鈦及鈦合金在美海軍艦船上的應(yīng)用

匡蒙生, 胡偉民, 郭愛紅, 吳始棟, 蔣 鵬

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鈦及鈦合金在美海軍艦船上的應(yīng)用

匡蒙生, 胡偉民, 郭愛紅, 吳始棟, 蔣 鵬

(洛陽船舶材料研究所, 河南 洛陽, 471003)

闡明了鈦及鈦合金在海洋環(huán)境中具有的優(yōu)點, 論述了美海軍在新型艦船上開發(fā)與應(yīng)用鈦及鈦合金研究所取得的進展和成果, 分析了美海軍鈦及鈦合金今后發(fā)展的主要方向: 根據(jù)不同使用工況環(huán)境要求, 研發(fā)更多新型海軍用鈦合金牌號, 增加海軍用鈦合金種類, 降低鈦材成本, 改進焊接材料與工藝。

鈦及鈦合金; 艦船; 海洋環(huán)境; 美海軍

0 引言

鈦及鈦合金具有密度小、耐腐蝕、耐磨蝕、無磁等優(yōu)點, 是海洋環(huán)境中理想的使用材料, 尤其是應(yīng)用于海軍艦船及其裝備, 可大大提高戰(zhàn)斗力、減少維護成本、延長使用壽命、提高隱蔽性。美國、俄羅斯和中國都十分重視鈦和鈦合金在艦船上的應(yīng)用研發(fā)工作。本文通過對美海軍目前在新型艦船上開展的鈦及鈦合金研發(fā)及應(yīng)用工作所取得的進展和成果加以綜述, 使讀者從中受到啟示, 并吸取有益的經(jīng)驗, 以便促進鈦及鈦合金在我國海軍上的應(yīng)用及研發(fā)工作。

1 鈦及鈦合金的優(yōu)點

鈦及鈦合金具有下列優(yōu)點[1]。

1) 密度低/質(zhì)量輕

按照美國ASTM標準生產(chǎn)的管材, 2級純鈦管材與同樣尺寸的Cu-Ni管材比較, 質(zhì)量可減輕49.5%。

2) 耐腐蝕

a. 在天然海水全浸條件下無腐蝕;

b. 在所有180℉(≈82 ℃)(在某些條件下高于180 ℉)的水中耐一般腐蝕和坑蝕;

c. 港口和碼頭等污染水中無腐蝕;

d. 在靜水條件下無腐蝕;

e. 沖擊氯處理可有效防止/清除生物附著;

f. 在使用工況環(huán)境下, 2級工業(yè)純鈦無應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象;

g. 海水冷卻管服役40年或40年以上無腐蝕。

各種材料耐腐蝕性能如表1所示。

表1 各種材料耐腐蝕性能比較

3) 耐磨蝕

a. 鈦具有“陶瓷態(tài)”外層保護氧化膜TiO2, 使其具有很強的抗磨蝕能力;

b. 鈦表面具有很強的自修復能力, 一旦表面保護氧化膜TiO2破損, 便迅速再生;

c. 在沒有懸浮固體顆粒的條件下可經(jīng)受≥90 ft/s (≈27 m/s)的流速;

d. 在含有砂粒條件下可承受流速≥15 ft/s (≈4.6 m/s)。

4) 使用性能優(yōu)

a. 低熱膨脹系數(shù), 減少焊接應(yīng)力;

b. 導熱率與熱傳遞速率匹配性好, 是理想的熱交換器用材料;

c. 彈性模量低, 可承受較高沖擊量;

d. 具有良好的防彈性能;

e. 無磁性, 不僅可防電磁干擾, 還可降低電子設(shè)備偵察探測的信號, 提高武器裝備的隱身技術(shù)水平及反偵察能力。

2 美海軍鈦及鈦合金及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)

