我國主要船用Ti31/Ti75/Ti80/Ti91/Ti70鈦合金的性能及應(yīng)用

1、前言

鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐海水腐蝕及海洋大氣腐蝕、無磁、透聲、抗沖擊震動(dòng)、可加工性好等綜合性能而成為理想的船用金屬結(jié)構(gòu)材料。鈦及鈦合金在艦船中的使用大大延長了設(shè)備的使用壽命，減輕了重量，減少了設(shè)備，提高了整體艦船的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能。

到目前為止，世界上只有俄羅斯、美國和中國進(jìn)行專門的船用鈦合金研究，并有自己的船用鈦合金體系。俄羅斯船用鈦合金的研究和實(shí)際應(yīng)用水平居世界前列，擁有490MPa、585MPa、686MPa、785MPa強(qiáng)度級(jí)別的系列船用鈦合金。為便于設(shè)計(jì)選材，俄羅斯把船用鈦合金按其在船舶上的用途分類，如船體用鈦合金IIT-1M，船舶機(jī)械用鈦合金IIT-7M、IIT-3、3M、37，船舶動(dòng)力工程用鈦合金40、IIT-3B、5B、37、23等。但這種分類對(duì)于設(shè)計(jì)選材也不方便，如船舶機(jī)械用鈦合金IIT-7M，多用于核動(dòng)力裝置一回路設(shè)備，動(dòng)力工程用的IIT-3B，也用于船舶球鼻艏。美國海軍于1950年開始注意到鈦及鈦合金用于艦船工業(yè)的可能性，1963年開始進(jìn)行大量的工程化研究，成功地將鈦用于各類動(dòng)力的航母、潛艇、水面艇、民用船。主要應(yīng)用的合金有：純鈦、Ｔi-０.３Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。鈦合金主要用于耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進(jìn)器和軸、彈簧、航母上的消防設(shè)備等。

中國船用鈦合金的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，幾十年來，船用鈦合金的研究及應(yīng)用水平有了很大提高，已形成較完整的船用鈦合金系列，能滿足不同船只和艦艇等對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別的要求并適用于其不同部位。我國船用鈦合金體系，屈服強(qiáng)度從320MPa～1100MPa，變化范圍大。屈服強(qiáng)度從320ＭPa～490MPa為低強(qiáng)鈦合金，主要有TA2、Ti31、ZTA5等；屈服強(qiáng)度從590MPa～785MPa為中強(qiáng)鈦合金，主要有TA5、ZTi60、Ti75、Ti80等；屈服強(qiáng)度在８800MPa以上為高強(qiáng)鈦合金，主要有TC4、TC11、Ti-B19等。本文針對(duì)我國創(chuàng)新研制的主要船用鈦合金Ti31、Ｔi75、Ti-B19、Ti90、Ti70、Ti80等做了簡要介紹，同時(shí)也簡要介紹了可能用于海洋工程的其他創(chuàng)新研制的鈦合金。

2、Ti31合金

鈦的熱中子吸收截面為56×10-28m2，大約是鋯的30倍、鉿的1/2。鈦合金的核性能也比較穩(wěn)定，在３～20×10-19慢中子流輻射下，布氏硬度、屈服強(qiáng)度略有增加，延伸率、電阻率略有下降，但沖擊韌性沒有改變，合金的密度及產(chǎn)品的尺寸形狀均無改變。這種穩(wěn)定的核性能及其他優(yōu)異性能使Ti31合金在核動(dòng)力裝置中的高溫高壓、常溫常壓部位使用。

Ti31合金是西北有色金屬研究院“七五”、“八五”期間自行設(shè)計(jì)研制的新型耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆Ti-Al-Zr-Mo-Ni系鈦合金，洛陽725所負(fù)責(zé)該合金的應(yīng)用研究。該合金集中了多種鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，與同等強(qiáng)度的其他鈦合金相比，具有高的塑韌性、中溫?zé)釓?qiáng)性、高溫持久性、良好的耐蝕性及可焊性；可采用常規(guī)鍛造、擠壓、軋制、冷成型等方法加工成各種板、棒、鍛件、管和餅等產(chǎn)品，合金可在300℃～400℃的高溫環(huán)境下使用。

