鈦合金材料在艦艇中的應用及需求分析

1、引言

鈦及鈦合金是20世紀50年代發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)材料，具有強度高、密度小、耐腐蝕、無磁、焊接性能好等一系列優(yōu)點，尤其是其優(yōu)良的耐海水腐蝕性能和良好的綜合性能，使它成為理想的艦船結(jié)構(gòu)材料，被公認為海洋金屬。正是由于鈦及其合金具有以上諸多優(yōu)點，使得其在艦船、各類動力裝置、船舶機械、電子設(shè)備和武備等領(lǐng)域有廣泛應用。鈦合金最早應用于航空工業(yè)，并于20世紀60年代才應用于船舶行業(yè)，經(jīng)過近50年的發(fā)展已形成較完備的船用鈦合金產(chǎn)品及配套體系。

2、國外艦船用鈦合金材料技術(shù)發(fā)展及應用情況

俄羅斯、美國是最早從事艦船用鈦合金研究的國家。俄羅斯船用鈦合金的研究和實際應用水平居世界前列，擁有專門的船用鈦合金系列，形成490MPa、585MPa、686MPa、785MPa強度級別的船用鈦合金產(chǎn)品，研究開發(fā)的船用鈦合金牌號有：船體用鈦合金兀T_1M，船機用鈦合金ⅡT.7M，動力工程用鈦合金OT4-1B、40、5B、23a等。

幾十年來，俄羅斯在核潛艇、水面艦船、常規(guī)潛艇、航空母艦、深潛器中都大量采用了鈦材L3]，如圖1所示為前蘇聯(lián)1968年12月下水的K166號全鈦殼體核 潛艇。該艇應用了大量的鈦合金板材、管材、鍛件，潛艇的所有裝置全部是由鈦合金制造的。經(jīng)過近40年航行并承受不同的載荷和海洋環(huán)境變化，各種裝置及設(shè)備均未出現(xiàn)重大問題。

俄羅斯“阿爾法”級核潛艇耐壓殼體也是用鈦合金制造的，據(jù)稱下潛深度可達400ITI，水下航速42節(jié)，其鈦合金用量達3000t；俄“臺風”級戰(zhàn)略核潛艇鈦合金用量達9000t，首艇水下排水量為26500t，水下航速達27節(jié)。其反應堆一回路、二回路系統(tǒng)廣泛采用鈦合金材料，而且其反應堆支撐及殼體結(jié)構(gòu)、管路及附件、容器等全部采用鈦合金材料。反應堆系統(tǒng)重量輕，可實現(xiàn)彈性安裝，系統(tǒng)耐腐蝕性能好，一回路取消凈化系統(tǒng)，僅在艇大修、反應堆換料時，整體換水就可滿足運行水質(zhì)要求。俄羅斯同樣在深潛器上也大量使用了鈦合金。

俄羅斯除了在潛艇耐壓殼體結(jié)構(gòu)及設(shè)備上使用鈦合金，在其破冰船的核動力裝置中也大量使用了鈦及鈦合金，從各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，使用了全鈦合金核動力蒸汽發(fā)動機的艦船，其蒸汽發(fā)動機的壽命與艦船的服役期壽命是等同的。同時，針對鈦合金耐腐蝕的優(yōu)點，鈦合金管道、閥門、泵、熱交換器等也在艦艇設(shè)計中大量采用。

