钛合金及其在船舶领域的应用

钛合金及其在船舶领域的应用船舶121120617106金伟摘要:在海洋环境测验下,钛及钛合金有着非常广阔的前景,也是船舶建造工业合适的材料.钛合金应用,船舶建造工业领域钛合金研究的发展,以及其前景发展将在本论文中。关键词：钛，船舶，应用，前景。人类在陆地上活动发展至今，面临着人口剧增、资源枯竭、能源危机、环境恶化等基本问题。而海洋占地球面积的71%，蕴藏着丰富的矿藏和能源，因此海洋空间与资源不仅是世界军事和经济竞争日益激烈的重要领域，而且将成为人类赖以生存、社会藉以发展的战略空间和基地。大力开发海洋是人类的必然选择，海洋在21世纪及未来必将成为激烈的国际竞争场所。我国有18000km海岸线，有300万km2的专属管辖海域，资源丰富。因此开发海洋关系到国家经济、社会的发展，关系到国家主权和权益，是21世纪我国面临的重大课题。随着海洋意识的觉醒，我国也开始并不断重视海洋开发。十六大提出了“实施海洋开发”；十七大五中全会把发展海洋经济提高到国家战略的高度；十八大指出“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”，并将海洋作为未来陆、海、空、天四大战略空间的首位。船舶是人类认知海洋、开发海洋、利用海洋、维护海洋权益的基础装备与手段，船舶技术对世界市场的形成、国际贸易的增长、工业化的拓展、刺激科学技术（特别是军事技术）的发展，起到了重要的牵引作用。因此，我国要实现“建设海洋强国”的目的，增强控制海洋、维护海洋权益和疆土完整的综合制海能力及开发利用海洋空间的能力，必须大力发展先进船舶技术和材料。钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐蚀、无磁、透声、抗冲击等特性，尤其是在如海水、海洋那样的氯化物气氛中具有优异的耐蚀性。在船舶上应用可以减少舰船的维修成本和寿命周期成本，减轻船体的重量、增加有效载荷、提高舰船的可靠性和战术性，是船舶工业的理想材料。[1]1钛及钛合金作为造船材料的优点1.1质轻，比强度高比强度是指材料强度与密度的比值。比强度越大，以相同强度就能获得更小的结构重量，反之相同结构质量下就能获得更高的强度。根据需要，就可实现减重或减体积。如表1，在常用金属材料中，钛及钛合金具有最高的比强度，这对实现船舶工业具有重要的意义，如用钛制造的潜艇，不仅重量轻、航速高、攻击力强，而且可以潜入更大的深度。钛制潜艇，可潜入到4500m以下，这是钢制潜艇无法逾越的界限[2]1.2耐蚀性好钛在中性和氧化性气氛及众多恶劣环境中具有比其他常用金属材料高得多的耐腐蚀性，特别是对氯离子具有很强的抗腐蚀能力，在海水中具有完全耐腐蚀的能力。用钛制造军舰、轮船，不用涂漆，在海水中航行几年也不会生锈，能避免涂油漆等产生的维修费用和船舶自重，使用年限长。1.3无磁性钛不是铁磁体物质，在很强的磁场中也不会被磁化，因此钛制外壳的舰艇不易被对方磁探仪发现，可使装磁引信的水雷或鱼雷失效，可以避免磁性雷的攻击，具有很好的反监护作用，这在军事上特别重要。1.4优良的耐热和耐低温性能钛的耐热性和耐低温性能良好。目前的热强钛合金最高使用温度可达500℃～600℃，结构钛合金的使用温度也可达到300℃～400℃，同其它轻质材料如铝、镁合金比较，在300℃时，钛的强度要高1个数量级，而超过400℃，铝、镁合金已丧失工作能力，而钛合金却能继续保持足够的使用强度，具有明显的性能优势。钛的耐低温能力很突出，采用低间隙元素的钛合金可以耐-253℃的低温，在此温度下，合金强度比室温提高了1倍,而塑性则保持室温状态下的水平。由于钛及其合金具有的以上优良特性，使其成为海洋工程，尤其是海洋军事工程中的重要材料，在舰船领域大有潜力可为。钛管与其它冷凝器管材腐蚀性能的相对比较3腐蚀种类钛海军黄铜铝黄铜全面腐623冲蚀622孔蚀644应力腐蚀611Cl-1腐蚀635NH3浸蚀622注：数字表示相对耐腐蚀性，6为最优，1为最差。2船舶用钛的要求及部位2.1船舶用钛的要求由于使用环境和工况不同，船舶用钛的要求有：（1）良好的机械性能、中强、高韧、低周疲劳性能好；（2）良好的加工性能，可焊性好、成形性好、机加工性好；（3）良好的耐海水腐蚀性能；（4）注重利用钛合金的无磁性、透声性；（5）产品批量小、品种多、规格大，几乎含盖了钛合金的所有产品类型：铸件、锻件、板材、管材、棒材、丝材等。2.2船舶用钛的部位钛及其合金在舰船领域的主要应用有：耐压壳体、船体结构、管道、阀及配件、动力驱动装置、热交换器、冷却器/冷凝器、声呐导流罩等。船舶上用钛部位及采用的合金。