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鈦合金在艦船上的研究及應用進展

行業資訊 | 2019-07-02 45


鈦合金是以鈦元素為基材加入其他元素組成的合金,具有密度小、比強度大、耐腐蝕性好、耐熱耐低溫性好、無磁性、抗沖擊性好、焊接性能好等突出優點,廣泛應用于化工、航空航天、電力、體育休閑、船舶、海洋工程、醫藥、冶金等領域。在船舶和海洋工程領域,由于構件要經受嚴峻海洋環境的考驗,其制作船體構件的材料應具備良好的耐腐蝕性、耐熱耐低溫性和抗沖擊性,同時其焊接性能要好,而鈦合金材料在具備上述優點的同時,其密度小、比強度大的特點,也大大提升了裝備的性能。

鈦合金在艦船上的應用提高了艦船在海洋環境中的服役壽命和裝備的性能。因此,鈦及鈦合金被譽為“未來金屬”、“第3種金屬”、“海洋金屬”等。由于鈦合金的優異性能及其在海洋工程和軍事領域中的重要應用,俄羅斯、美國、中國、法國、日本等多國均對鈦合金的研究開發給予高度重視。

01

艦船用鈦合金的研究進展

艦船用鈦合金的研究主要集中在俄羅斯、美國、中國等國,經過幾十年的研究開發,都形成了適應本國發展需求和特色的船用鈦合金體系。

1.俄羅斯

俄羅斯是世界上最早開始研究艦船用鈦合金的國家,并具有長期的鈦合金實踐經驗。經過多年的積累,俄羅斯已經研制出490MPa、585MPa、686MPa、785MPa等多強度級別的船用鈦合金,如鈦(Ti)-0.3鉬(Mo)-0.8鎳(Ni)、Ti-3鋁(Al)-2.5釩(V)、Ti-6Al-2鈮(Nb)-1鉭(Ta)-0.8Mo等。俄羅斯主要的船用鈦合金牌號有PT-3V、40、17,PT-7M、PT-1M、3M、5V,TL-3、TL-5、PT-7MW等。不同類別的鈦合金有不同的應用形式,如PT-3V應用于焊接件,而PT-7M則主要應用于管路。多年的研發實踐讓俄羅斯在艦船用鈦合金的研究和應用領域處于全球領先地位。

俄羅斯的船用鈦合金體系是按照鈦合金在艦船上的用途進行構建,主要分為船體用鈦合金、船舶機械用鈦合金、船舶動力工程用鈦合金等。如上述提到的PT-1M屬于船體用鈦合金,3M屬于船舶機械用鈦合金,鈦合金40屬于船舶動力工程用鈦合金。但是該分類方法也存在一定問題,一種鈦合金可能應用于多個分類下的產品,存在交叉應用。

2.美國

美國艦船用鈦合金是在航空航天用鈦合金的基礎上開始的。1950年,美國海軍開始意識到可以將鈦及鈦合金材料應用于艦船,并開始進行嘗試研究,選取適用于海洋環境的鈦合金。1963年,美國對鈦及鈦合金材料應用于船舶進行大規模的研發,并取得了成功,如在美國“阿爾文”號深潛器的殼體制備中就運用了鈦合金材料,將下潛深度由原來的1868m提高到3658m。

目前,美國主要應用的鈦合金包括純鈦、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo等。美國將常用的鈦合金按照ASTMB265的等級進行劃分,包括Gr.1、Gr.2、Gr.3、Gr.5、Gr.9、Gr.12、Gr.20、Gr.32。Gr.1、Gr.2、Gr.3成分為工業純鈦1、2、3級,Gr.5成分為Ti-6Al-4V,Gr.9成分為Ti-3Al-2.5V,Gr.12成分為Ti-0.3Mo-0.8Ni,Gr.20成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo,Gr.32成分為Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si。不同等級的鈦及鈦合金的性能不同。純鈦制備成本比較低,但是強度沒有鈦合金高。鈦合金常用于制備艦船的結構件、緊固件、管線、泵、閥等。Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si具有良好的斷裂韌性和抗應力腐蝕性能,其可焊接性、抗沖擊性等性能都優于其他等級的鈦合金,常被用于制備結構件和緊固件。

3.中國

20世界60年代,中國開始進行船用鈦合金的研制工作。經過幾十年的發展,我國的鈦合金研發和應用水平有了很大的提升,可滿足建造艦船時不同部位和不同強度級別的要求,能批量生產板、中厚板、鍛件、管、各種絲、環材鑄件等不同形式的產品。我國在從事船用鈦合金自主研發方面具有代表性的機構分別是西北有色金屬研究院、上海鋼鐵研究所和寶雞鈦業股份有限公司。西北有色金屬研究院的研發成果有Ti-硼(B)19,合金成分為Ti-V-鉻(Cr)-Mo-鋯(Zr)-Al;Ti75合金,成分為Ti-3Al-2Mo-2Zr;Ti91合金,成分為Ti-Al-鐵(Fe)。上海鋼鐵研究所以Ti80為代表,成分為Ti-6.0Al-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo,屈服強度達900MPa,是近α型高強鈦合金,耐腐蝕性強。寶雞鈦業股份有限公司具有代表性的鈦合金為Ti631,其成分為Ti-6Al-3Nb-1Mo,是785MPa級的船用鈦合金。