美國對船用鈦合金也進行了大量的工程研究，成功地將鈦用于各種動力的潛艇、水面艇、民用船，主要應用的鈦合金有：純鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3A1-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3A1-8V-6Cr-4MO-4Zr。在美國，鈦合金的應用范圍覆蓋了各類動力的潛艇、水面艦艇、民用船舶的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風扇葉片、推進器、彈簧以及消防設(shè)備等。通過前期開展的相關(guān)研究工作，美國海軍也計劃在CVN-78中部分采用鈦合金材料，并計劃在開工建造之前做好較低成本的Ti合金部件的技術(shù)準備工作。但目前存在的主要問題是部件制造成本較高以及船廠缺乏制造經(jīng)驗等，其設(shè)計部門正在開展鈦合金的焊接及其制造工藝(彎曲和成型)等關(guān)鍵技術(shù)研究工作。盡管鈦合金材料管系的前期投入比Cu-Ni合金材料管系高，但美國還是在LPD-17船的海水管系設(shè)計中選用了鈦合金管路及閥門，Avondale公司采用手工或自動GTAW(鎢極氬弧焊)方法來制造鈦合金材料管系，并使用特殊機械來完成管道接頭焊接，并在焊接過程中嚴格控制層間溫度；焊接時還嚴格控制所使用的填充金屬材料，并將填充金屬材料的端部時刻處于氬氣的良好保護之中，以避免空氣中雜質(zhì)的污染，同時采用超聲波硬度計來評定焊縫質(zhì)量等級。

3、國內(nèi)艦船用鈦合金材料技術(shù)發(fā)展及應用情況

我國船用鈦合金工業(yè)起步于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用鈦合金體系，目前已能生產(chǎn)板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等多種形式產(chǎn)品，能滿足一定強度級別的要求。主要船用鈦合金牌號有：純鈦、Ti31(635MPa級)、TA5(685MPa級)、Ti75(730MPa)、Ti-6Al-3Nb-1Mo合金(785MPa級)、rZTi60(590MPa級)、Ti80(780MPa級)。

在我國各型艦船工程中，利用鈦合金優(yōu)良耐海水腐蝕性能和良好的綜合性能，在采取傳統(tǒng)防腐措施無法達到理想防腐效果的系統(tǒng)中使用了鈦合金材料_7]。通過對鈦合金材料選型、工藝適應性設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等系統(tǒng)化研究，結(jié)合材料優(yōu)化、涂層保護、異種金屬絕緣及包敷處理等綜合防腐治理措施，有效地解決了部分系統(tǒng)腐蝕嚴重的問題，提高了該系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

近十年來，我國在深潛器用鈦合金、聲納導流罩用鈦合金等專用結(jié)構(gòu)及其合金的應用研究中，也取得較大的進步，一批噴水艇前后水翼上的首尾導流錐體已裝艇使用。某型艦新型鈦合金球鼻艏目前已研制成功并交付使用，新型高性能鈦合金球鼻艏具有強度高、剛性好、透聲性能優(yōu)異、內(nèi)部噪音低、質(zhì)量可靠、維修費用低等優(yōu)點，受到專家的高度 評價，填補了國內(nèi)高性能鈦合金球鼻艏研制的空白。同時，針對鈦合金透聲性能好的優(yōu)點，某型試驗船采用了舷側(cè)鈦合金透聲窗結(jié)構(gòu)，并成功解決了大型平面薄壁鈦合金結(jié)構(gòu)的焊接縱向收縮和平面扭曲失穩(wěn)變形、大面積鈦合金雙曲面成形、鈦、鋼連接部分的結(jié)構(gòu)水密性和電絕緣、焊接過程密封橡膠的隔熱等關(guān)鍵技術(shù)，圖2為該試驗船舷側(cè)陣鈦合金透聲窗外觀。

此外鈦合金也應用在深潛器魚雷發(fā)射裝置、鞭狀天線、一回路系統(tǒng)的排污及安全設(shè)備，潛望鏡部件及雷達天線支座，各類熱交換器、冷卻器、管系、泵、閥，聲學裝置中的聲納導流罩、聲掃雷具以及螺旋槳等部位均取得較好的效果。 

