鈦及鈦合金在國外艦船上的應用

錢　江，王　怡，李　瑤

（1.海軍裝備部，北京 100071；2.中國船舶重工集團公司 第七一四研究所，北京 100101）

鈦及鈦合金在國外艦船上的應用

錢江1，王怡2，李瑤2

（1.海軍裝備部，北京 100071；2.中國船舶重工集團公司 第七一四研究所，北京 100101）

鈦及鈦合金具有高比強度、無磁、耐腐蝕等一系列優(yōu)點，是一種優(yōu)異的海洋材料。本文概述鈦及鈦合金的性能特點，梳理美國、俄羅斯等國家在深潛器和艦船上應用鈦合金的情況，研究鈦合金在國外艦船上應用的關鍵技術，包括焊接工藝、電偶腐蝕和生物防污等，最后總結鈦及鈦合金在國外艦船上的應用情況。

鈦合金；艦船；焊接；腐蝕

0　引　言

鈦及鈦合金是 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的新型材料，具有強度高、密度小、耐腐蝕、無磁、焊接性能好、透聲、抗沖擊性好等優(yōu)點，尤其是在海水、海洋環(huán)境中具有良好的耐蝕性，是優(yōu)異的輕型材料［1］。

各國海軍及造船業(yè)對鈦及鈦合金在艦船上的應用研究十分重視，并在艦船上采用鈦合金，以提高艦船設備運行的可靠性和使用壽命，從而提高艦船的綜合性能。

1　鈦及鈦合金的性能特點

1.1耐蝕性優(yōu)異

鈦在中性和氧化性環(huán)境及眾多惡劣環(huán)境中比其他常用金屬材料耐腐蝕性高，特別是對海水中氯離子具有很強的抗腐蝕能力。鈦的表面可形成一層非常薄且堅固的氧化膜，使鈦鈍化而不受海水腐蝕。鈦的鈍化膜具有很好的自愈性，當受到破壞或劃傷后可以迅速自動修復，形成新的保護膜。正是這層氧化膜保護鈦不受海水侵蝕，在無化學變化和污染的情況下，鈦可以完全抵抗自然海水的腐蝕。與不銹鋼、鋁合金、銅合金相比，鈦合金在流動海水中的腐蝕速率幾乎為 0。

純鈦在嚴峻的海洋環(huán)境中，容易受到縫隙腐蝕和點蝕的影響，而鈦合金的疲勞性能和韌性則不受海水影響，并且對海水應力腐蝕裂紋有抵抗作用，因此在易出現(xiàn)縫隙腐蝕和點蝕的地方可以采用鈦合金代替純鈦。

1.2比強度高

比強度是指材料強度與密度的比值。比強度越大，以相同強度設計就能獲得更小的結構重量，反之相同結構質量下就能獲得更高的強度。高的比強度可以使設備設計更加緊湊，大幅減小結構質量，同時提高裝備的安全性。

1.3無磁性

鈦合金沒有磁性，可以提高探測儀器及工具的抗磁干擾，保證信號的準確性，同時減小設備的磁物理場效應。在很強的磁場中也不會被磁化，不易被磁探測儀發(fā)現(xiàn)，增加隱蔽性，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有良好的反監(jiān)護作用。

1.4耐熱和耐低溫性能優(yōu)異

鈦的耐熱性和耐低溫性能良好。目前的熱強鈦合金最高使用溫度可達 500 ℃～600 ℃，結構鈦合金的使用溫度也可達到 300 ℃～400 ℃。同其他輕質材料如鋁、鎂合金比較，在 300 ℃時，鈦的強度要高 1 個數(shù)量級，而超過 400 ℃，鋁、鎂合金已喪失工作能力，而鈦合金卻能繼續(xù)保持足夠的使用強度，具有明顯的性能優(yōu)勢。鈦的耐低溫能力很突出，采用低間隙元素的鈦合金可以耐-253 ℃的低溫，在此溫度下，合金強度比室溫提高了 1 倍，而塑性則保持室溫狀態(tài)下的水平。

