前言

艦船材料作為海洋環(huán)境下的結(jié)構(gòu)材料，必須具有良好的強(qiáng)度、韌性和耐海水、海洋大氣腐蝕能力。由于施工建造要求，必須具備良好的加工性和可焊接性。而鈦合金由于具有良好的耐海水腐蝕性能、高強(qiáng)度比和無(wú)磁性等性能，在船舶材料中具有較好的發(fā)展前景。但是鈦合金成本高、冶煉難度大，對(duì)鈦及其合金失效研究還不夠充分等問(wèn)題制約了鈦合金在艦船上的發(fā)展應(yīng)用。本文主要介紹鈦棒、鈦板、鈦鍛件等鈦合金的材料特性，國(guó)內(nèi)外鈦合金在艦艇中的應(yīng)用，分析我國(guó)船舶用鈦合金與國(guó)外的差距，并簡(jiǎn)要論述艦船鈦合金材料的應(yīng)用發(fā)展方向。

1、艦船用鈦合金材料特性

鈦合金，具有比強(qiáng)度高，耐蝕、耐高溫，透聲、無(wú)磁，抗彈性等優(yōu)良特性。根據(jù)使用部位不同，鈦及其合金可分為：艦船殼體用鈦合金、動(dòng)力工程用鈦合金和船機(jī)用鈦合金。按現(xiàn)有鈦合金性能特性可分為：可焊結(jié)構(gòu)鈦合金、高強(qiáng)度鈦合金、耐熱鈦合金、特型鑄造鈦合金、耐蝕鈦合金、冷成型鈦合金等。簡(jiǎn)要介紹一下鈦合金有關(guān)性能。

1.1鈦合金比強(qiáng)度高，望性好

鈦合金強(qiáng)度范圍變化很大，屈服強(qiáng)度從320MPa至1IOOMPa以上。表1為船體鋼與船用鈦合金強(qiáng)度、塑性比較：

表1幾種船體鋼、船用鈦合金的強(qiáng)度與塑性比較材料

可知，Ti75合金的比強(qiáng)度高于HY-130鋼，而塑性與其基本相當(dāng)。

1.2 鈦合金的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度高

沖擊韌性通常由測(cè)量材料在室溫到較低溫度(如-60℃)時(shí)的脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)及沖擊功來(lái)表征材料的沖擊韌性。現(xiàn)有艦船鈦合金，在室溫條件下，沖擊值均大于590KJ/m2在一60℃條件下，沖擊值大于390KJ/m2，隨著溫度的下降，并無(wú)明顯的脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

1.3耐海水腐蝕

鈦具有較高的活性，在海洋中易被氧化而形成薄而堅(jiān)固的氧化膜，具有良好的耐海水腐蝕效果。

1.4鈦合金其他物理特性

無(wú)磁性及抗核輻射。鈦及鈦合金無(wú)磁性，磁導(dǎo)率僅為3.2×10^-6厘米3/克。鈦的熱中子吸收截面為56×10^-28m2，在3~20×1019慢中子流輻射下，布氏硬度和屈服強(qiáng)度略有增加，延伸率、電阻率稍有下降，合金密度、幾何尺寸無(wú)變化。

抗沖擊震動(dòng)特性沖擊震動(dòng)包括高的加速度運(yùn)動(dòng)對(duì)設(shè)備的沖擊，外力突然施加與設(shè)備引起的沖擊等。

1.5鈦合金的缺點(diǎn)

1.5.1材料剛性較低，冷成型時(shí)材料回彈大，使設(shè)備制造難度大。

1.5.2焊接工藝要求高，由于鈦在400℃以上易氧化，焊接易產(chǎn)生氣孔及冷裂紋等缺陷。

2、鈦合金在船舶上的使用

鈦合金材料用于艦船上始于20世紀(jì)60年代。俄羅斯、鈦制耐壓殼體主要用在深海潛水器上。如制造美美國(guó)、日本及中國(guó)是最早開(kāi)展鈦合金在艦船上應(yīng)用研究的國(guó)家。