4、存在的不足及差距 

雖然我國船用鈦合金從強度級別到使用部位與國外有對應的合金，但品種、規(guī)格不夠完善，加工和制造技術(shù)與國外比相對落后。

我國常用的鈦及鈦合金板材與美國牌號的性能見表1。

就我國目前的鈦合金在艦船上的使用情況來看，使用范圍和目的都十分有限，對應的鈦材料設(shè)備也比較匱乏。使用鈦合金材料作為防腐蝕措施目前只是在腐蝕最為嚴重的部分系統(tǒng)得到推廣使用，并未成為總體防腐蝕設(shè)計的一種普遍使用措施，而國外該措施已成為艦艇防腐蝕設(shè)計的首選方案。鈦合金所具備的良好的無磁性、透聲性能也未得到充分的運用，鈦合金透聲窗、導流罩等技術(shù)還未在潛艇中得以推廣使用，而在國外鈦合金透聲窗、導流罩已作為成熟技術(shù)得到廣泛使用，從俄羅斯?jié)撏峡梢钥吹剑新暭{導流罩都采用鈦合金制造。與發(fā)達國家相比，鈦合金材料研究及應用的不足和差距主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)雖然我國的船用鈦合金從強度級別到使用部位與國外有對應的合金，但品種、規(guī)格不完善，加工和制造技術(shù)與國外比也相對落后，在設(shè)計中可供選擇的材料品種有限，目前大部分鈦合金材料都是針對航天、航空的需求而設(shè)計的，船用鈦合金材料大都是針對某些特定用途，如進排氣系統(tǒng)、透聲窗等部位而研制的，缺乏可供各專業(yè)選擇，全船通用 的鈦合金材料系列。

2)近年來我國鈦合金制造工藝有了較大的提高，但與國外發(fā)達國家相比還存在著一定的差距。國外發(fā)達國家已研制出針對潛艇空間狹窄、管路布置復雜、現(xiàn)場安裝工作量大這一情況的特殊鈦合金安裝、切割工藝，使鈦合金在潛艇全船海水管系得以廣泛使用，目前我國在這方面的研究還是一片空白。

3)鈦合金與非鈦合金之間的電絕緣工藝復雜，對鈦合金材料的推廣使用也有較大的制約。

4)適用于艦船鈦合金材料使用的標準、規(guī)范體系十分欠缺，尤其是鈦合金材料的管系附件、閥件、緊固件標準基本上還是一片空白，而這些標準是鈦合金材料在艦船上大規(guī)模使用所必不可少的。

5、未來鈦合金應用需求分析

隨著艦船設(shè)計及防腐蝕要求的進一步提高，鈦合金的應用需求將會越來越廣泛，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)由于全壽命期間費用低于目前采用的動力及管路系統(tǒng)用材料，鈦合金材料在動力及管路系統(tǒng)的大量應用將成為我國艦艇工業(yè)發(fā)展趨勢。通過開發(fā)特殊性能、高強度鈦合金材料并進行新工藝、新技術(shù)研究，擴大鈦合金在各種高溫、高壓、耐腐蝕管路及熱交換器、海水淡化器、冷卻器、冷凝器等設(shè) 備的應用。

2)在艦艇部分海水管系采用鈦合金，籍此提高海水系統(tǒng)安全性，降低修理成本，減小對艦船服役時間的影響，從而明顯降低生命周期成本。

3)鈦合金材料對提高聲納導流罩的透聲能力、減小聲納導流罩的插入損失、降低聲納導流罩內(nèi)部的自噪聲，尤其是降低聲納導流罩內(nèi)部的自噪聲對提高聲納設(shè)備探測距離非常有利。聲納導流罩結(jié)構(gòu)選用的透聲材料和采取的結(jié)構(gòu)形式是影響導流罩聲學性能、力學性能、制造、安裝工藝等的主要因素。鈦合金材料無磁，耐腐蝕，透聲性能好，比 重小，比強度高；橡膠材料吸收能量效果好，能起到隔振降噪作用，同時又有良好的透聲性能。如利用橡膠和鈦合金材料組合制成聲納導流罩透聲殼板，就可以充分利用它們各自的優(yōu)點，在確保結(jié)構(gòu)強度的前提下，既可以減薄殼板厚度，改善聲納導流罩透聲性能，增加組合透聲殼板剛度，又可以降低聲納導流罩內(nèi)部自噪聲，使聲納導流罩的綜合技術(shù)性能得到大大提高。

