我國艦船用Ti31/Ti75/Ti80/TC4鈦合金研究應用現(xiàn)狀

艦船是一種水上交通運輸工具，是一種復雜的水上工程建筑物，它能以一定的速度將其有效載荷從一個地方運送到另一個地方 [1] 。為了保證艦船的使用性和航行性，必須具有強固的船體結構和各種設備裝置、機械、儀器儀表、武備以適應各種需求 [2] 。艦船是海軍最重要的裝備，是海上運輸、戰(zhàn)斗的平臺，要求建造艦船的材料能耐海水、海洋大氣的腐蝕，比強度高，塑韌性及加工工藝適應性好 [3] 。艦船整體結構復雜，使用材料品種規(guī)格多、質量大。選擇性能優(yōu)異的材料制作艦船是構成海軍裝備完整性和先進性的基礎，艦 船裝備發(fā)展主體材料的性能直接影響海軍整個系統(tǒng)的運行、維護和安全。開發(fā)高性能的先進結構材料會增強艦船作戰(zhàn)能力和降低服役期的成本。鈦及其合金密度小、重量輕、比強度高、耐海水及海洋大氣腐蝕。

此外，它還具有無磁性、透聲、抗沖擊震動，可加工性好等特點，是一種優(yōu)秀的船舶結構材料 [4] 。鈦及其合金在船舶中的應用領域非常廣泛，如船體結構件，深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥及配件，動力驅動裝置中的推進器和推進器軸，熱交換器、冷凝器、冷卻器，艦船聲納導流罩、螺旋槳等 [5-7] 。

艦船領域用鈦在我國起步較晚，技術、裝備、應用等方面還存在一些問題，但經(jīng)過鈦科技工作者多年的研究及推廣應用，已經(jīng)形成了我國自主的艦船鈦合金體系，并已獲得了多方面的應用 [8～ 10] 。

本文介紹了鈦合金材料特性及艦船對材料的特殊要求；論述了我國艦船鈦合金體系、艦船鈦合金研制及應用現(xiàn)狀；分析了我國艦船鈦合金應用中存在的問題。

1、艦船對材料的要求和鈦及其合金的性能

艦船及其設備工作條件特殊：長期浸泡在海水和海洋大氣環(huán)境中；許多設備和構件（如高速螺旋槳、軸、舵、閥、海水泵、熱交換器、高溫排氣管等）易受腐蝕而不易保護；在使用中要求材料耐腐蝕性高、壽命長、安全可靠、大承載、少維修。艦船各系統(tǒng)裝置復雜，所用材料品種雜、規(guī)格多而大，所以艦船材料應具有耐蝕性、耐久性、牢固性、可靠性及穩(wěn)定性等多方面特殊的技術性能。

艦船在運行過程中需承受重力、浮力、搖蕩時的慣性力、風浪的沖擊力等各種外力作用，不允許產(chǎn)生較大的變形和破壞，因此船舶材料首先應具有匹配良好的力學性能：強度特別是屈服強度高的材料可減少船體和各結構件的斷面積，降低材料消耗，從而達到船體質量減輕、增加載重和提高航速的目的，具有較高屈服強度的材料對造船意義重大 [11] 。為了提高潛艇的潛水深度，有效防止反艦武器的攻擊，也需要提高材料的強度。另外，船體及各結構件形狀復雜，制造過程中材料要承受冷熱交替及彎曲成型，艦船在航行過程中不可避免會碰到局部受力的情況（如航行時經(jīng)常會遇到風暴等意外事件，使船舶遭受海浪等強烈的沖擊），為了保障其可靠性，要求材料必須具有良好的塑性。研究發(fā)現(xiàn)，船舶發(fā)生海損事故的重要原因是材料脆性斷裂引起的。因此材料要具有高的斷裂韌性、良好的沖擊韌性，才能確保艦船的技、戰(zhàn)術性能和航行的絕對安全。