Ti31合金性能如表１所示。合金板材、鍛件、管材典型的力學(xué)性能為：R_m>590MPa，R_p0.2>490MPa，Ａ>16%，Ｚ＞35%，ａｋ≥59J/cｍ２。Ti31強(qiáng)度約為純鈦的1.5倍，但工藝塑性與純鈦相當(dāng)，具有良好的彎曲、壓扁、擴(kuò)口性能。采用2d（ｄ：管子直徑）和2t（ｔ：管子壁厚）彎心，管材及板材彎曲可達(dá)180°；采用60°錐頭，管材擴(kuò)口量大于50%；最小壓扁板間距可達(dá)4.5t不出現(xiàn)裂紋。在反復(fù)塑性應(yīng)變中合金不發(fā)生循環(huán)軟化現(xiàn)象。耐海水腐蝕性能優(yōu)異：在榆林港天然海水全浸腐蝕速率為0mm/a，在180±5℃以下天然海水介質(zhì)中無縫隙腐蝕，動(dòng)海水腐蝕（流速為3m/s）腐蝕率為0mm/a，與船體鋼電偶腐蝕效果為1.25。焊接性能良好，焊接接頭Ｒｍ＞590MPa，ａｋ≥58.8J/cm2，焊接系數(shù)大于0.9。應(yīng)用的產(chǎn)品有板、棒、餅及管材和各種功能的機(jī)加件，如法蘭、異徑三通管、管座等，使用的環(huán)境有高溫氯化物、高溫海水、常溫高速海水，用該合金制造各類熱交換器、管路、泵體、閥門等，并取得了成功應(yīng)用。“九五”之后，開展了該合金的工業(yè)化生產(chǎn)。Ti31合金已成功用于余熱排出冷卻器，它是我國首臺(tái)全鈦合金焊接結(jié)構(gòu)管式換熱器，是一回路余熱排出系統(tǒng)的主要設(shè)備。

3、Ti75合金

Ti75合金是西北有色金屬研究院在“七五”、“八五”期間自行設(shè)計(jì)研制的中強(qiáng)耐高溫耐腐蝕抗氫脆Ti-Al-Zr-Mo系鈦合金，洛陽725所負(fù)責(zé)該合金的應(yīng)用研究。Ti75合金強(qiáng)度、塑韌性、耐蝕性、加工性能等綜合性能優(yōu)于TA5，它是動(dòng)力裝置設(shè)備、船舶焊接結(jié)構(gòu)件的重要材料。合金性能如表２所示。其板材、棒材、鍛件等的典型力學(xué)性能為：Ｒｍ＞730MPa，R_p0.2＞630MPa，Ａ＞13％，Ｚ＞25％，ＫＩＣ≥80MPa·ｍ1/2，ａｋ≥580kJ/m2，ＫISCC≥75MPa·ｍ1/2。Ti75合金耐海水腐蝕性優(yōu)異：海水浸泡腐蝕、縫隙腐蝕、動(dòng)海水腐蝕（流速為３m/s）腐蝕速率為０mm/a；與船體鋼電偶腐蝕效果為1.33。焊接性能：焊接系數(shù)大于０.９。TA5的２倍，并且具有比TA5合金優(yōu)異的冷、熱加工性、低的雜質(zhì)敏感性。該合金填補(bǔ)了國內(nèi)730MPa級(jí)船用鈦合金空白，達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前已能夠批量生產(chǎn)Ti75合金的板材、鈦棒材、管材、環(huán)材、鍛餅、絲材、鑄件以及寬厚

板和大環(huán)鍛件，也已試制成功Ti75合金外徑為φ650mm的無縫彎管和φ350mm的無縫直管等。

由Ti75合金制作的零部件已成功應(yīng)用于某工程的往復(fù)式鹽水泵、通海系統(tǒng)、海水四通、接管和舷側(cè)雙座雙球閥閥桿等，并且已有15個(gè)Ti75合金零件于1993年安裝到某艇上進(jìn)行裝艇使用，正常運(yùn)行至今。Ti75合金在艇上的成功應(yīng)用，開創(chuàng)了鈦合金在某潛艇二回路系統(tǒng)中實(shí)艇應(yīng)用的先例，綜合水平居20世紀(jì)90年代國際領(lǐng)先水平。目前，Ti75合金已被指定用于某工程，是我國主要的一種船用耐蝕鈦合金。Ti75合金也已用于制作我國永磁推進(jìn)電機(jī)所需的鈦合金轉(zhuǎn)子支架（直徑約3m，壁厚約100mm）。