1.5中子輻照衰減性能優(yōu)異

在同等強度的中子輻照條件下，普通鋼材受到輻射需要近 100 年才能逐漸衰減，而鈦合金的輻照衰減性能是其 10 倍以上，即 8-10 年后就可以安全回收，這對核廢料的掩埋、核動力設備的回收以及生態(tài)環(huán)境的保護具有非常重要的意義。

2　鈦合金在國外艦船上的應用情況

基于鈦合金上述優(yōu)異性能，使用鈦合金可以大幅降低艦船裝備的結構重量，在實現(xiàn)艦船高機動性的同時，還可以保障其高可靠性和安全性。

以美國和俄羅斯為主的國外海軍很早便開始了鈦及鈦合金在艦船上的研究和應用。

2.1美國

美國海軍于 1950 年便開始關注將鈦合金應用于艦船工業(yè)的可能性，并于 1963 年開始逐步開展相關的工程研究，主要應用過的艦船用鈦合金包括：純鈦、Ti-0.3 Mo-0.8 Ni，Ti-3Al-2.5V，Ti-6 Al-4 V，Ti-6 Al-4 VELI，Ti-6 Al-2 Nb-1Ta-0.8 Mo，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等［2］。表1 列舉了美軍艦船常用鈦合金及其性能特點。其中，Gr.32 即為 Ti-5111，是美國海軍與鈦金屬公司（Titanium Metals Corporation—Timet）共同合作研制的，其名義化學成分為 Ti-5 Al-1 Zr-1 Sn-1 V-0.8 Mo-0.1 Si。該合金的突出特點是具有良好的斷裂韌性及抗應力腐蝕性能，同時又具有良好的抗室溫蠕變性能；其沖擊韌性約為 Ti-6 Al-4 V 的 3 倍，并且易于焊接，能夠進行大規(guī)格型材的焊接。

表1　美軍艦船常用鈦及鈦合金Tab.1　Typical titanium and titanium alloys used on U.S.Navy vessels

圖1　“阿爾文”號深潛器的載人艙Fig.1　The personnel sphere of Alvin Submersible

美國首先在深潛器耐壓殼體上試用鈦合金材料，1973 年用板厚 49 mm 的鈦合金代替 1964 年建造時采用的 HY100 高強鋼（板厚 33.8 mm），制成了“阿爾文”號科研深潛器的耐壓殼體，下潛深度從 2 000 m 增加到 3 600 m。近年來，美國又對新型“阿爾文”號進行了研制工作，其下潛深度將增加至 6 500 m。

1981 年和 1982 年建造的“海崖”號深潛器裝備了鈦制的觀察艙和操縱艙，下潛深度可達 6 500 m。

20 世紀 80 年代，美國啟動了高強鈦合金在艦船上應用的適應性研究，并陸續(xù)將一些高強鈦合金應用于艦船裝備。

早期的應用之一即為 SPY-1D 雷達的冷卻器，冷卻器由 0.5 in 的鈦管集束組成，使用了工業(yè)純鈦 2級，最初安裝于 DDG 51 驅逐艦和CG 47 巡洋艦的雷達系統(tǒng)［3］。

鈦合金在美海軍艦船上早期的另一應用是渦輪發(fā)動機的冷凝器，最先應用于“埃爾默·蒙哥馬利”號護衛(wèi)艦上（FF1082）。此外，CVN航母、CG 47巡洋艦、DDG 51驅逐艦 的海水泵也使用了鈦合金。

在“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦（LPD 17）上應用鈦合金海水管系，是美軍艦船鈦合金的一個標志性應用。前期投入雖然比銅-鎳合金管系高，但全壽期節(jié)省成本近 1 700 萬美元。近年來，美軍海軍又啟動相關項目，將鈦合金應用于“自由”級瀕海戰(zhàn)斗艦（LCS）主燃汽輪機排氣管道（進氣口），可使重量減少達 8 100～9 900 kg［4］。