其次艦船常年航行在波浪起伏的海洋中，長期反復受到交變應力的作用及海水和海洋大氣侵蝕，因此艦船材料不但要有優(yōu)異的耐腐蝕性能，而且還要有較高的耐疲勞強度，以免發(fā)生腐蝕及疲勞損壞。

艦船材料還要具有良好的戰(zhàn)術技術性能：如抗彈性、減震抗噪性、耐冷熱性、透聲性、無磁性、抗放射性、抗海生物生長和易于清除海生物（放射污染物）等。

現(xiàn)代造船中，無論是船體結構、動力裝置還是武器裝備的建造，均需要涉及機械加工、冷熱成型、彎曲、鍛造、鑄造和焊接成型等等制造手段，這就要求船舶材料還要具有良好的彎曲、成型、機加工、焊接等綜合加工工藝適應性能 [12-21] 。另外艦船用材品種規(guī)格多、質量要求高、且要求低成本，并要能保證大量供應，所以艦船材料還應經(jīng)濟、實用。

金屬鈦作為工程材料僅有 50 多年的歷史，但因為其具有無與倫比的特殊性能而迅速在各行各業(yè)得到了應用。鈦合金幾乎具有前述艦船材料所要求的全部特性，所以是船舶材料的理想選擇。

首先鈦具有特殊的物理性能：密度低，為 4.5g/cm 3 ，僅為鋼的 57%，屬輕金屬；熔點較高，達（1668±5）℃；熱導率和線膨脹系數(shù)均較低，熱導率僅為鐵的 1/4、銅的 1/7、但比不銹鋼和鎳基合金高 [22] ；無磁，即使在強磁場下也不會磁化；在 0.49 K 低溫時具有超導電性；抗核輻射性好，其輻射脆性很小，且可避免由輻射引起的有害二次輻射問題；高的透聲系數(shù)，達0.85 以上；優(yōu)異的抗沖擊性能，抗沖擊系數(shù)達 0.63 以上，是 B30 的 4 倍以上，是鎳基高溫合金的 2.5 倍以上；良好的抗彈性能：鈦盡管密度低，但彈性模量也低，僅為鋼的 1/2，而強度、韌性高，所以抗彈性能優(yōu)良。

其次，鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，是一種非常活潑且具有強烈鈍化傾向的金屬，平衡電位很低，在各種介質中熱力學很活潑，反應的熱力學趨勢大 [22] 。但因為鈦和氧的親和力很高，在空氣和含氧介質中表面能迅速形成一層致密、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了基體不被腐蝕，即使受到機械磨損，也會很快自愈或再生，致使其具有優(yōu)異的耐介質腐蝕性能，實踐已經(jīng)充分證明在海水及海洋大氣環(huán)境下，鈦材的耐腐蝕性能優(yōu)異。

第三，鈦合金具有匹配良好的力學性能，比強度高、塑性好，在–253℃～600℃范圍內(nèi)，它的比強度（抗拉強度/密度）在金屬材料中幾乎最高；沖擊韌性良好，在–60℃～20℃范圍內(nèi)，無明顯的脆性轉變點；斷裂韌性較高，斷裂韌性在80～110 MPa·m 1/2 之間，從比韌度（K I /R p0.2 ） 2 與（R p0.2 /ρ）的關系曲線可以看出，鈦的斷裂韌性最高，鋼次之，鋁合金最差；疲勞強度高，對于船舶大型焊接結構和殼體，產(chǎn)生高應力低周數(shù)破壞時的應力循環(huán)周數(shù)一般不超過10 5 周，而鈦材均在10 7周以上。表1是各種艦船用金屬材料的屈強比和比強度。從表1可以看出，幾種艦船材料中鈦材的屈強比和比強度最高，是未來艦船材料應用的發(fā)展方向 [23, 24] 。