4、Ti-B19合金

“九五”期間，西北有色金屬研究院設(shè)計(jì)、研制成功一種新型高強(qiáng)高韌耐蝕鈦合金——近β鈦合金Ti-B19，洛陽725所為該合金的應(yīng)用研究單位。

Ti-B19合金具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較高的斷裂韌性、可焊性及耐海水腐蝕、沖刷腐蝕和應(yīng)力腐蝕等綜合性能。該合金具有良好的加工性，可生產(chǎn)各種規(guī)格的棒、板、絲、餅等，并且焊接性能、工藝性能良好。“九五”期間完成高強(qiáng)鈦合金Ti-B19筒體的研制，并通過了壓力試驗(yàn)，其筒體尺寸為：φ450/φ215×2008mm，主要力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，它是我國當(dāng)前高強(qiáng)β鈦合金最大的鍛件。

Ti-B19合金在600℃、３3.5%NaCl溶液中無腐蝕發(fā)生，腐蝕率為0mm/a。在10m/s流速下，沖刷腐蝕率為2.9×10-4mm/a，具有良好的抗沖刷性能。

Ti-B19合金在３3.5％NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕斷裂韌性ＫISCC為６69MPa.m1/2，KISCC/KIC≥0.8。Ti-B19合金的典型力學(xué)性能如表３所示。

5、Ti91和Ti70合金

由于海水中聲波比光波、無線電波、電磁波的衰減小，人們將聲納作為探測和搜索的工具。一般將船舶聲納安裝在流線型聲納導(dǎo)流罩內(nèi)，其目的是減小艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水動(dòng)力噪音，保證水聲設(shè)備有效和正常工作，從而提高聲納的作用距離。聲納導(dǎo)流罩必須有良好的透聲性能，使水聲信號(hào)通過時(shí)只有很小的損耗和畸變。另外，聲納導(dǎo)流罩又是船體的一部分，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以經(jīng)受得住艦船航行時(shí)作用在它上面的流體壓力。制作導(dǎo)流罩的材料要求具有中等強(qiáng)度（R_m≥700Mpa）、良好的塑性（A≥20%）、冷成型性、易焊接、耐海水腐蝕、透聲等特點(diǎn)，并適合于各種冷成型產(chǎn)品的加工和生產(chǎn)。

聲納導(dǎo)流罩材料包括不銹鋼、玻璃鋼、橡膠、鈦合金等。我國現(xiàn)役海軍在役艦艇聲納導(dǎo)流罩所選用的殼板透聲材料基本有兩種：一種是不銹鋼，另一種是纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料———玻璃鋼。俄羅斯過去也選用玻璃鋼，但后來大多采用近α鈦合金IIT-3B，并取得了良好的效果。

我國于20世紀(jì)90年代開始研制聲納導(dǎo)流罩鈦合金。目前，我國有兩種聲納導(dǎo)流罩鈦合金：近α的Ti91和Ti70合金，合金分別屬于Ti-Al-Fe系和Ti-Al-Fe-Zr系。兩種合金均已軋制成４×900～1000×Lmm和６×900～1000×Lmm板材。

Ti91鈦合金是西北有色金屬研究院于1994年開始設(shè)計(jì)、研制的一種新型中強(qiáng)透聲近α型鈦合金。

眾所周知，純鈦和β鈦合金冷成型性良好，但純鈦的拉伸性能較低，而β鈦合金的合金元素則較多，需添加成本較高的中間合金，且加工成本也高于α鈦合金，使合金總體成本高。另外，β鈦合金的焊接性能不如α型鈦合金。因此兩種類型合金均不能滿足要求。由于β穩(wěn)定元素Fe的加入，使Ti91合金的加工性能得到改善，同時(shí)也為通過熱處理調(diào)整性能提供了有利條件。該合金具有中等強(qiáng)度、高的塑性、良好的透聲性能、冷成形性能、可焊性及耐海水腐蝕等性能的良好匹配，明顯優(yōu)于船用TA5鈦合金。