在潛艇方面，除了在管路系統(tǒng)中應用鈦合金外，美國海軍已經(jīng)成功將鈦合金 Ti-5111 應用于潛艇高數(shù)據(jù)率通信天線，其結構和在潛艇上的應用如圖2 所示。潛艇的天線工作環(huán)境較為苛刻，腐蝕較為劇烈，Ti-5111 合金制作的高數(shù)據(jù)率天線得益于鈦合金材料耐腐蝕、高強度的特性，抗拉強度達到 689 MPa，屈服強度為 586 MPa，并且具有極高的斷裂韌性。該天線已在美國 30 艘潛艇上應用。

表2總結了美國海軍艦艇用鈦合金情況，從表中可看出，目前美軍艦船上應用鈦合金最多的為各種管路系統(tǒng)和動力系統(tǒng)裝置。

圖2　潛艇高數(shù)據(jù)率天線Fig.2　HDR mast made by Ti-5111

2.2俄羅斯

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，如船體用鈦合金ПЫ-1 M；船機用鈦合金 ПЫ-7 M；船舶動力裝置用鈦合金 ПЫ-3 B，5 B 等，強度級別分別為 490 MPa，585 MPa，686 MPa，785 MPa［5］。

俄羅斯是世界上第 1 個擁有鈦合金核潛艇的國家，從開始的試驗艇“帕帕”（PaPa）級鈦合金巡航導彈核潛艇（661 型）（簡稱 P 級），到后來的“阿爾法”級鈦合金潛艇，再到“麥克”（Mik）級，最后到“塞拉”（Slerra）級，1963-1988 年的 20 多年間，俄羅斯共建成了 3 級12 艘全鈦合金攻擊型核潛艇，包括 7 艘“阿爾法”（Alfa）級、1 艘“麥克”級和 4 艘“塞拉”級。表 3 列舉了俄羅斯采用鈦合金作為耐壓殼體的相關潛艇。

表2　美國海軍艦艇用鈦合金情況Tab.2　Application of titanium on U.S.Navy vessels

俄羅斯“基洛”級常規(guī)潛艇，其早期最典型的特點就是聲吶導流罩結構全部采用鈦材。聲吶罩全部結構的所有部位（透聲板、支架、法蘭）均使用ПT3B單一鈦合金制造，采用單壁結構，由數(shù)控銑床加工出均布透聲孔，具有良好的透聲性、足夠大的剛度以及優(yōu)秀的抗變形能力。

表3　俄羅斯采用鈦合金作耐壓殼體的相關潛艇Tab.3　Submarines of Russian navy made by titanium

近些年，根據(jù)鈦合金耐腐蝕的優(yōu)點，俄羅斯改變了鈦材耐壓艇體的使用方向，在熱交換器、海水淡化器、冷卻器、冷凝器、管道等設備中大量采用。

2.3其他國家

日本的艦船鈦合金型號主要有 Ti-6 A1-4 V，Ti-6 AI-4 VELI，主要應用于深潛器的耐壓殼體。日本科學技術廳 1981 年建造的深海載人潛水調查船“深海2000”號，其外殼骨架、均壓容器、配管等均采用了鈦合金，下潛深度達 2 000 m。神戶制鋼公司高砂制作所建造的“深海 6500”號調查船，耐壓殼體采用 Ti-6 A1-4 V，其下潛深度達 6 500 m。此外，近些年日本還將鈦合金越來越多的應用于潛艇的柴油機排氣管與海水系統(tǒng)管路等部位。

法國 1984 年建成的載人深潛器的耐壓殼體由鈦合金制造，下潛深度為 6 000 m。

3　鈦合金應用于艦船的關鍵技術

3.1焊接工藝

常溫下，由于表面氧化膜的作用，鈦及鈦合金能保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性。但鈦在高溫下，特別是在熔融狀態(tài)時對氣體有很高的化學活性。氫、氧、氮等氣體被鈦吸收后，會降低焊接接頭的塑性和韌性，引起接頭的脆化。另一方面，鈦的熔點高、熱容量大、導熱性差，焊接時易形成較大的熔池，并且熔池的溫度很高。

基于上述特點，焊條電弧焊、氣焊、CO2氣體保護焊難以用于鈦及鈦合金的焊接。目前，鈦及鈦合金的焊接主要采用鎢極氬弧焊（GTAW）、熔化極氬弧焊（GMAW）、等離子焊（PAW）等。其中，鎢極氬弧焊是最常用的方法，常用于焊接厚度在 3 mm 以下的鈦及鈦合金。