2、艦船鈦合金體系與分析

鈦材作為一種優(yōu)秀的船舶材料，各國海軍及造船業(yè)對其十分重視，先后研制出了系列的船用鈦合金。

俄羅斯、美國和中國是最早專門從事艦船用鈦合金研究的國家，并各自形成了自己的船用鈦合金體系 [25, 26] ，日本鈦合金民用船只研發(fā)活躍，世界上第一艘鈦制漁船于 1998 年 10 月 12 日下水，船名為第二朝日丸 [27] 。

我國艦船鈦合金的研究開發(fā)最早開始于1962年。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，其研究、制造水平有了很大提高，現(xiàn)已形成了我國專用的船用鈦合金體系，已能批量生產(chǎn)板、管、鍛件、中厚板、各種環(huán)材、絲、鑄件等多種形式的產(chǎn)品，可滿足不同強度級別和不同部位的要求。表2是我國現(xiàn)已形成的專用艦船鈦合金體系、性能及已獲得的應用情況 [28-36] 。從表2可以看出，我國的艦船鈦合金體系已經(jīng)相當完整，已擁有了屈服強度在490 MPa以下的系列低強鈦合金、屈服強度在590～700 MPa的系列中強鈦合金及屈服強度在785 MPa以上的高強鈦合金系列。490 MPa以下的低強鈦合金系列主要用作非耐壓或要求壓力很低的管道、鑄件及冷成型件；中強鈦合金主要應用于各種耐壓系統(tǒng)鑄件、管路系統(tǒng)、壓力容器、透聲窗及聲納導流罩等；高強鈦合金系列主要用作高壓容器、深潛器耐壓殼體、各種結構件、彈簧、高強緊固件、彈射裝置等等。

俄羅斯船用鈦合金研究及實際應用水平居世界前列，擁有專門的船用鈦合金系列，如船體用鈦合金пт-1м；船機пт-7м；船舶動力裝置用鈦合金 40、пт-3B、5B 等 [37] ，形成了 490、585、686、785 MPa等強度級別的船用鈦合金產(chǎn)品。其應用范圍相當廣泛，如前蘇聯(lián)系列核動力破冰船“列寧”號、“北極”號、“俄羅斯”號、“蘇聯(lián)”號均使用的是鈦制蒸汽發(fā)生器，已安全使用 20～40 年無任何嚴重破損發(fā)生。

美國海軍1950年就開始注意到鈦材用于艦船工業(yè)的可能，1963年開始對船用鈦合金進行了大量的工程研究，成功地將鈦合金應用于各種動力潛艇、水面艇、民船，主要應用的鈦合金有：純鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V 、 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等 [37] 。

日本的船用鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，主要應用于深潛器的耐壓殼體及各種民用游船、漁船 [37] 。近年來制造的全鈦深海調(diào)查船可深入海底 6500 米，是世界上能夠潛入海底最深的船只。

表3是中、俄、美三國船用鈦合金的對照情況 [38, 39] 。可以看出,我國的艦船鈦合金體系完整，合金牌號多而雜，甚至同一強度級別出現(xiàn)多個不同合金、同一用途研制多個合金的情況。如：Ti31和TA16、TA17和TA18、Ti80和TC4、Ti70和Ti91等等。究其原因是我國不但仿制了俄羅斯和美國的系列鈦合金，還專門研究了我國專有的系列船用鈦合金，如Ti31、ZTi60、Ti70、Ti91、Ti75、Ti80、TiB19等。俄羅斯和美國的大部分船用合金是直接采用航空航天等領域已應用成熟的鈦合金，通過研究及改進后直接應用，對艦船特殊需要而專門研 究 的 鈦 合 金 很 少 ， 如 美 國 僅 研 究 了Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti38644(βc) 3 個專門船用鈦合金，俄羅斯僅研究了 TL3、TL5、3M、5B、BT31、23a 等專門船用鈦合金牌號。

