系建設(shè)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)進步等方面取得顯著成就，但在專業(yè)領(lǐng)域標準體系方面尚存在進一步提升空間。
（1）核電鈦帶卷已成為核電板式換熱器及焊管最為主要的產(chǎn)品供應(yīng)方式，但目前尚無核電帶卷標準。
（2）現(xiàn)有核電板式換熱器用鈦板仿照國外制定，化學成分和試樣取樣方向等內(nèi)容還需完善。
（3）應(yīng)結(jié)合核電等領(lǐng)域產(chǎn)品需求特點，編制符合我國核電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求的標準體系。
參考文獻
[1]鄧國珠.鈦冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010：1.
[2]莫畏，鄧國珠，羅方承. 鈦冶金(第2版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006：1.
[3]李明利，舒瀅，馮毅江，陳婷婷，祝建雯.我國鈦及鈦合金板帶材應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].鈦工業(yè)進展，2011（6）:14-17.
[4]賈翃，逯福生，郝斌.2020年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告[J].鈦工業(yè)進展,2021（4）:34-41.
[5]劉瑞霞，唐有根.鈦在能源材料中的應(yīng)用[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2007(3):41-45.
[6]張捷頻.我國鈦及鈦合金板帶材標準體系綜述[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2012（3）：69-73.
作者簡介
肖芬，本科，助理工程師，主要研究方向為鈦及鈦合金材料開發(fā)及標準化。
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