4)全鈦合金船體也是艦艇船體結(jié)構(gòu)的一個重要發(fā)展方向，高速、超高速戰(zhàn)斗艦艇(地效應艦艇等)、掃雷艇的船體結(jié)構(gòu)均可以采用臺合金制造。

5)鈦合金運用于艦船防護結(jié)構(gòu)中也是鈦合金的一個應用發(fā)展方向。如美國西北大學開發(fā)出氮化鈦顆粒強化的BlastAlloy160，其抗拉強度達1100MPa，在低達一4O℃低溫下任能保持較好塑性，該多層桁架板材結(jié)構(gòu)能在關(guān)鍵部位起到一定的爆炸防護作用。

6、需開展的主要研究工作

通過與國外發(fā)達國家鈦合金材料及應用的先進技術(shù)的比較，結(jié)合目前鈦合金材料在艦艇上的使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，為滿足鈦合金的進一步擴大使用的發(fā)展需求，今后還需開展以下幾個方面的研究工作：

1)針對艦船使用要求，開發(fā)、研制船用鈦合金配套材料，并形成標準、系列，在不明顯降低其強度及韌性指標的情況下，通過改進配方、冶煉工藝、軋制工藝等，降低鈦及鈦合金成本，從而有助于鈦及鈦合金在艦船上的推廣應用；

2)開展大型模擬件(如鈦合金夾芯聲納導流罩)實驗驗證工作，開展船用鈦合金成型及結(jié)構(gòu)鈦合金可焊接性研究；研究鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算、工藝性能分析、壽命及失效模式分析以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測等相關(guān)技術(shù)，為裝備的制造、使用提供指導性文件；

3)開展針對艦船空問狹窄、管路布置復雜、現(xiàn)場安裝工作量大這一特殊要求的鈦合金安裝、切割工藝研究，開展大厚板以及配套焊材的新工藝、新技術(shù)研究，解決焊接等制造技術(shù)方面的問題并改進其性能及工藝，使其滿足艦船應用要求；

4)進行鈦合金電絕緣工藝研究，提高鈦合金電絕緣工藝性；

5)對于承受較大沖擊力的結(jié)構(gòu)部件及連接件，目前所能選用的鈦合金材料的表面硬度、抗沖擊能力還有一定的缺陷，建議在鈦合金表面處理方面進行進一步的深入研究；

6)建立、完善船用鈦合金材料的標準、規(guī)范體系，尤其是鈦合金材料的管系附件、閥件、緊固件的標準、規(guī)范，使船用鈦合金材料及相關(guān)的鈦合金通用件做到標準化、系列化；

7)針對鈦合金高比強度，開展全鈦合金高速、超高速戰(zhàn)斗艦艇(地效應艦艇等)設(shè)計、建造方法研究；針對鈦合金低磁性的特點，開展全鈦合金掃雷艇的設(shè)計、建造方法研究。

7、結(jié)語

實踐證明，鈦合金是一種經(jīng)過長期海情考驗、理想的艦船用材料，鈦合金材料的使用可以大大提高艦船的整體性能。我國鈦合金發(fā)展至今天，已初步形成了較完善的材料技術(shù)體系，但是與國外的差距還很大，體現(xiàn)在應用型號和應用范圍、用材量、鈦制品建造工藝等諸多方面，我國鈦合金在艦船制造業(yè)大量應用鈦合金還處于發(fā)展階段。隨著船舶行 業(yè)的發(fā)展和高性能低成本艦船鈦合金的研發(fā)，鈦合金材料的應用前景是十分光明的。

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