3、我國艦船鈦合金的應用現(xiàn)狀

進入21世紀，特別是近 5 年以來，我國鈦合金在海軍裝備的應用得到了突飛猛進的發(fā)展。根據(jù)艦船總體設計所的設計要求，各材料的研究、生產(chǎn)單位通過自發(fā)的努力以及和中船重工專業(yè)材料研究所—725 所緊密合作，并結合艦船用鈦合金應用研究成果，解決了大口徑無縫管材、超大口徑小曲率半徑無縫彎頭、大尺寸寬厚板、大尺寸復雜型面鍛件等整體制備，板、管材的加工成型、復雜結構的焊接工藝技術難題，成功地開發(fā)出艦船鈦合金裝備并獲得了多項應用。

近十年來我國的深潛器用鈦合金、聲納導流罩等方面專用鈦合金結構制造已取得了較大進步：××型水翼艇噴水推進裝置前后水翼上的首尾導流椎體已裝艇使用；××型艦新型鈦合金球鼻舷已研制成功并交付使用；××型試驗船舷側透聲窗也采用了鈦合金結構。此外在深潛器魚雷發(fā)射裝置、鞭狀天線、一回路系統(tǒng)的排污及安全設備、潛望鏡部件，各類熱交換器、冷卻器、管系、泵、閥等部位鈦合金的應用均取得了較好的效果，研制的 NiTiNb 記憶合金管接頭已經(jīng)過工程應用考核。典型的鈦合金應用系統(tǒng)綜述如下：

①鈦合金余熱排出冷卻器 [40]

采用西北有色金屬研究院生產(chǎn)的中強、高韌 Ti31合金管、板及各種規(guī)格的鍛件，通過成型，組焊制備而成，圖 1 [41] 所示為用該鈦合金材料制造的一回路系統(tǒng)危急冷卻器。

②艦用燃氣機系統(tǒng)

為了適應發(fā)動機壓比（8.35~21），及出口溫度（230~500 ℃）提高，采用 TC11 鈦合金替代原結構鋼（35CrMoVA、40CrNiMoA 等）制造的低壓燃氣機第 0、1~8 級輪盤及高壓燃氣機 1~7 級輪盤，已通過某燃氣機輪機裝機試車考核，效果良好，現(xiàn)已獲得應用。

動葉片采用 TC11 鈦合金制造，對于要求長壽命、耐壓水平更高的高壓燃氣機第 8.9 級動葉片采用 BT8 鈦合金；底架采用 BT14 鈦合金，頰板采用 TC6 鈦合金，也已使用在某燃氣機輪機上。另外，采用 TC11 鈦合金還制造了堵板、噴油嘴、氣封弧段、法蘭等零件，采用 TC4 鈦合金制造了艦用傳動套柔性聯(lián)軸器的關鍵結構件。

③鈦合金聲掃雷具 [40]

鈦合金的高比強度、無磁、高電阻率及優(yōu)異耐海水腐蝕性能，使其成為很有吸引力的掃雷艇殼體材料和掃雷具結構材料。現(xiàn)已根據(jù)發(fā)聲器結構特點和使用性能要求，制備出了鈦合金聲掃雷具，見圖 2 [41] 示。

④鈦合金泵、閥及管系 [40, 42]

艦艇上的泵、閥及管材長期工作在海水中，工作條件惡劣，采用鈦合金代替原 1Cr12 不銹鋼制造，效果良好。現(xiàn)已制備出了多種鈦合金管系應用于通海系統(tǒng)及排煙系統(tǒng)，材料涉及 TA2、ZTi60、Ti31、Ti80 等。

圖 3 [42] 是鈦合金鹽水泵軸塞、閥座及四通管。

⑤鈦合金聲納導流罩 [40]

采用透聲性能好、可冷成型的 Ti70 鈦合金，攻克了雙曲成型、組焊等技術難題，成功地研制出了鈦合金聲納導流罩，并已應用于多條水面艦艇中。圖 4 [41]是鈦合金聲納導流罩模擬體。

