船用鈦合金裝備材料及制備技術(shù)研究進展評述

周文萌(大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧盤錦124221)

船用鈦合金裝備材料及制備技術(shù)研究進展評述

周文萌(大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧盤錦124221)

發(fā)展先進制造需要材料先行，海洋工程裝備材料，特別是艦船裝備材料的發(fā)展水平更是衡量一個國家海上工業(yè)實力的重要指標(biāo)。綜合性能指標(biāo)突出的鈦及鈦合金更是艦船裝備高性能材料的重中之重。文中將綜述國內(nèi)外船用鈦合金材料的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，探討我國發(fā)展高性能鈦合金材料目前遇到的技術(shù)難題和研究方向。

船用鈦合金；應(yīng)用問題；國內(nèi)外研究進展

隨著對海洋權(quán)益的日益重視，各鄰海國家紛紛將艦船與海洋工程裝備的研發(fā)籌建提上日程，要提高我國的海洋資源開發(fā)利用能力和綜合制海能力，必須大力發(fā)展艦船裝備和海洋工程裝備。

材料性能的高低很大程度上影響著艦船裝備的服役安全性和技戰(zhàn)術(shù)水平，無論是航母還是一般艦船材料，選材都尤為重要。在保證安全性的基礎(chǔ)上，材料的經(jīng)濟型、耐久性、維修性都需要綜合考慮。鈦及鈦合金是目前相對理想的船用金屬結(jié)構(gòu)材料，主要優(yōu)勢在于其密度小、強度范圍廣、結(jié)構(gòu)可靠性和比強度較高、耐腐蝕和沖刷腐蝕性能良好、抗沖擊性和可加工性優(yōu)異，應(yīng)用于艦船中可以顯著減輕設(shè)備重量、延長設(shè)備使用壽命，從而使整體艦船的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能大幅提高。

1 原理

1.1 主要設(shè)計準(zhǔn)則

船用鈦合金需要在海洋環(huán)境中保持長期的服役時間，所以在設(shè)計時需要綜合考慮船用鈦合金的可焊性、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性、強度。

1.2 強化機制

近α型船用鈦合金的強化機制為添加合金穩(wěn)定元素實現(xiàn)強化和變形后再結(jié)晶強化。俄羅斯、美國、中國船用鈦合金的主要添加元素為Al，V，Mo，Nb，Zr。此外，中國船用鈦合金的穩(wěn)定元素還包括Ni、Fe，Ni元素在合金中以TiNi相析出，用于提高合金的抗縫隙腐蝕能力。同時，為了保證船用鈦合金的高溫服役特性、工藝變形特性和焊接性能，一般對雜質(zhì)元素含量有著嚴(yán)格的要求，需對海綿鈦的品質(zhì)和熔煉工藝進行嚴(yán)格控制。

1.3 主要問題

當(dāng)鈦合金應(yīng)用于實際海洋工程中，會由于環(huán)境的特殊性或者不同材料間使用匹配的問題，進而引發(fā)腐蝕破壞，影響結(jié)構(gòu)的服役壽命。

1.3.1 縫隙腐蝕

海水環(huán)境下，在構(gòu)件縫隙或者缺陷處，由于電解質(zhì)的滯流構(gòu)成電化學(xué)電池而引起局部腐蝕現(xiàn)象，最終導(dǎo)致局部穿孔破壞。

1.3.2 電偶腐蝕

其他金屬與鈦合金接觸時，由于鈦合金的腐蝕電位為正，高于其他金屬，從而易產(chǎn)生電偶腐蝕，加速其他金屬的腐蝕，這個問題制約了鈦合金在實際工程中的應(yīng)用。

1.3.3 其他

目前我國對船用鈦合金材料的研究缺乏在服役海水環(huán)境下的大量追蹤評價數(shù)據(jù)，不利于船用鈦合金在海洋環(huán)境下的應(yīng)用推廣與優(yōu)化改進。

2 國內(nèi)外研究進展及評述

目前為止，世界上專門的船用鈦合金研究主要在俄羅斯、美國、日本和中國進行，在此只談討俄羅斯、美國、中國的鈦合金研究現(xiàn)狀。

2.1 俄羅斯

早在1968年，前蘇聯(lián)就建造了世界上第一艘鈦合金多功能核潛艇。無論是使用規(guī)模、技術(shù)水平還是建造能力都在國際上處于領(lǐng)先地位。俄羅斯已經(jīng)成功將船用鈦合金大量應(yīng)用于艦船使用部件和設(shè)備中，包括船體、船機、動力裝置等。

2.2 美國

美國在航空用鈦合金的研發(fā)基礎(chǔ)上選用在海水環(huán)境下耐腐蝕、可焊性和抗沖擊性良好的中強可焊鈦合金材料應(yīng)用到艦船裝備乃至航母上，利用鈦合金代替鋼大大減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高了在海水腐蝕環(huán)境下的穩(wěn)定性。

2.3 中國

我國船用鈦合金的研究始于1962年，經(jīng)過50多年的努力，我國創(chuàng)新研制的不同強度級別船用鈦合金已基本形成具有中國特色的鈦合金體系，其變化強度范圍為320～1100Mpa，因而按照屈服強度等級可以劃分為低強、中強、高強鈦合金，目前我國船用鈦合金體系中包括中強高韌Ti75合金、中強高塑Ti31合金、高強高韌Ti—B19合金、中強Ti91和Ti70合金、高強Ti80合金等，基本可以滿足各種工程設(shè)備的不同需求。

3 我國船用鈦合金的研究展望

雖然目前已經(jīng)有基本的鈦合金體系，但我國的船用鈦合金應(yīng)用水平依然不高，且加工工藝和制備技術(shù)仍存在幾個技術(shù)難題：

(1)艦船裝備用Ti合金設(shè)計、驗證及評價技術(shù)；

(2)高性能Ti合金材料的低成本加工制造技術(shù)；

(3)穩(wěn)定化生產(chǎn)高性能Ti合金的技術(shù)；

(4)大型Ti合金部件的可靠焊接技術(shù)；

(5)超大規(guī)格Ti合金部件的成形制造技術(shù)；

(6)超大規(guī)格（外徑600mm，壁厚20～30mm，長度大于15m）Ti合金管材的加工生產(chǎn)技術(shù)；

(7)高效、穩(wěn)定、可靠的Ti合金接觸腐蝕、電偶腐蝕防護技術(shù)及海生物污損防護技術(shù)。

4 結(jié)語

鈦合金是目前相對理想的船用結(jié)構(gòu)材料，使用鈦合金對艦船的移動性、穩(wěn)定性、輕型化等綜合性能均有大幅度提高。經(jīng)過對國內(nèi)外技術(shù)對比不難看出，目前中國的船用鈦合金技術(shù)依然落后于西方先進國家，但以Ti80為代表的我國自主研發(fā)的鈦合金體系正在逐步縮小與世界前沿的差距。未來船用鈦合金制備將在近凈成形技術(shù)、精密模具技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)值分析和模擬技術(shù)實現(xiàn)重點研究，前景和市場十分廣闊，其應(yīng)用將帶來明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]張文毓，鈦合金近凈成形技術(shù)研究進展,《技術(shù)交流》, 2009.04(2).

[2]富招弟，李佐臣，黃張洪，兩種典型船用鈦合金的應(yīng)用，《材料熱處理技術(shù)》,2012.03(4).