Ti91合金典型的性能如表４所示。關(guān)鍵力學(xué)性能達(dá)到R_m≥700Mpa，A≥20%；在60℃海水中浸泡，均勻腐蝕率≤0.001mm/a；冷成型性：R/t≤2.5。Ti91合金與其他鈦合金的強(qiáng)度、塑性、冷彎性等性能綜合比較，Ti91合金綜合性能明顯優(yōu)于等強(qiáng)度合金TC1和TA5。Ti91合金焊接接頭性能達(dá)到基材的0.9。合金聲學(xué)性能良好：1~4mm厚度板材的透聲系數(shù)大于96%。

Ti70合金是Ft-2.5Al-2Zr-1Fe系近α鈦合金。板材力學(xué)性能：m≥700Mpa，R_p0.2》600MPa，A>20%。耐海水腐蝕性：在60℃海水中浸泡均勻腐蝕率為0mm/a。焊接性能：R_m>630MPa，D=7a，冷彎角180°。與船體鋼電偶腐蝕效果為1.43。成功研制了Ti70透聲鈦合金實(shí)船鈦合金聲納導(dǎo)流罩，并已成功應(yīng)用于多條水面艦艇。

6、Ti80合金

Ti80合金是上海鋼研所于20世紀(jì)80年代研制的一種新型的Ti-6.0Al-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo系近α鈦合金，具有高強(qiáng)、高韌、可焊、耐蝕等綜合性能，主要用于深潛器和艦船的耐壓殼體。其配套焊絲為Ti531合金，成份為Ti-5Al-3Nb-0.5Mo。Ti80已進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，軋制出22×1000mm及48×2400×2700mm板材。Ti80合金的拉伸性能、斷裂韌性與Ti-6Al-4v ELI的對(duì)比如表５所示。合金采用焊接＋熱處理焊接工藝可使接頭性能達(dá)到焊接系數(shù)0.9，焊接性優(yōu)于Ti-6Al-4v ELI。Ti80合金主要用于大通徑壓力管道及承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件中，如法蘭、承壓結(jié)構(gòu)的耐壓殼體、耐高壓管路、緊固件、鑄件等，是目前較多使用的船用鈦合金之一。

7、其它有可能用于海洋工程的創(chuàng)新研制的鈦合金

7.1 中強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金TC4-DT

TC4-DT是針對(duì)航空長壽命結(jié)構(gòu)件研發(fā)的一種中強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，物理性能和力學(xué)性能與TC4 ELI一致，差異主要在于合金成分的控制、鍛造工藝及熱處理工藝。TC4 ELI是海洋工程用鈦合金的一種重要選擇，在美國艦船上已獲得成功應(yīng)用。中國研制的TC4-DT合金已在我國航空飛機(jī)上獲得成功應(yīng)用，也應(yīng)獲得海洋工程方面的應(yīng)用。表６為TC4-DT合金不同規(guī)格棒材的力學(xué)性能，不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定，一致性好。同時(shí)該合金具有良好的工藝性能和焊接性能。

TC4-DT由西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院在2005年研制成功，之后得到高度重視和快速發(fā)展。TC4-DT合金研制規(guī)模已由2005年的1t鑄錠擴(kuò)大到2009年的5t以上規(guī)模鑄錠，西部超導(dǎo)公司已成功批量生產(chǎn)出TC4-DT合金φ200～500mm棒材，也已試制成功φ600mm超大規(guī)格棒材。同時(shí)，西部鈦業(yè)公司也研制出TC4-DT合金40～100×2500×Lmm的厚板和1～10×1500×Lmm的薄板，合金板材的性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

7.2 高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金TC21

TC21合金是我國研制的第一個(gè)高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，由西北有色金屬研究院于2003年研制成功，北京航空材料研究院負(fù)責(zé)該合金的應(yīng)用研究。2005年以后得到高度重視和快速發(fā)展。TC21合金研制規(guī)模已由2005年的1t鑄錠擴(kuò)大到2009年的5t以上規(guī)模鑄錠，研制的合金棒材有φ20mm、φ90mm、φ130mm、φ180mm、φ300mm、φ500mm，目前西部超導(dǎo)公司已能批量生產(chǎn)TC21合金φ300mm以上大規(guī)格棒材。TC21合金棒材的典型性能如表７所示，合金不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定，一致性好。同時(shí)，也試制出TC21合金厚度為2mm和12mm的板材。