⑥鈦合金通訊雷達天線、天線支座及雷達基座

為了解決雷達天線系統(tǒng)的海水腐蝕問題，采用鈦合金鑄件制造的雷達基座及天線支座，采用鈦合金高質量系列管材制的雷達天線，已成功地應用于海軍某艇，減輕了重量，解決了海水腐蝕問題，提高了技術性能。

⑦噴翼快艇噴水推進裝置

該裝置受海水的侵蝕及高流速海水的空泡剝蝕，腐蝕嚴重。為了解決腐蝕問題，我國自 1985 年開始研制噴水推進裝置，先后研制成功噴水推進泵體、葉輪、進水門、雜物清理裝置、進水室、格柵、托架、噴嘴、襯套、導流器、換向器等噴水推進整套裝置的鈦合金鑄件，每套重達 1t 左右，經(jīng)使用后徹底解決了海水腐蝕問題。該裝置已售至香港，應用在噴翼艇上，大大提高了使用性能及壽命，現(xiàn)已達到批量生產(chǎn)規(guī)模。

⑧鈦合金螺旋槳及緊固件等

鈦合金具有優(yōu)良的抗空泡剝蝕、縫隙腐蝕性能，是高速快艇螺旋槳及船用緊固件的理想材料。我國于1972 年開始研制水翼快艇螺旋槳，至今已可生產(chǎn)各類鈦合金螺旋槳，已應用 500 多只，最重的單支固定螺旋槳重達 130 多公斤。長期使用表明：鈦合金螺旋槳使用壽命超過原銅合金槳 5 倍以上，而重量僅為銅質的一半。

⑨電機轉子支架

鈦合金比強度高、磁化率低，是大型永磁推進電機轉子支架的理想材料。采用鈦合金制造永磁推進電機不但能減輕電機的重量、減少外圍輔助設備、延長使用壽命，而且因鈦合金是良好的非磁性材料，還能提高電機的工作效率。現(xiàn)已制備出了永磁推進電機轉子支架用的鈦合金環(huán)件，100 mm 厚板焊接工藝已成熟。

4、結 語

雖然我國艦船用鈦合金體系已經(jīng)形成，船用鈦合金的生產(chǎn)、船舶產(chǎn)品的建造工藝技術及批量應用時機已基本成熟，但因艦船用材對性能提出的要求互相沖突，我國船用鈦合金還沒有形成總體設計院所、材料研究及半成品制備院所及廠家、部件成型及應用性能研究單位、制造廠之間的有效協(xié)調(diào)合作機制，造成目前的應用水平還處于分散、零星的狀態(tài)。存在如下問題：

①鈦在艦船裝備中的設計準則、需用應力和安全系統(tǒng)分歧很大，沒有形成自己的規(guī)范，造成某些系統(tǒng)選材不夠合理；

②大規(guī)模應用的品種規(guī)格不夠配套齊全，鈦材產(chǎn)品制造費用偏高，大型船廠應用鈦材設備現(xiàn)場加工配套能力弱，設備加工制造周期、供貨周期偏長；

③材料標準、系統(tǒng)的加工制造標準比較缺乏；

④有些工況條件下對鈦材應用認識不夠深入，如腐蝕、海生物附著、鑄件性價比、大型管道的制備方式問題等等。

針對以上存在的問題，筆者認為：現(xiàn)有的船用鈦合金牌號已基本能滿足新型船舶的用鈦要求，重要的是要建立船用鈦合金的評價體系，促進這些材料在艦船上準確、高效地使用。因此應盡快組成一支由艦船設計、鈦合金材料研究、半成品生產(chǎn)及應用研究、艦船制造等相關單位參加的艦船鈦合金研發(fā)及應用專家組隊伍，該專家團隊將完全從艦船鈦合金實際應用出發(fā)，以實事求是的科學態(tài)度完善并形成一套固化、切實可行的我國艦船鈦合金標準及鈦合金材料上艇技術指標體系，以達到改善現(xiàn)艦船鈦合金眾說紛紜、讓設計單位無法選擇的局面，推動我國艦船鈦合金應用的快速發(fā)展。

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