鈦在海軍潛艇上的應(yīng)用與展望

供稿|董潔，李獻(xiàn)民，姜鐘林，劉立，趙普 / DONG Jie, LI Xian-min, JIANG Zhong-Lin, LIU Li, ZHAO Pu

鈦在海軍潛艇上的應(yīng)用與展望

The Titanium Application and Prospect on Naval Submarines

供稿|董潔，李獻(xiàn)民，姜鐘林，劉立，趙普 / DONG Jie, LI Xian-min, JIANG Zhong-Lin, LIU Li, ZHAO Pu

作者單位：寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014

內(nèi)容導(dǎo)讀

鈦是海軍裝備最有應(yīng)用前途的金屬材料。鈦以高的耐海水腐蝕性能、高比強(qiáng)度、高抗沖擊性能、優(yōu)良的可塑性、良好的加工成型性、無(wú)磁性、可循環(huán)使用等特性，能很好地滿足海軍裝備特別是潛艇應(yīng)用的要求。鈦廣泛應(yīng)用于水面艦艇、水下潛艇、深潛器、水中兵器、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。文章概述了國(guó)內(nèi)外海軍裝備——潛艇鈦的應(yīng)用，綜述了潛艇和深潛器的耐壓殼體、螺旋槳和噴水推進(jìn)裝置、熱交換器和冷凝器、耐海水腐蝕的管系、閥門、核動(dòng)力蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)及天線、聲學(xué)裝置的零部件等采用鈦材的設(shè)計(jì)和選取等問(wèn)題。

世界各國(guó)都把先進(jìn)武器裝備作為最重要的國(guó)防戰(zhàn)略之一，而每種先進(jìn)武器的誕生都離不開(kāi)新材料的應(yīng)用。當(dāng)前的海軍裝備發(fā)展十分迅猛，隨著對(duì)海軍裝備的要求越來(lái)越高，例如鋼、鐵、鋁、鎂等金屬及其合金在很多領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足要求，鈦及其合金以其良好的耐海水腐蝕性能、高比強(qiáng)度、無(wú)磁性、透聲、抗沖擊強(qiáng)、可加工性(包括鑄、鍛、焊接)好的特點(diǎn)正在逐步進(jìn)入更多的海洋裝備及軍事領(lǐng)域。鈦合金滿足了當(dāng)代軍事對(duì)武器裝備的輕量化、高性能化的要求，正日益受到船舶及海洋工程裝備的關(guān)注，被稱為“海洋金屬”[1]。潛艇作為“海軍裝備”的核心，是戰(zhàn)略核力量的中堅(jiān)，具有舉足輕重的作用。用鈦合金制造艇體，可以大大減輕艇的排水量[2]。鈦合金與特制鋼相比，具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕的明顯優(yōu)點(diǎn)，并且更耐海水腐蝕[3]。鈦及鈦合金的大量使用，可以大幅降低海軍裝備的結(jié)構(gòu)重量，實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性，保障海洋裝備的高可靠性和安全性[4]；實(shí)現(xiàn)同壽命服役，降低海軍裝備的維護(hù)時(shí)間和成本，保障裝備戰(zhàn)斗力。鈦合金是保障艦艇裝備性能和戰(zhàn)術(shù)水平的重要支撐材料，海軍裝備鈦合金是海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的必然選擇。因此，發(fā)展海軍潛艇用鈦有著重要的戰(zhàn)略意義。

鈦是海軍裝備最有應(yīng)用前途的金屬材料，被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用于水面艦艇、水下潛艇、深潛器、水中兵器、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。在核潛艇中的冷凝器、熱交換器、聲納導(dǎo)流罩、通海管路系統(tǒng)、波紋管等都采用鈦材。常規(guī)潛艇(636，K877等)中的耐壓殼體、柴油機(jī)燃?xì)馀懦鱿到y(tǒng)、聲納導(dǎo)流罩、通海管路系統(tǒng)、波紋管、泵、閥也都大量應(yīng)用鈦材[5]。經(jīng)過(guò)北極、南極、赤道、太平洋、印度洋、大西洋的全球海域航行試驗(yàn)，解決了設(shè)計(jì)許用應(yīng)力、安全系數(shù)選取等問(wèn)題。美國(guó)、日本多種潛艇的噴水推進(jìn)裝置上也都使用鈦材，有效地克服了采用銅合金在航行時(shí)切割地球磁力線而產(chǎn)生較大感應(yīng)電流的不利影響。