美國國防部根據(jù)21世紀海軍新型艦船裝備與海軍陸戰(zhàn)隊的需要, 正在開展一系列新材料及其應(yīng)用技術(shù)項目的研發(fā)工作。

2.1 海軍高含氧量鈦合金項目VII

該項目具體情況介紹見表2。

2.2 連接技術(shù)項目

大型復雜鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)件在采用標準產(chǎn)品制造時, 為減少機加工量, 提高材料利用率, 降低該類產(chǎn)品制造成本, 連接技術(shù)的采用是非常必要的。美陸軍制造技術(shù)項目VIII在通過改變現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備的焊接波形來提高焊接速度方面已取得重大進展。目前, 該項新技術(shù)開發(fā)成果已轉(zhuǎn)讓給美陸軍和承包商、工業(yè)與海軍部門。本項目后續(xù)將繼續(xù)通過開發(fā)自動焊接技術(shù)來提高焊接速度和焊接效率。該項工藝技術(shù)經(jīng)全面評價考核合格后, 將轉(zhuǎn)讓給美陸軍和其他國防系統(tǒng)部門。

表2 美海軍高含氧量鈦合金項目VII

美海軍在艦船和船廠使用了鈦和專用的鈦合金, 研究開發(fā)了該類鈦合金的專用連接技術(shù)。表3所示的海軍/國防預(yù)研規(guī)劃局鈦焊接中小企業(yè)創(chuàng)新基金研究項目IX正在研究開發(fā)提高海軍鈦合金如Ti-5111焊接性能的低成本焊接技術(shù)[2]。例如美海軍正在致力研究的熔劑焊芯, 它在不需要惰性氣體保護的條件下能保護焊縫(項目X, 見表4)和新型填充焊絲, 以此來增加Ti-5111合金焊縫的焊透深度, 進而節(jié)省焊接時間和成本(項目XI, 見表5)。

為了支持 PLD 17級艦上大量海水配管用鈦的焊接技術(shù), 美海軍制造技術(shù)項目 XII正在開發(fā)能夠增加焊縫區(qū)熔透深度的高電阻焊劑(見表6)。此外, 為了開發(fā)在CVN 21航空母艦上應(yīng)用的鈦結(jié)構(gòu), 美海軍正在船廠進行焊接項目XIII的研究(見表7)。

2.3 海軍用新型Ti-5111鈦合金研制開發(fā)

20世紀80年代末期, 由美海軍水面作戰(zhàn)中心與鈦金屬公司合作研制成比現(xiàn)用鈦合金強度更高、成本較低的Ti-5111(Ti-5Al-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo)鈦合金。由于它強度高、可焊性良好、耐海水應(yīng)力腐蝕開裂能力強, 將取代目前的Ti-6Al-4V ELI鈦合金。目前, Ti-5111合金已被加工成6~51 mm厚度板材、棒材、條材、鍛件和鑄件。美國海軍水面作戰(zhàn)中心卡德洛克分部用鎢極氣保焊制成25.4 mm和51 mm厚度焊件,進行了激光錘擊試驗, 并對焊件在海洋環(huán)境中的使用性能進行了全面評定[3]。由于Ti-5111合金具有中等強度, 并具備優(yōu)良的韌性、室溫抗蠕變性能以及耐蝕性, 是理想的緊固件材料, 可滿足艇用緊固件的強度, 以及高韌性、抗應(yīng)力腐蝕開裂和抗室溫蠕變性能的要求[4]。2002年, 該合金首先在新型潛艇通信桅桿上作為商品投入使用, 之后又擴大到美TBD轟炸機等結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用。

表3 美海軍用鈦的焊接項目IX

表4 美海軍用鈦合金焊接熔劑項目X

表5 美海軍用Ti- 5111合金的焊接項目XI

表6 美海軍用鈦管焊接項目XII

表7 美海軍CVN 21航空母艦上鈦的應(yīng)用項目XIII

除了上述所列特定項目外, 美國國防預(yù)研規(guī)劃局和所有服務(wù)單位還進行了攪拌摩擦焊技術(shù)研究與開發(fā)。攪拌摩擦焊工藝技術(shù)的主要難點之一是攪拌頭的磨損問題, 因此, 在攪拌摩擦焊技術(shù)投入鈦結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程使用前, 需要研制出較好的攪拌頭工具材料和進行良好的工具結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 鈦及鈦合金在美海軍艦船上的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