1）現(xiàn)行主要焊接工藝-鎢極氬弧焊（GTAW）

“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦（LPD 17）上的鈦合金海水管系是美國海軍首次在艦船上大規(guī)模的采用鈦合金，平均每艘安裝的鈦合金管道多于 3 600 m。

1996 年，諾·格公司簽訂建造合同時便確定了手工鎢極氬弧焊和自動鎢極氬弧焊相結合的方法來完成管路的焊接工作。其管路選用的是工業(yè)純鈦 2 級，公稱尺寸小于12 in，其中 2～12 in Schedule10 的管路采用手工焊，6～12 in 的管路采用自動焊［6］。

隨后，埃文代爾（Avondale）造船廠制定了鈦合金管路的焊接工藝規(guī)程，包括生產(chǎn)計劃、測試規(guī)程、質量控制和焊接工培訓，這些規(guī)程得到海上系統(tǒng)司令部的批準。為成為認證的焊接工，需要進行一系列培訓，包括課堂學習、課后練習和實際訓練；進行自動焊操作的焊接工還需進行額外訓練。

1999 年，埃文代爾船廠完成了第一批鈦合金管路的焊接工作。生產(chǎn)工作開始后，埃文代爾船廠、愛迪生焊接研究院（EWI）、海軍連接中心和海上系統(tǒng)司令部繼續(xù)對焊接工藝進行改進以最大化的減少費用，將層間溫度由 250 °F 提高到 600 °F，保護氣體的露點由-60 °F 升至-40 °F。在焊接了約 2 萬米的鈦合金管道后，埃文代爾船廠的產(chǎn)品不合格率已低于 0.15%。

2）焊接工藝新進展

為提高船廠環(huán)境下大型結構件的焊接生產(chǎn)效率，美國海軍主要針對以下幾個焊接工藝開展研究：攪拌摩擦焊、藥芯焊絲電弧焊、脈沖熔化極氬弧焊（PGMAW）。

圖3　鈦合金管道自動鎢極氬弧焊裝置Fig.3　Automatic GTAW of titanium pipe

攪拌摩擦焊 1991 年由英國焊接研究所發(fā)明，是一種在機械力和摩擦熱作用下的連接方法。與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊相比，攪拌摩擦焊在接頭力學性能上具有明顯優(yōu)勢。

攪拌摩擦焊已經(jīng)實現(xiàn)了鋁合金、鎂合金構件制造的大規(guī)模應用。美國海軍研究局（ONR）與空軍實驗室、小企業(yè)創(chuàng)新計劃一起資助了攪拌摩擦焊的研究工作。

美國海軍變形雙體概念艦 T-craft 計劃利用攪拌摩擦焊技術制造鈦合金全尺寸船體。中段結構中長達 6 m的主甲板由 6 塊鈦合金經(jīng)攪拌摩擦焊焊接而成。

除攪拌摩擦焊外，美國海軍同時還進行了藥芯焊絲電弧焊、脈沖熔化極氬弧焊的研究，以更高效的完成大型結構件的焊接。

3.2電偶腐蝕

1）鈦合金海水管道電偶腐蝕問題

“圣安東尼奧”級兩棲船塢登陸艦（LPD 17）中前 6 艘艦艇大量使用了鈦合金材料的管道，其管道最大外徑約 30.5 cm。

由于制造工藝、成本、裝配、焊接等因素，艦船管道、閥門、法蘭等使用了不同的材料，例如與管道連接的閥門使用的是銅錫合金，其主要是因為鈦合金閥門成本高昂（是銅錫合金的 5 倍以上），尤其是小型支管的閥門，其焊接、裝配工藝要求更高。而采用不同金屬材料的管系須進行電偶腐蝕防護，在管道、法蘭、閥門等部件中進行電絕緣處理［7］。