潛艇和深潛器的耐壓殼體

當(dāng)潛艇結(jié)構(gòu)已定時(shí)，潛艇的極限下潛深度與殼體材料的屈服強(qiáng)度和殼體厚度的乘積成正比。用加厚壓力殼的辦法增加下潛深度，會(huì)減少潛艇的有效載重量，若保持其有效載重量，則會(huì)使?jié)撏С叽缭龃蟮綄?shí)際不能使用的程度，因此必須考慮使用更高比強(qiáng)度的材料。在幾種目前可用于潛艇殼體的材料中，鈦合金的性能最好。如表1所示鈦合金用作潛艇和深潛器耐壓殼體材料是非常有利的。

表1　幾種深潛艇耐壓殼體材料的性能

目前美國(guó)、法國(guó)、日本深海調(diào)查船和潛艇上的耐壓殼體一般采用鈦合金制造。美國(guó)在20世紀(jì)60年代建造而后經(jīng)過(guò)改造的可潛6100 m的Seacliff深潛器，其耐壓殼使用了Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo合金；法國(guó)建造的SM97耐壓殼使用了Ti-6Al-4V合金；日本建造的6000 m級(jí)深?？疾齑哪蛪簹な褂昧薚i-6Al-4V合金；前蘇聯(lián)從20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，先后共生產(chǎn)了6艘~7艘雙層高壓殼的“阿爾法”級(jí)全鈦潛水艇，一艘潛水艇需要3000 t厚鈦板[6]。表2列舉了鈦制耐壓殼體的應(yīng)用實(shí)例。

表2　鈦在潛艇和深潛器的耐壓殼體應(yīng)用舉例

螺旋槳和噴水推進(jìn)裝置

鑄造鈦合金具有高比強(qiáng)、高腐蝕疲勞抗力和良好的抗空蝕能力(見(jiàn)表3)，是理想的螺旋槳，特別是超空泡螺旋槳材料。鈦合金螺旋槳重量輕，推進(jìn)效率高，壽命長(zhǎng)。

表3　螺旋槳材料的機(jī)械性能

美國(guó)已在多種艦艇上使用鈦合金螺旋槳。如50 t研究型獵潛艇使用了直徑812.8 mm三葉片可拆式超空泡鈦合金螺旋槳。大型軍用水翼艇“普蘭維尤”號(hào)使用了直徑1.52 m、四葉片可拆式超空泡鈦合金螺旋槳(槳重337 kg，材料為Ti-6Al-4V)?！鞍⑾＞S爾”號(hào)高速炮艇使用了四葉片變螺距鈦合金螺旋槳。SES-100B試驗(yàn)艇使用了6葉片、超空泡、可調(diào)螺距鈦合金螺旋槳(Ti-6Al-4V)。前蘇聯(lián)、英國(guó)20世紀(jì)60年代亦制成鑄造鈦合金螺旋槳。我國(guó)1972年研制成功Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn鈦合金水翼艇螺旋槳，至今已下有十多只鈦槳裝船使用。多年艦船使用的結(jié)果表明：鈦合金螺旋槳強(qiáng)度高、韌性較好、耐空泡腐蝕性能好、壽命超過(guò)銅合金槳三倍以上，重量?jī)H約為銅合金槳的1/2，且維護(hù)保養(yǎng)容易。