鈦及鈦合金憑借著自身優(yōu)異的使用性能, 引起了美海軍的極大興趣。

美海軍在艦艇的海水配管、廁所排水管、熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸餾裝置、壓氣機、消防泵、蒸汽彈射器部件和緊固件等結(jié)構(gòu)上大量使用鈦及鈦合金。艦艇翻修時, 上述部件大多數(shù)采用鈦是為了解決多年來諸如90/10Cu-Ni配管和鋁青銅、Monel合金和不銹鋼泵部件的磨蝕/腐蝕所帶來的頻繁維修等諸多問題。這些部件已經(jīng)在CVN, CG-47, DDG-51和LHA 級艦, 以及SSN 688和SSN-21潛艇上大量應(yīng)用。此外, 阿里·伯克級DDG-53及其后續(xù)艦的排氣煙囪結(jié)構(gòu)上也采用了鈦合金, 以代替現(xiàn)用的不銹鋼材料。

3.2 應(yīng)用實例

3.2.1 在LPD 17兩棲船塢運輸艦上的應(yīng)用

20世紀90年代中期, 美海軍決定在LPD 17兩棲船塢運輸艦(見圖1)的2個主海水配管系統(tǒng)上使用了鈦, 全壽期節(jié)省成本可達1700萬美元。配管系統(tǒng)的建造是在船廠現(xiàn)場進行的。該艦的關(guān)鍵部位上層建筑區(qū)也大量使用了鈦, 使其質(zhì)量減輕約50%, 大大提高了該艦的穩(wěn)定性。此外, LPD 17艦上約1 000多個管件采用不同直徑的2級純鈦管, 總長度達11000 ft(≈3353 m)以上。

為降低鈦材應(yīng)用成本, 美海軍開展了大量低成本鈦材應(yīng)用技術(shù)研究工作。試驗驗證表明, 在LPD 17艦上可使用任何低成本鈦材。此外, 美國國防部還設(shè)立專門低成本焊接技術(shù)項目, 來降低鈦材的焊接成本。這些項目包括第2節(jié)介紹的項目VIII, IX, X和XII。

圖1 LPD 17圣安東尼奧級兩棲船塢運輸艦

3.2.2 在水密門上的應(yīng)用

目前, 美海軍大約有50000扇水密門, 均為20世紀50年代設(shè)計, 采用DH-36結(jié)構(gòu)鋼建造, 腐蝕嚴重, 常常需要維修, 而且該類水密門質(zhì)量大, 使用操作困難。為此, 美海軍目前正在進行鈦合金水密門和露天艙口(見圖2)的研制, 并將其安裝在IIA DDG-51驅(qū)逐艦上試用并進行使用性能評價。

圖2 海軍水密門

3.2.3 在CVN 21艦上的應(yīng)用

質(zhì)量和穩(wěn)定性是CVN 21艦(見圖3)設(shè)計的關(guān)鍵。為了適應(yīng)航空母艦50年服役期內(nèi)質(zhì)量不增加的使用要求, 初始設(shè)計質(zhì)量必須保持最小。如果在船廠可以大范圍應(yīng)用鈦制造技術(shù)的話, CVN 21艦大量采用鈦建造結(jié)構(gòu)件可實現(xiàn)減重達4000 t。

目前, 美海軍制造技術(shù)計劃項目XIII正在試驗探索CVN 21艦上可以改換成鈦建造的候選部件, 主要包括消防配管系統(tǒng)、隔離門、升降機門、艙口和水密門、貯存艙和防護裝甲。主要結(jié)構(gòu)部件諸如舷側(cè)凸體、島結(jié)構(gòu)和飛行甲板應(yīng)進行相關(guān)試驗檢驗。該項目將影響其國防部正在進行的所有鈦技術(shù)項目, 并可顯著提高經(jīng)濟效益, 適于船廠應(yīng)用的鈦制造技術(shù)的開發(fā)。這包括鈦適當應(yīng)用部位的選擇, 利用輕質(zhì)材料優(yōu)點的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計, 降低材料成本(板材、棒材、鑄件和鍛件)以及開發(fā)經(jīng)濟有效的焊接、彎曲和成型等制造工藝技術(shù)。