TC21合金已成功應(yīng)用于我國航空飛機(jī)，在海洋工程方面可用于要求屈服強(qiáng)度為100MPa的承力結(jié)構(gòu)件，該合金在具有高強(qiáng)度、高韌性同時(shí)，還具有良好的焊接性能。

7.3 超高強(qiáng)鈦合金Ti-1300

Ti-1300是西北有色金屬研究院在2005年研制成功的一種1350MPa級(jí)別的新型超高強(qiáng)鈦合金。合金研制的規(guī)模已達(dá)到1000Kg鑄錠，研制的棒材規(guī)格已由φ20mm擴(kuò)大至φ200mm。棒材的典型性能見表８，不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定。該合金制造的零部件已在航空、航天等部門獲得應(yīng)用，在海洋工程方面，Ti-1300可用于要求屈服強(qiáng)度為1200MPa的鈦合金承力結(jié)構(gòu)件。

7.4 CT20低溫鈦合金

西北有色金屬研究院根據(jù)航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的需求，自主開發(fā)了一種Ti-Al-Mo-Zr系近α型中強(qiáng)低溫CT20鈦合金。表９為CT20合金室溫和20K下的力學(xué)性能，該合金具有優(yōu)良的超低溫物理性能，減少了熱量傳遞，改善熱漏，替代鋼制管路后可減輕1/3重量。CT20合金制造的液氫管路用彎管、接管嘴、連接法蘭等零部件，已被組裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試車試驗(yàn)并獲得成功，獲得了實(shí)際應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)管路重量減輕約1/3，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。該合金同時(shí)具有良好的工藝性能和焊接性能。西北有色金屬研究院先后生產(chǎn)了CT20鈦合金管材、棒材、絲材幾十噸，并且制造出了CT20鈦合金螺旋彎管、異徑三通和直角三通等復(fù)雜產(chǎn)品，增加了該合金產(chǎn)品的品種。CT20鈦合金在海洋工程方面應(yīng)有較好的應(yīng)用前景。

7.5 定量設(shè)計(jì)的超高強(qiáng)鈦合金

以往，鈦合金成分設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)方法、Al當(dāng)量、Mo當(dāng)量及電子濃度理論進(jìn)行定性設(shè)計(jì)。近幾年在發(fā)明鈦合金定量設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩個(gè)不同強(qiáng)度級(jí)別要求的目標(biāo)Al-V、Al-Sn等中間合金及原子能級(jí)Zr、高純電解Cr，F(xiàn)e等，采用真空自耗電弧熔煉方法，制備了25kg鑄錠。經(jīng)鑄錠開坯鍛造及棒材軋制后得到φ22mm的棒材，熱處理后測試了合金的室溫力學(xué)性能。性能測試結(jié)果如表10所示，可以看出，設(shè)計(jì)合金的強(qiáng)度準(zhǔn)確度超過98%，延伸率準(zhǔn)確度超過93%。這說明兩種新合金（Ti-1500、Ti-1600）的合金成分定量設(shè)計(jì)是成功的。

在海洋工程領(lǐng)域，新合金可用于要求屈服強(qiáng)度1300MPa的承力結(jié)構(gòu)件。

8、結(jié)語

艦船用鈦合金是我國鈦合金研究開發(fā)的重要方向之一。經(jīng)過近50年的努力，創(chuàng)新研制的船用鈦合金和仿制的船用鈦合金已形成我國船用鈦合金體系，利用我國鈦合金工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備，可以生產(chǎn)出鈦合金板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等產(chǎn)品，通過研究合金的物理、力學(xué)性能，為艦船及海洋工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造和使用提供了依據(jù)。創(chuàng)新研制的部分鈦合金在艦船上已裝艇使用，為擴(kuò)大鈦合金在海洋工程方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)可以推廣針對(duì)航空、航天等研制的鈦合金到艦船上應(yīng)用，為艦船應(yīng)用選材提供更寬廣的材料基礎(chǔ)。

節(jié)選自《中國材料進(jìn)展》