艦艇噴水推進(jìn)裝置對(duì)材料的要求與螺旋槳相同，鈦合金是優(yōu)秀的候選材料。美國(guó)SES-100A試驗(yàn)艇的噴水推進(jìn)裝置已使用了工業(yè)純鈦鑄件、Ti-6Al-4V合金鍛件。螺旋槳軸用鈦合金制造，軸徑和重量可明顯減小。日本魚(yú)雷艇“PT-10”號(hào)，原用鉆青銅軸，軸徑95 mm，改用工業(yè)純鈦或Ti-6Al-4V合金制造，保持危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速(1560 r/min)不變，軸徑可分別減至85和75 mm，重量減輕500和600 kg。

掃雷艇的螺旋槳和槳軸多用鋁青銅和高強(qiáng)度黃銅制造，銅合金雖無(wú)磁性，但固電阻小，航行時(shí)切割地球磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電流大，對(duì)掃除磁性水雷不利，因而最好使用高電阻非磁性材料，鈦合金無(wú)磁性且電阻大，是很好的候選材料(見(jiàn)表4)。美國(guó)已使用鈦合金掃雷艇螺旋槳軸。日本的小型潛艇己使用了軸徑20~30 mm、長(zhǎng)6 m、100 kg的鈦合金螺旋槳軸。

熱交換器和冷凝器

鈦對(duì)清潔、污染和含砂的靜水和動(dòng)水均有優(yōu)秀的抗蝕能力。高冷卻水速和薄壁冷凝管采用鈦合金材料可以提高傳熱能力，減小冷凝器重量。鈦管的鏡膜附著性小，液體在鈦表面呈珠狀凝縮。凝縮速度高，也對(duì)傳熱有利，鈦比銅的凝縮速度大29.3%以上，比304型不銹鋼的凝縮速度大35%，比316型不銹鋼的凝縮速度大17.5%以上。另外，鈦管的清潔系數(shù)高于銅合金管。上列因素使鈦雖然導(dǎo)熱系數(shù)低于B30銅合金，但傳熱效率卻與B30相等或略高。鈦管的避振裕量也高于B30管(見(jiàn)表5)。表6給出了各種材料的冷凝管的綜合性能。

表4　幾種螺旋槳軸材料的比電阻

表5　工業(yè)純鈦與B30銅管的避振裕量

表6　各種材料的冷凝管的綜合性能比較

潛艇冷凝器水室封頭承受潛艇沉浮形成的低周疲勞應(yīng)力和海水的腐蝕作用，要求材料具有較高的綜合性能。水室封頭使用鈦合金比645-Ⅲ鋼/B30襯里組合材料和645-Ⅲ鋼/B30爆炸復(fù)合材料具有高得多的疲勞強(qiáng)度和安全可靠性；與Monel 400合金比較，因鈦合金強(qiáng)度高，可減薄厚度，而大大減輕了重量。表7列舉了幾種潛艇冷凝器水室封頭材料的性能。

表7　冷凝器水室封頭材料的性能

英國(guó)海軍1966年建成的艦艇輔機(jī)系統(tǒng)就已經(jīng)采用鈦熱交換器。英國(guó)橫渡英吉利海峽的“自由企業(yè)家”Ⅲ-Ⅶ渡船都使用了鈦板式熱交換器。瑞典阿法-拉伐有限公司自1962年生產(chǎn)第一臺(tái)鈦板式熱交換器裝于遠(yuǎn)洋海輪至今已經(jīng)有7000多臺(tái)裝船使用。20世紀(jì)70年代末日本1.6萬(wàn)t大型油船No.914在主透平冷凝器上部分換用鈦冷凝管，該船至今仍安全航行于波斯灣、非洲和南美海域。俄羅斯的艦船熱交換器也廣泛采用了鈦合金。表8列出了俄羅斯自1962年以來(lái)各種類型的熱交換器成功運(yùn)行的情況，各種型號(hào)的艦艇用鈦制熱交換器已經(jīng)達(dá)到了完全商業(yè)化得水平。

