淺析鈦及鈦合金在海洋裝備上的應(yīng)用

供稿|海敏娜，黃帆，王永梅 /

作者單位：寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721013

鈦具有質(zhì)輕、比強度高、抗沖擊性高、耐海水腐蝕性能優(yōu)異、斷裂韌性好、疲勞強度高、焊接性能好、無磁、透聲性好、耐冷熱性優(yōu)異、抗放射性、減震抗噪等一系列優(yōu)點[1-10]，被譽為“海洋金屬”，是一種理想的、具前景的海洋工程裝備用結(jié)構(gòu)材料。

鈦在海洋工程裝備領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件、潛艇和深潛器的耐壓殼體、管件、閥及附件等，動力驅(qū)動裝置中的推進器和推進器軸，冷凝器、冷卻器、換熱器等，艦船聲吶導(dǎo)流罩、螺旋槳等[2-7]。但目前國內(nèi)仍未見有關(guān)海洋工程裝備用鈦材的選材手冊的報道，未見有關(guān)完善的海洋工程裝備用鈦及鈦合金使用評價體系的報道，這在很大程度上制約了鈦材在海洋工程裝備上的推廣使用。

本文在介紹鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域應(yīng)用特點的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國內(nèi)外形成的艦船用鈦及鈦合金體系和性能特征，論述了國內(nèi)外鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢，展望了鈦材在海洋裝備的應(yīng)用前景，以期對后續(xù)海洋工程裝備設(shè)計選材提供參考，從而大幅度加速推動鈦材在我國海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。

海洋工程裝備用鈦

為確保海洋裝備的戰(zhàn)技性能和航行的絕對安全可靠性，選擇合適的裝備材料至關(guān)重要。

鈦及鈦合金幾乎具備海洋裝備材料所需的全部特性，即鈦及鈦合金的諸多優(yōu)點。

物理特性

①質(zhì)輕。鈦密度為4.5 g/cm3，僅為鋼的57.7%，在艦船領(lǐng)域應(yīng)用可減輕船體質(zhì)量、增加載重、提高航速；②熱膨脹系數(shù)低，焊接應(yīng)力小，從而使部件焊接變形量?。虎蹮o磁性，在強磁場下也不會磁化，并可防電磁干擾，使裝磁引信的水雷或魚雷失效，避免磁性雷的攻擊，從而提高水下潛艇的隱身技術(shù)水平和反偵察能力；④導(dǎo)熱率與熱傳遞速率匹配良好，是理想的熱交換器材料；⑤透聲性好，鈦材透聲系數(shù)大于0.85，甚至高達(dá)0.98，是艦船聲吶導(dǎo)流罩最理想選材；⑥加工性良好，可通過多種加工方式如鑄造、軋制、鍛造、擠壓等生產(chǎn)鑄件、板材、絲材、型材、鍛件、復(fù)雜的零部件等。

力學(xué)性能

鈦及鈦合金力學(xué)性能優(yōu)異，其比強度高、塑性好，在-253～600 ℃范圍內(nèi)，它的屈強比和比強度在海洋裝備用金屬材料中最高；沖擊韌性良好，在-60～20 ℃范圍內(nèi)，無明顯韌-脆轉(zhuǎn)變點；斷裂韌性較高，在80～110 MPa·m1/2之間[2-3]。疲勞強度高，鈦材低應(yīng)力高周疲勞均在107周次以上。

腐蝕性能

鈦在海洋環(huán)境介質(zhì)中具有優(yōu)異耐腐蝕性能。由于鈦和氧親和力極高，在空氣或氧介質(zhì)中，鈦材表面極易快速形成一層薄、致密、堅固的氧化膜。鈦的氧化膜具有很強的自愈性，當(dāng)氧化膜受到破壞或劃傷后，也會很快自愈或再生，形成新的氧化膜。這層氧化膜可使鈦材幾乎不被自然海水腐蝕。

國內(nèi)外艦船用鈦材體系

鈦材是一種優(yōu)良的艦船材料，得到了各國海軍和造船業(yè)的青睞。近五十年來，俄羅斯、美國、中國和日本等先后都建立了適用于自己的艦船用鈦及鈦合金體系。

國外艦船用鈦材體系

俄羅斯、美國是最早研究艦船用鈦及鈦合金的國家，并各自形成艦船用鈦及鈦合金體系，日本相對較晚，艦船用鈦材體系較簡單。俄、美、日各國常見的艦船用鈦及鈦合金牌號及屈服強度σ0.2按低、中、高強度級別劃分見表1[1-3,6-10]。