[4]我国舰船用钛合金除了一般的工业合金TA5、TA7等外，还进行了专门的船用合金的研究。研制出了具有不同强度级别的近α型船用耐蚀钛合金，包括TA22(Ti-3Al-1Zr-1Mo-1Ni)、TA23(Ti-2．5Al-2Zr-1Fe)、TA24(Ti-3Al-2Mo-2Zr)和TA31(Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo)及近β型钛合金Ti-B19。TA22合金集中等强度、高的塑性、良好的易加工性和成型性、优异的耐蚀性、可焊性于一体，适于锻造、轧制、拉伸等加工，产品形式多样化，可加工成板材、棒材、管材、锻件、型材和丝材等形式，同时还具有良好的工艺性，在舰船、化工、海洋工程等领域获得较广泛的应用。TA23合金是我国研制旳声呐导流罩用的钛合金。该合金具有中等强度，高的塑性，良好的透声性能，冷、热成型性能优异，还具有很好的焊接性能。TA23钛合金生产的半成品有板材、棒材等。TA24为730MPa级的中强钛合金，其主要性能特点是比TA5高的使用强度和很好的工艺塑性。该合金还具有良好的焊接性能和耐腐蚀性能。TA24钛合金最适合制造形状复杂的板材冲压及焊接的零部件，在舰船行业已得了广泛应用。TA31是一种高强、可焊的α型钛合金，其拉伸性能、断裂韧性、应力腐蚀抗力和低周疲劳性能均优于Ti-6Al-4VELI。主要用于深潜器和舰船的耐压壳体，已进行工业性试验。Ti-B19合金是一种高强高韧耐蚀近β钛合金，具有较高的强度、良好塑性、较高的断裂韧性、可焊性及耐海水腐蚀、冲刷腐蚀和应力腐蚀等综合性能。该合金具有良好的加工性，可生产各种规格的棒、板、丝、饼等，并且焊接性能、工艺性能良好。[5]3世界各国船舶工业用钛概况钛合金用于舰船工业始于上世纪60年代，目前美国、俄罗斯、日本、中国、英国、法国和德国等国家均有广泛应用。3.1国外船舶用钛情况俄罗斯在船用钛合金的研究和实际应用方面是全世界最先进的，拥有专门的船用钛合金体系，已形成系列强度级别的船用钛合金产品。有船体用钛合金ПТ-1М，船机用ПТ-7М，动力装置用钛合金ОТ4-1В和ПТ-3В等，强度级别（σb）分别为490MPa、585MPa、700MPa、835MPa，各种规格材的生产工艺成熟。美国对舰船用钛合金也进行了大量的工程研究，成功地将钛用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器、弹簧以及消防设备。日本船用钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V（ELI）等，应用于民用渔船、深潜器的耐压壳体等。1981年开始的系列深海潜水调查船“深海2000”、“深海4000”、“深海6500”的外壳骨架、均压容器、配管等采用了钛合金，目的是为了增加下潜深度。3.2中国船舶用钛情况我国船用钛合金的研究与应用始于60年代，几乎与国外同步发展。几十年来，船用钛合金的研究及应用水平有了很大提高，已经形成了较完整的船用钛合金系列包括635MPa、685MPa、730MPa、785MPa强度级别的合金。“蛟龙号”深潜器的耐压壳体就是TC4钛合金。PVC,钛合金但与国外相比,我国船用钛合金的应用还有较大的差距：应用部位少、用量少，国外用钛达到13%，我国仅在一些零星部件上应用，比例不足1%。品种、规格不完善，我国之前钛材在专业化工厂生产，受装备能力限制，生产的品种、规格有限，“蛟龙号”所需的钛合金也只能从俄罗斯进口。加工与制造技术也相对落后。涉及到钛合金的材料规格有:铸件、锻件、板材、棒材、管材、丝材;涉及到的钛合金制备工艺有:铸造工艺、锻造工艺、焊接工艺、冷成型工艺、热成型工艺、热处理工艺、机械加工工艺、表面处理工艺、异种金属绝缘处理工艺等。4前景展望近年来，为了提高我国海军装备水平，国家对舰船领域的投资开始增加，许多新项目正在研制之中，比如潜艇、新型驱逐舰等，其用钛量潜力巨大。钛及其合金作为理想的舰船用材料，预计未来市场前景十分广阔，船舶制造业有望成为继航空航天领域之后钛的又一个较大的应用市场。参考文献:[1]王怀柳.钛及钛合金在船舶工业的应用现状及发展.特钢技术.第19卷总第77期,2013年第4期[2]黄晓艳、刘波、李雪.钛合金在舰船上的应用[J].南方金属，2005，（12）10[3]范丽颖、刘俊玲、安红.钛在海洋工程上的应用现状及前景展望[J].中国金属通报，2007，（39~40）：27[4]胡耀君.发展中的船用钛合金[J].钛工业进展，1998，（4）：1~5[5]李献军，王镐，马忠贤，胡志杰.钛在舰船领域的应用及前景.中国钛业.2013年第二期