表8　1962年以來(lái)俄羅斯鈦合金熱交換器應(yīng)用情況

耐海水腐蝕的管道和閥門

鈦用于潛艇海水管系和閥門可減小管徑和提高水速，延長(zhǎng)使用壽命。一個(gè)試驗(yàn)性的全鈦管系，在6 m/s的水速下使用36個(gè)月，無(wú)任何可見(jiàn)的變化；而錫青銅閥和70/30銅鎳合金管，在4.5 m/s水速下，使用15個(gè)月，閥和管皆穿孔。美國(guó)的一些潛艇上，用鑄造Ti-6Al-4V合金球閥代替蒙乃爾合金球閥，結(jié)果良好。日本“親潮”號(hào)潛艇原用外徑19 mm、壁厚2.7 mm的雙金屬管制造冷卻電池用的清水冷卻器，改用壁厚1 mm的鈦管即滿足使用要求，使冷卻器的重量和體積都減少一半以上。

動(dòng)力設(shè)備

在核潛艇中采用全鈦核動(dòng)力蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)可以提高壽命10倍以上。表9給出了自1970年以來(lái)俄羅斯核動(dòng)力船蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)。從表9可以看出，核動(dòng)力蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命與船的服役壽命是等同的[7]。

美國(guó)潛艇的AT-497/U鞭狀天線是長(zhǎng)3.66 m，底面直徑7.62 mm，頂端直徑2.54 mm的錐形棒。原用17-7pH不銹鋼，壽命不到6個(gè)月。改用Ti-7Al-4Mo合金制造后，壽命超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)(106循環(huán))，滿足性能要求。

表9　自1997年俄羅斯核動(dòng)力鈦蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

聲學(xué)裝置的零部件

鈦合金比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、電阻高、透聲性能好等特點(diǎn)使其在潛艇聲學(xué)裝置上獲得了應(yīng)用。日本已生產(chǎn)潛艇用速度型球狀傳聲器、聽(tīng)潛器、船用電話零件等。英國(guó)亦用鈦?zhàn)鲹Q能器零件。前蘇聯(lián)607A型飛航導(dǎo)彈核潛艇的聲納導(dǎo)流罩就采用了鈦合金，使用效果比較理想。我國(guó)因軍用及商用目的購(gòu)置的K877艇、K636艇、956艇、“明斯克”、“基輔”號(hào)，它們的聲納流罩都是采用鈦合金制造的。在實(shí)際使用情況下，鈦合金的透聲性能優(yōu)于玻璃鋼和不銹鋼，并已制成試驗(yàn)罩進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了滿意的結(jié)果。

主要問(wèn)題及發(fā)展展望

我國(guó)海軍裝備用鈦金屬材料研究起步晚，鈦合金品種、規(guī)格不完善，加工和制造技術(shù)也相對(duì)落后，目前僅局限應(yīng)用于聲納導(dǎo)流罩、舷側(cè)陣透聲窗、進(jìn)排氣管路、少量閥門及管路附件等專用結(jié)構(gòu)的制造。同美、俄、日等海洋強(qiáng)國(guó)相比，在應(yīng)用領(lǐng)域、基礎(chǔ)研究、鈦材生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)及相應(yīng)配套技術(shù)等各個(gè)環(huán)節(jié)大體有15~30年的差距。

為從根本上解決我國(guó)海軍裝備用鈦合金落后的局面，全面提升我國(guó)海軍裝備特別是潛艇裝備的性能和水平，需加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌規(guī)劃，提出用鈦的新思路和新路線；積極開(kāi)展海軍裝備用鈦合金材料及應(yīng)用技術(shù)的研究和基礎(chǔ)研究等，為全面提升我國(guó)海軍裝備的技術(shù)水平做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。我國(guó)鈦合金材料技術(shù)未來(lái)應(yīng)主要向低成本、提高綜合性能、可靠焊接、復(fù)雜制造、推廣應(yīng)用、完善材制體系等方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：董潔，女，高級(jí)工程師，寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西省寶雞市渭濱區(qū)寶鈦集團(tuán)對(duì)外聯(lián)絡(luò)辦721014，E –mail：dongjiecool@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1000-6826.2015.04.01