表1 俄羅斯、美國、日本常見艦船用鈦及鈦合金牌號及屈服強度[1-3，6-10]

俄羅斯艦船用鈦及鈦合金研究及應(yīng)用水平居世界前列，是最早擁有專用艦船用鈦合金體系的國家，如船體鈦合金ΠT-1M，船機用鈦合金ΠT-7M、3M、37，動力工程用鈦合金ΠT-3B、40、5B、23a 等。幾十年來，俄羅斯在核潛艇、常規(guī)潛艇、水面艦艇、航空母艦、深潛器等艦船領(lǐng)域都大量采用了鈦材。

美國海軍自1963 年開始對艦船用鈦材進行大量的工程應(yīng)用研究，主要的船用鈦及鈦合金有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等，現(xiàn)已成功將鈦材應(yīng)用于各種水面艦艇、動力潛艇、民船等。

日本的船用鈦及鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，集中應(yīng)用于深潛器耐壓殼體、民用漁船、游船等。

國內(nèi)艦船用鈦材體系

國內(nèi)艦船用鈦材的研究始于1962 年，五十多年來，我國從研發(fā)到應(yīng)用已逐漸形成了較完整的艦船用鈦及鈦合金體系[1-3,6-9]，其屈服強度在320～1130 MPa 之間。業(yè)界通常按材料屈服強度大小對其分類，即屈服強度在500 MPa 以下為低強鈦合金，500～790 MPa 為中強鈦合金，高于790 MPa 為高強鈦合金。上述強度級別材料基本可滿足國內(nèi)艦船、潛艇、深潛器及深?？臻g站用結(jié)構(gòu)材料的指標(biāo)要求。現(xiàn)階段我國已制定了艦船用鈦及鈦合金板材、棒材、鍛件、無縫管材及鑄件的相關(guān)規(guī)范，具體艦船用鈦及鈦合金體系、性能、應(yīng)用及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)號見表2。

表2 我國艦船用鈦及鈦合金體系、性能及應(yīng)用[1-3,6-9]

與俄羅斯、美國相比，中國艦船用鈦及鈦合金體系還不夠完善，且應(yīng)用數(shù)據(jù)較少，無準(zhǔn)確、高效的艦船用鈦材的評價體系。

鈦材在海洋裝備上的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢

鈦材是海洋環(huán)境中最理想的材料，使用鈦材可使海軍艦船及裝備大大提高戰(zhàn)斗力、降低維護成本、延長使用壽命、提高隱蔽性[1,10]。俄、美、中國海軍已將鈦材廣泛應(yīng)用于深潛器、水下潛艇、水面艦艇、艦船等裝備的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、上層建筑及其他部件等[9-11]。

耐壓殼體

國內(nèi)外選用鈦材作為耐壓殼體的實例較多，主要用于深潛器載人球殼、潛艇殼體[11]，具體典型應(yīng)用所選用鈦材的牌號及拉伸性能見表3。

表3 國內(nèi)外載人球艙和潛艇耐壓殼體材質(zhì)、制備工藝及材料性能

國內(nèi)外深潛器載人球殼選用鈦材牌號主要有Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI(對應(yīng)國內(nèi)牌號TC4、TC4ELI)。很多深潛器載人球殼前期選用鋼材，但后期都采用鈦材替代，既可以減輕重量，增加下潛深度，又可以提高使用壽命。例如：①美國Alvin 深潛器，1964 年建造時采用的是HYl00 高強鋼(板厚33.8 mm)，下潛深度為2000 m，1973 年改建時將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49 mm)，下潛深度增加到3600 m，其輔助箱及高壓氣器也采用Ti-6Al-4VELI；②日本的“深海2000”載人球殼采用鋼材制備，后續(xù)在建造“深海6500”時選用鈦材制備載人球殼以增加下潛深度。

在潛艇耐壓殼體應(yīng)用方面，俄羅斯最早選用鈦材，是目前世界上使用鈦材制造耐壓殼體技術(shù)最先進最成熟的國家，其全鈦核潛艇制造選用的惟一的鈦材牌號為IIT-3B 鈦合金(對應(yīng)國內(nèi)牌號TA17)。近年來，國內(nèi)在建造潛艇時也更青睞于選用鈦材，牌號主要集中于TA17、TC4、TC4ELI、TC11、純鈦等。