2）鈦合金海水管道電偶腐蝕防護措施

海水管道實施電偶腐蝕防護，要對法蘭連接處、管道托架與管道連接處、甲板與艙壁通管之間等部位實施電絕緣防護。如圖5 所示的管道法蘭絕緣防護中，其重要方法是將異種金屬接觸部位物理隔離，將螺紋、螺母與法蘭接觸面之間使用塑料墊圈隔離，并用絕緣塑料套管套在緊固螺釘上，防止緊固件與法蘭面發(fā)生電偶腐蝕。

圖4　LPD 17 上使用銅鎳合金法蘭、青銅閥門及鈦合金管道Fig.4　Copper-nickel flange，bronze vavale and titanium pipe on LPD 17

由于裝配等問題，艦船管系電絕緣通常較難實施，且實施后較難保持，出現(xiàn)管道絕緣器件失效、法蘭隔絕組件失效等情形。此外，艦員進行鈦合金管系維修時的失誤或不當操作，可能也會導致管系電絕緣失效。若絕緣措施不當，鈦合金管道和青銅閥門的電偶腐蝕強烈，維護成本高昂。

圖5　法蘭電絕緣措施Fig.5　Insulation solution of flange

由于緊固件上使用的塑料套管容易破損，易導致電絕緣防護失效，因此美國海軍金屬加工中心研發(fā)了新型緊固件絕緣涂層，改進緊固件電絕緣防護方法。新型的絕緣涂層涂覆在緊固件上，與塑料套管相比，其使用壽命更長，絕緣性能更好，可靠性更高。且緊固件裝配方便，維修便捷。首批采用了該涂層的緊固件將在 LPD17 的鈦合金海水管道上使用。

3.3生物防污

對于長時間在海水中航行的艦船來說，微生物附著等海洋污染不可避免。海洋微生物附著或黏液沉積在材料表面會對設備的整體性能產(chǎn)生影響，甚至導致設備無法正常運轉。另外，在艦船維護時，清理海洋污染物也需要花費大量的時間和資金。因此，在艦船設計過程中需要考慮海洋防污問題。

圖6　新型緊固件絕緣涂層Fig.6　New type insulation coating of fastener

鈦合金在艦船的應用過程中，無論是在熱交換機、冷凝器、管道還是整體船只中的應用，都必須考慮海洋污染問題。長期運行在海洋環(huán)境中的鈦合金熱交換機和冷凝器，其管道表面容易附著一層海洋有機微生物并形成隔熱層，使熱交換機的熱阻超過設計時的允許值。另外，當管道表面形成黏液層時（微生物分泌的一種粘性膠狀物，有些酸性分泌物對船體有腐蝕作用），會使管道內(nèi)的壓力降低。美國海軍水面戰(zhàn)中心卡迪洛克分部的實驗表明黏液層在管路表面形成4 個月內(nèi)，管道內(nèi)的壓力可降低超過 2 倍。

為解決鈦合金管道的生物防污問題，國外海軍和研究機構開展了如下防污措施的研究：

1）氯氣防污

當海水流速較低時，鈦合金熱交換器或冷凝器需要一些防污保護措施，否則，除化學或機械清洗外，熱交換器和冷凝器的熱阻無法維持。向管道中的海水通入氯氣是有效的防污方法。

美國水面戰(zhàn)斗中心卡迪洛克分部的研究顯示，向鈦合金熱交換機中連續(xù)通入濃度為 0.5 ppm 的氯氣，發(fā)現(xiàn)氯氣可以有效保持管道的清潔和阻止有機物附著。當氯氣通入鈦合金熱交換機管道時，會在熱交換機表面形成一層棕色的附著層，主要成分為二氧化硅、錳和鐵，可以阻止海洋生物藤壺的附著。潮濕狀態(tài)下的該附著層非常容易清理，且能夠隨著海水的流動剝落。

此外，卡迪洛克分部在試驗中并未檢測到通入氯氣的管道系統(tǒng)中有銅基合金的腐蝕情況。這說明，在鈦合金和銅-鎳合金的混合結構管路中，氯化防污法對非鈦合金部分的腐蝕作用很小。