2.1深海潛水器

鈦制耐壓殼體主要用在深海潛水器上。如制造美國(guó)Aivin號(hào)、Sea-Cliff號(hào)深潛器的殼體； Ti-6Al-4VELI合金用于法國(guó)SM 97號(hào)、日本“深海2000”號(hào)、美國(guó)海軍深海救援艇(DSRV) 的殼體、浮力球等。我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的載人潛水器“蛟龍”號(hào)也由鈦合金制造。

2.2聲納導(dǎo)流罩[2]

鈦合金聲納導(dǎo)流罩綜合性能優(yōu)越，應(yīng)用于俄羅斯“庫(kù)爾斯克號(hào)”、“明斯克”、“基輔”等航空母艦。

2.3螺旋槳

鈦合金螺旋槳材料強(qiáng)度高，在海水中抗疲勞性能好、能耐沖刷和空泡腐蝕。美國(guó)海軍在水翼艇上使用直徑為1500mm、四葉可拆式鈦合金螺旋槳。

2.4艦船泵、閥及管系

由于溫度和濕度的影響，船舶上的泵、閥和管使用銅、不銹鋼制造管路，壽命只有2~5年；而鈦合金制造的各種泵等，使用壽命遠(yuǎn)超銅或不銹鋼制品。

經(jīng)過(guò)近50年的研究，我國(guó)也已獨(dú)立研制出Ti31、Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船用鈦合金。

3、制約鈦合金發(fā)展應(yīng)用的因素

3.1鈦合金材料成本高，制約了其在船舶上的應(yīng)用。船舶材料金屬用量大，種類多。首要的條件是成本問(wèn)題131只有降低鈦合金成本才能拓展鈦合金在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2鈦合金材料強(qiáng)度等級(jí)配套性有待提高。從表7可以看到， 我國(guó)鈦合金屈服強(qiáng)度從320MPa至590MPa間， 只有一個(gè)490MPa的鑄造合金和一個(gè)耐高溫海水縫隙腐蝕的特型合金，而俄羅斯在此強(qiáng)度內(nèi)有兩個(gè)強(qiáng)度為390MPa、490MPa變形合金和一個(gè)強(qiáng)度為400MPa的

鑄造鈦合金。在尺寸和重量上，我國(guó)也與其他國(guó)家有一定的差距。俄羅斯鈦材厚度達(dá)150mm，鑄造重量2.5噸，尺寸達(dá)2.5米。我國(guó)鑄件單件重量小于800公斤，尺寸厚度也較小。

4、我國(guó)船舶鈦合金材料應(yīng)用研究發(fā)展方向

開(kāi)展艦船低成本鈦合金優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備基礎(chǔ)技術(shù)研究；低成本海綿鈦、低成本合金成分的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)出高性能低成本的鈦合金材料[4]。進(jìn)行工程化系統(tǒng)研究，先進(jìn)的成形技術(shù)的應(yīng)用；中厚板與厚截面鍛件、鑄件的快速焊接成形及質(zhì)量控制技術(shù)等。

5、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了船舶鈦合金的性能特點(diǎn)及目前應(yīng)用情況，并結(jié)合我國(guó)鈦合金的制備、鑄造和工程化運(yùn)用提出相應(yīng)的看法。隨著鈦合金科技的發(fā)展進(jìn)步，在鈦合金冶煉技術(shù)、制造工藝和體系建設(shè)方面將會(huì)出現(xiàn)較大的飛躍，鈦合金材料將在船舶工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]艦船材料1973年3期 p30-35。

[2]稀有金屬材料加工手冊(cè)冶金工業(yè)出版社1994

[3]鄒武裝鈦手冊(cè)化學(xué)工業(yè)出版社2012

[4]中國(guó)冶金百科全書，冶金工業(yè)出版社，北京、2001

相關(guān)鏈接