除此之外，目前許多國家都正在建造大深度載人潛水器和大深度全鈦武器裝備。國內(nèi)建造的“奮斗者”號全海深載人潛水器已于2020 年11 月10 日成功挑戰(zhàn)全球海洋最深處——馬里亞納海溝，深度達(dá)10909 m，實現(xiàn)了中國人的深海夢，該深潛器的載人球殼材料為高強高韌損傷容限型鈦合金，由寶鈦股份制造；國內(nèi)已開始建造全鈦的大深度裝備。

海水管路系統(tǒng)

海水管路系統(tǒng)復(fù)雜、通徑規(guī)格多，所選材料要求具有耐海水腐蝕、強度高、疲勞性能好等特點，鈦材均可滿足，采用鈦合金制造的管道較傳統(tǒng)材料(碳鋼、不銹鋼、銅合金)優(yōu)勢顯著[1,9-10]。

(1)提高服役壽命，與艦船本體同壽命。俄羅斯對比研究了傳統(tǒng)材料和鈦材制造的管道系統(tǒng)服役壽命。結(jié)果表明，鈦材與艦船同壽命，只需投入一次，且在使用過程中僅需簡單維護即可；傳統(tǒng)材料服役期限約2～10 a，服役期內(nèi)必須定期維修，甚至更換，尤其是在高速推動環(huán)境作用下，各種接頭均會產(chǎn)生局部腐蝕。美國海軍艦船應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，鈦制管系壽命為40 a，銅鎳合金管系壽命只有6～8 a。國內(nèi)開展了采用“鈦合金”替代“銅合金”制造海水管路系統(tǒng)的驗證考核試驗，寶鈦提供的TA2 鈦無縫管材、配套管件和鈦法蘭在整套試驗系統(tǒng)運行近3 a 后，拆解檢驗管路及配套材料，均未發(fā)現(xiàn)有裂紋、孔洞和腐蝕等異常情況。

(2)降低成本。采用鈦合金部件，雖一次投入成本較高，但一次投入即可滿足全壽命使用，使用過程中僅需簡單維護保養(yǎng)，大量節(jié)省維修和維護費用。美海軍艦船熱交換器用的銅鎳合金管每年大約需更換97 km，而在LPD17 兩棲船塢運輸艦的2 個主海水配管系統(tǒng)上選用了Gr.2 純鈦管材，約1000 多個管件，總長度3350 m 以上，全壽命期節(jié)省成本達(dá)1700 萬美元。

綜上所述，鈦材在管路系統(tǒng)的使用，既可以減重、又可以實現(xiàn)與本體同壽命，同時，降低成本。近幾年，國內(nèi)已在022 艇等多型號海洋裝備上批量應(yīng)用。

上層建筑

目前，在國內(nèi)艦船上層建筑中也已有鈦材應(yīng)用實例，如：桅桿用Ti70(TA23)、雷達(dá)天線用TA5 和TA7 棒材、機庫蒙皮和框架結(jié)構(gòu)用TA2 和TA5 板材。

美海軍在LPD17 兩棲船塢運輸艦的關(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[10]。

其他領(lǐng)域應(yīng)用

除上述耐壓殼體、管路系統(tǒng)和上層建筑大量用鈦材外，國內(nèi)外海洋裝備上還有其他部件也有用鈦，應(yīng)用實例見表4。

表4 國內(nèi)外海洋裝備其他部件用常見鈦材

結(jié)束語

鈦合金不僅使海洋裝備實現(xiàn)向“深、大、遠(yuǎn)、高、低”的方向發(fā)展，也可完全實現(xiàn)與海洋裝備本體同壽命，是海洋裝備的最佳選材[11-14]。目前，我國對鈦材在海洋裝備上的應(yīng)用也越來越重視，用鈦量也在不斷的增加。深海耐壓殼體、海水管路、氣瓶、上層建筑、框架等將成為海洋用鈦的重點發(fā)展方向。

現(xiàn)階段國內(nèi)外鈦材在船舶領(lǐng)域應(yīng)用實例較多，但相關(guān)規(guī)范中材料體系并不完善。希望相關(guān)單位組織討論并完善現(xiàn)行“鈦制壓力容器”、“材料與焊接”等相關(guān)規(guī)范中的材料體系，以便于設(shè)計人員參考。