2）電解氯防污

對于低流速，溫度為 9.5 ℃～23.4 ℃，鹽度在12.5 ～30.85 ppt 范圍內(nèi)的海水環(huán)境中，電解氯可以起到很好的防污效果［8］。通常電解氯防污方法采用海水作為電解液，將海水通入電解池中，經(jīng)過電解產(chǎn)生氯原子，氯原子又迅速與海水中的次氯酸鹽和次氯酸反應形成次溴酸鹽，再將次溴酸鹽溶液注入進入冷卻器之前的水蒸氣中，隨后進入冷凝器中。電解氯可有效阻止有機生物的附著，如藤壺或管蠕蟲。

3）高流速海水防污

鈦合金熱交換機或冷凝器管道內(nèi)海水的最大流速為 2.7 m/s，當海水以較高的流速（不小于 2.4 m/s）通過管道時，海水本身的速度就可以殺死大量的海洋微生物。管道內(nèi)的高流速海水短時間內(nèi)可殺死 50%的微生物，其中小型（1～2 mm）藤壺將被全部殺死，而大型藤壺有存活下來的可能。但經(jīng)過長時間的海水沖刷，熱交換機或冷卻器管道將被徹底清潔［8］。

4）超聲波防污

澳大利亞皇家海軍對超聲波防污方法進行了試驗［9］。將超聲波發(fā)生器裝在鈦合金熱交換器和管道的外部，并通過轉換器將超聲波的電能轉換為液壓振動，在液體中產(chǎn)生億萬個微小的氣泡，使海水中的微生物難以靠近管道表面，無法附著。同時使海水升溫，產(chǎn)生擴張及壓縮，形成空化效應，使管道表面、內(nèi)部及縫隙中的附著物迅速脫落，從而達到清除管道內(nèi)附著物的目的。

澳大利亞皇家海軍還對商用產(chǎn)品“Sonoxide”超聲波水處理系統(tǒng)進行研究。該系統(tǒng)通過將空氣引入超聲波室來制造大量的微氣泡，提高了低功率和高頻超聲波的性能。雖然 Sonoxide 系統(tǒng)性能優(yōu)異，但初期安裝費用較高。

5）高分子膜防污

美國海軍水面作戰(zhàn)中心卡迪洛克分部對用于鈦合金表面的一種新型高分子仿生防污膜進行試驗研究［10］。仿生高分子防污膜的為 mPEG-DOPAx（聚乙二醇—多巴［4］）高分子膜，其中 DOPA 為膠黏劑，作用是將高分子粘附在材料表面，而聚乙二醇則起到防污作用。試驗證明該高分子仿生防污膜具有良好的抗污性。另外，該實驗還發(fā)現(xiàn)，將 DOPA 從 1 增加到 3，不僅可以增強高分子膜的粘結性能還可以增強高分子膜的防污能力。

4　結　語

以美國、俄羅斯為主的國外海軍已經(jīng)在耐壓殼體（潛艇和深潛器）、管路系統(tǒng)、動力系統(tǒng)裝置等方面成熟應用了鈦合金，解決了焊接工藝、電偶腐蝕、生物防污等應用的關鍵技術；同時對相關關鍵技術的深入研究仍在開展，以更好地解決鈦合金應用于艦船的經(jīng)濟性問題等。

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The application of titanium and titanium alloys on foreign vessls

QIAN Jiang1，WANG Yi2，LI Yao2
（1.Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China；2.The 714 Research Institute of CSIC，Beijing 100101，China）

Titanium and titanium alloys have a lot of advantages，such as high specific strength，non-magnetic and high corrosion resistance.They are excellent light-weight structural materials.In this paper，the properties of titanium and titanium alloys are summarized；the applications on bathyscaph and vessels of foreign countries such as the United States and Russia，are reviewed.Moreover，technologies relevant to the use of titanium，including welding technology，galvanic corrosion and antifouling solution，are discussed in detail.Finally，a summary on the application of titanium and titanium alloys on foreign vessels are made.

titanium；vessel；weld；corrosion

TP393

A

1672-7619（2016）06-0001-06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.001

2016-03-02

錢江（1975-），男，工程師，研究方向為艦船材料管理。