圖3 CVN 21艦概念圖

3.2.4 在濱海戰(zhàn)艦(LCS)上的應(yīng)用

LCS是美國一種全新型戰(zhàn)艦, 具備快速、敏捷和網(wǎng)絡(luò)化的特點。LCS的模塊專注使命設(shè)計,可為戰(zhàn)斗指揮官提供要求的作戰(zhàn)能力和適應(yīng)性, 以保證聯(lián)合力量的海上優(yōu)勢。該型艦的沖擊速度達40~50 kn, 可進行超過3 500 mile(≈5 633 km)的長距離運輸。圖4為美國洛克西德·馬丁航空航天公司和通用動力航空航天公司2種具有競爭性的LCS概念。

圖4 美國海軍LCS概念

根據(jù)航速和航程要求, LCS必須要選擇輕質(zhì)材料。復合材料、鋁和鈦是殼體和所有結(jié)構(gòu)部件考慮選用的主要材料。然而, 在2005年開始LCS首艦的詳細設(shè)計和建造時, 由于還沒有現(xiàn)成的低成本鈦, 主要部件選擇用鈦受到了限制。目前 LCS承包商感興趣的是減輕質(zhì)量, 正在計劃用鈦代替泵、配管、煙囪、門和艙口等結(jié)構(gòu)部件常規(guī)用材料。

4 結(jié)束語

目前適合海洋環(huán)境使用的鈦和鈦合金種類有限, 難以滿足海軍復雜的使用工況環(huán)境對材料性能的多樣化要求。另外, 和傳統(tǒng)材料相比, 鈦和鈦合金應(yīng)用成本偏高, 嚴重影響了美國在海軍上擴大鈦及鈦合金應(yīng)用的進程。因此, 根據(jù)不同使用工況環(huán)境要求, 研發(fā)更多新型海軍用鈦合金牌號、增加海軍用鈦合金種類、降低成本、改進焊接材料與工藝仍是今后美海軍鈦和鈦合金的主要方向, 也是其擴大鈦和鈦合金應(yīng)用的前提[5]。

[1] John A. Mountford. Titanium–Properties, Advantages and Applications Solving the Corrosion Problems in Marine Services[C]//“RUST 2001”, U.S. Navy & Industry Corrosion Technology Information Exchange, 2001: 17- 20.

[2] Czyryca E J. Titanium Alloy Ti-5111 in Naval Applications[C]//Naval Surface Warfare Center, Carderock Division, West Bethesda, MD.17th AeroMat Conference & Exposition: 2006: 15-18.

[3] Stauffer C, Czyryca E J, Koss D. Microstructure Evolution of Titanium Alloy Ti-5111 for US Naval Applications[C]//ASM Materials Solutions Conference & Show, Columbus, OH USA, 2004: 18-21.

[4] Been J, Faller K. Using Ti-5111 for Marine Fastener Applications[J]. Overview Titanium, 1999(6): 10-16.

[5] DOD. An Integrated Plan for the Development and Processing of Low-Cost Titanium Materials and Associated Manufacturing Processes[R]. Report to Congress Department of Defense, 2004.

Application of Titanium and Titanium Alloys to Ships of US Navy

KUANG Meng-sheng, HU Wei-min, GUO Ai-hong, WU Shi-dong, JIANG Peng

(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471003, China)

The advantages of titanium and its alloys in marine environment, as well as the achievements in development and application of these materials for new ships of US Navy, are discussed. The main trends of developing titanium and titanium alloys for US Navy are analyzed, i.e. developing more types of titanium alloys according to different environmental requirements, increasing the kinds of titanium alloys for navy usage, reducing cost of titanium alloys, and improving welding materials and techniques.

titanium and titanium alloys; ship; marine environment; US Navy

TG146.2; TG146.23

A

1673-1948(2012)05-0331-05

2012-03-27;

2012-04-20.

匡蒙生(1961-), 男, 碩士, 研究方向為艦船鈦合金應(yīng)用與開發(fā).

(責任編輯: 陳 曦)