目前,我國已經形成了具有本國特色的船用鈦合金體系,屈服強度范圍廣,最高屈服強度達1150MPa。在我國的船用鈦合金體系中,按照屈服強度將合金分為低強鈦合金、中強鈦合金金和高強鈦合金。屈服強度低于590MPa為低強鈦合金,主要有TA2(320MPa級),Ti31(490MPa級),ZTA5(490MPa級),TA5A(590MPa級);屈服強度在590~725MPa之間的為中強鈦合金,主要有ZTi60(590MPa級),Ti70(590MPa級),Ti91(600MPa級),Ti75(630MPa級),ZTA7(725MPa級);屈服強度高于785MPa為高強鈦合金,主要有Ti80(785MPa級),ZTC4(800MPa級),TC4(825MPa級),TC11(900MPa級),TiB19(1150MPa級)。

02

鈦合金在艦船上的應用

鈦及鈦合金材料在艦船上的應用十分廣泛,除去船舶屬具與艙室設施以外的所有大的設備、零部件均可能使用到鈦及鈦合金材料,如電子信息系統、電力系統、輔助系統、船體結構件、推進系統等。國外鈦合金材料主要應用于船體結構材料,艦船泵、閥、管道及其他配件,動力驅動裝置,熱交換器、冷凝器、冷卻器、蒸發器,聲學裝置等;國內鈦合金材料則主要應用在深潛器,動力驅動裝置,艦載雷達、電子設備,緊固件等。

1.耐壓殼體

在艦船領域,主要應用鈦合金耐壓殼體的是深潛器和潛艇。鈦合金比強度大、耐腐蝕性好、無磁性等特點使其成為制造深海設備耐壓殼體的優質材料。

俄羅斯是最早在核潛艇上使用鈦合金耐壓殼體的國家,也是世界技術領先者。從20世紀60年代開始,俄羅斯(前蘇聯)制造了一系列的鈦合金潛艇。最開始,俄羅斯制造了661號鈦合金巡航導彈核潛艇,這是一個試驗艇。后來,俄羅斯相繼制造了7艘“阿爾法”級鈦合金潛艇,1艘“麥克”級潛艇,4艘“塞拉”級潛艇。這幾艘核潛艇都是攻擊型,其中“阿爾法”級鈦合金潛艇鈦合金使用量達3000t。俄羅斯制造的“臺風”級核潛艇是世界上最大體積和噸位的潛艇,其用鈦量達9000t。當前,俄羅斯最新一代的“北風之神”級核潛艇也使用的是鈦合金耐壓殼體。

鈦合金耐壓殼體的另一個重要應用是深潛器。“蛟龍”號載人潛水器是我國自主研制的載人潛水器,設計的最大下潛深度為7000多米。“蛟龍”號載人潛水器的耐壓殼體使用的是鈦合金材料。目前,世界上主要的大深度載人潛水器中,多數選用鈦合金材料作為耐壓殼體的制備材料。例如美國的Alvin號和NewAlvin號,中國的“蛟龍號”,法國的Nautile號,日本Shinkai6500號等大深度載人潛水器的殼體材料都是鈦合金[9]。鈦合金成為深潛器耐壓殼體的首選材料。

2.動力推進裝置

艦船的螺旋槳由于受海水和海洋氣候的影響,螺旋槳材料需要有較高的腐蝕疲勞強度和抗空蝕能力。與銅合金、鋼相比,鈦合金在腐蝕疲勞強度和抗空蝕能力方面具有優勢。此外,由于鈦合金的密度小,在制作同等規模的螺旋槳時,與其他常用材料相比,鈦合金螺旋槳的質量小。因此,使用鈦合金螺旋槳的艦船的驅動效率更高。結合鈦合金螺旋槳的高腐蝕疲勞強度和抗空蝕能力,其維護和保養會更容易,延長了螺旋槳的服役壽命。鈦合金是理想的艦船螺旋槳材料。

俄羅斯、英國等早在20世紀60年代就開始嘗試在艦船上使用鈦合金螺旋槳。如俄羅斯在其“阿爾法”級和“麥克”級等核潛艇中都使用了鈦合金螺旋槳。美國也已經在多艘艦船上使用鈦合金螺旋槳。例如,美國海軍在50t級的研究型獵潛艇使用的是直徑為812.8mm的,三葉片、可拆式、超空泡鈦合金螺旋槳。“阿希維爾”號高速炮艇使用的是四葉片變螺距鈦合金螺旋槳。美國大型軍用水翼艇“普蘭維尤”號利用的是由Ti-6Al-4V材料制造的直徑為1.52m的,四葉片、可拆式、超空泡鈦合金螺旋槳。我國也已經成功研制了多種鈦合金螺旋槳,并成功運用在多艘艦船上。例如,1972年研制成功Ti-5Al-2.5Sn和Ti-6Al-4V鈦合金水翼艇螺旋槳,到目前為止已經在多艘艦船上使用。多年的使用結果顯示,鈦合金螺旋槳的耐腐蝕性強,其使用壽命是傳統銅合金螺旋槳的3倍之多。

除艦船的螺旋槳外,鈦合金材料還應用在艦船的發動機上。如俄羅斯制造的原子動力破冰船使用了含鈦合金材料的蒸汽發動機。使用鈦合金動力推進裝置,能夠使艦船在航行時不受因切割地球磁力線而產生較大的感應電流的影響。此外,一些艦船的噴水推進裝置也使用了鈦合金材料,如美國SES-100A試驗艇和日本的“PT-10”號魚雷艇。他們的噴水推進裝置使用了工業純鈦和鈦合金鍛件,減輕了裝置的質量,提高了噴水推進裝置的效率。

3.泵、閥、管道和其他配件

俄羅斯對艦船管道系統運行的要求是結構材料應該保證在第一次進船塢修理前有8~9年的使用壽命,系統完全更換前的使用壽命不應少于15年。該要求能夠保障所有級別的船舶可以有效服役25~30年。而艦船在海上進行作業,因此艦船上的泵、閥、管道和其他配件面臨著嚴峻的海洋環境的考驗。

俄羅斯民用船舶的管道系統一般根據水流的速度而選用M3C銅管,MH-5-1銅合金管,而閥門、泵、熱交換器則使用銅合金。如果艦船的管道使用銅合金材料,其在第2年就有可能已經出現腐蝕破壞,難以滿足上述所提的使用要求。為了滿足使用要求,可能需要加厚管道的厚度,同時為保障水流速度,需要擴大管道的直徑。船舶的整體管道系統的重量和造價增加了。

然而,俄羅斯軍艦的泵、閥、管道等較多使用鈦合金材料。軍艦的服役時間較長,其使用實踐證明,鈦合金管道、閥門、泵、熱交換器等產品的抗海水腐蝕性強,具有較長的使用壽命。如果全部使用鈦材制造艦船取水系統時,可顯著延長系統壽命并提高使用可靠性。

美國海軍在艦船上使用鈦合金管道系統。與傳統的銅鎳合金管道相比,鈦合金抗腐蝕能力強,即使在高速流動的海水中(流速為13m/s的情況下),也不會被海水沖刷腐蝕,特別適用于工作介質為動海水、高流速、高壓的管路。因此,在保證同樣海水流量情況下,鈦合金的高抗腐蝕性允許管道設計得更薄,管道的直徑變小,其所占艦船的空間變小,布置的靈活性增強,維護成本也有所降低。此外,鈦合金的密度小,約為銅鎳合金的一半,其制造的管路質量小,從而使得用于輔助支撐管路的設備減少。艦船的負載變少,油耗降低。

4.聲學裝置

艦船上的聲學裝置也可使用鈦合金材料,如聲吶導流罩、水聲換能部件、傳聲器、電話零件等的制造。聲吶是艦船在水下進行目標探測的最有效設備。我國多使用不銹鋼和纖維增強的玻璃鋼,但是與鈦合金材料相比,其透聲性能和耐撞性能相對較弱。俄羅斯已經將鈦合金制聲吶導流罩應用于“庫爾斯克號”核潛艇、“明斯克”航母、“基輔”號航母等,實際聲吶探測效果較好。

03

結語

艦船是國家海軍力量的重要組成部分,為艦船制造選擇優異的材料十分關鍵。鈦合金材料擁有眾多優異的性能,可廣泛應用于艦船制造。世界上的軍事強國關于艦船用鈦合金的研發和應用已經經過幾十年的發展,在艦船殼體、動力推進裝置、管路、聲吶等方面擁有眾多的成功案例。當前,這些國家依舊將鈦合金視為具有戰略意義的新材料,重視鈦合金的研究和應用。未來將會出現更多種性能優異的鈦合金材料和成功的應用案例。(DOI:10.19599/j.issn.1008-892x.2018.12.003)



鈦合金是以鈦元素為基材加入其他元素組成的合金,具有密度小、比強度大、耐腐蝕性好、耐熱耐低溫性好、無磁性、抗沖擊性好、焊接性能好等突出優點,廣泛應用于化工、航空航天、電力、體育休閑、船舶、海洋工程、醫藥、冶金等領域。在船舶和海洋工程領域,由于構件要經受嚴峻海洋環境的考驗,其制作船體構件的材料應具備良好的耐腐蝕性、耐熱耐低溫性和抗沖擊性,同時其焊接性能要好,而鈦合金材料在具備上述優點的同時,其密度小、比強度大的特點,也大大提升了裝備的性能。

鈦合金在艦船上的應用提高了艦船在海洋環境中的服役壽命和裝備的性能。因此,鈦及鈦合金被譽為“未來金屬”、“第3種金屬”、“海洋金屬”等。由于鈦合金的優異性能及其在海洋工程和軍事領域中的重要應用,俄羅斯、美國、中國、法國、日本等多國均對鈦合金的研究開發給予高度重視。

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