1、引言 鈦及鈦合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、無磁、焊接性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其是其優(yōu)良的耐海水腐蝕性能和良好的綜合性能，使它成為理想的艦船結(jié)構(gòu)材料，被公認(rèn)為海洋金屬。正是由于鈦及其合金具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，使得其在艦船、各類動力裝置、船舶機(jī)械、電子設(shè)備和武備等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。鈦合金最早應(yīng)用于航空工業(yè)，并于20世紀(jì)60年代才應(yīng)用于船舶行業(yè)，經(jīng)過近50年的發(fā)展已形成較完備的船用鈦合金產(chǎn)品及配套體系。 2、國外艦船用鈦合金材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用情況 俄羅斯、美國是最早從事艦船用鈦合金研究的國家。俄羅斯船用鈦合金的研究和實際應(yīng)用水平居世界前列，擁有專門的船用鈦合金系列，形成490MPa、585MPa、686MPa、785MPa強(qiáng)度級別的船用鈦合金產(chǎn)品，研究開發(fā)的船用鈦合金牌號有：船體用鈦合金兀T_1M，船機(jī)用鈦合金ⅡT.7M，動力工程用鈦合金OT4-1B、40、5B、23a等。 幾十年來，俄羅斯在核潛艇、水面艦船、常規(guī)潛艇、航空母艦、深潛器中都大量采用了鈦材L3]，如圖1所示為前蘇聯(lián)1968年12月下水的K166號全鈦殼體核 潛艇。該艇應(yīng)用了大量的鈦合金板材、管材、鍛件，潛艇的所有裝置全部是由鈦合金制造的。經(jīng)過近40年航行并承受不同的載荷和海洋環(huán)境變化，各種裝置及設(shè)備均未出現(xiàn)重大問題。 俄羅斯“阿爾法”級核潛艇耐壓殼體也是用鈦合金制造的，據(jù)稱下潛深度可達(dá)400ITI，水下航速42節(jié)，其鈦合金用量達(dá)3000t；俄“臺風(fēng)”級戰(zhàn)略核潛艇鈦合金用量達(dá)9000t，首艇水下排水量為26500t，水下航速達(dá)27節(jié)。其反應(yīng)堆一回路、二回路系統(tǒng)廣泛采用鈦合金材料，而且其反應(yīng)堆支撐及殼體結(jié)構(gòu)、管路及附件、容器等全部采用鈦合金材料。反應(yīng)堆系統(tǒng)重量輕，可實現(xiàn)彈性安裝，系統(tǒng)耐腐蝕性能好，一回路取消凈化系統(tǒng)，僅在艇大修、反應(yīng)堆換料時，整體換水就可滿足運(yùn)行水質(zhì)要求。俄羅斯同樣在深潛器上也大量使用了鈦合金。 俄羅斯除了在潛艇耐壓殼體結(jié)構(gòu)及設(shè)備上使用鈦合金，在其破冰船的核動力裝置中也大量使用了鈦及鈦合金，從各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，使用了全鈦合金核動力蒸汽發(fā)動機(jī)的艦船，其蒸汽發(fā)動機(jī)的壽命與艦船的服役期壽命是等同的。同時，針對鈦合金耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，鈦合金管道、閥門、泵、熱交換器等也在艦艇設(shè)計中大量采用。 美國對船用鈦合金也進(jìn)行了大量的工程研究，成功地將鈦用于各種動力的潛艇、水面艇、民用船，主要應(yīng)用的鈦合金有：純鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3A1-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3A1-8V-6Cr-4MO-4Zr。在美國，鈦合金的應(yīng)用范圍覆蓋了各類動力的潛艇、水面艦艇、民用船舶的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇葉片、推進(jìn)器、彈簧以及消防設(shè)備等。通過前期開展的相關(guān)研究工作，美國海軍也計劃在CVN-78中部分采用鈦合金材料，并計劃在開工建造之前做好較低成本的Ti合金部件的技術(shù)準(zhǔn)備工作。但目前存在的主要問題是部件制造成本較高以及船廠缺乏制造經(jīng)驗等，其設(shè)計部門正在開展鈦合金的焊接及其制造工藝(彎曲和成型)等關(guān)鍵技術(shù)研究工作。盡管鈦合金材料管系的前期投入比Cu-Ni合金材料管系高，但美國還是在LPD-17船的海水管系設(shè)計中選用了鈦合金管路及閥門，Avondale公司采用手工或自動GTAW(鎢極氬弧焊)方法來制造鈦合金材料管系，并使用特殊機(jī)械來完成管道接頭焊接，并在焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度；焊接時還嚴(yán)格控制所使用的填充金屬材料，并將填充金屬材料的端部時刻處于氬氣的良好保護(hù)之中，以避免空氣中雜質(zhì)的污染，同時采用超聲波硬度計來評定焊縫質(zhì)量等級。 3、國內(nèi)艦船用鈦合金材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用情況 我國船用鈦合金工業(yè)起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用鈦合金體系，目前已能生產(chǎn)板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等多種形式產(chǎn)品，能滿足一定強(qiáng)度級別的要求。主要船用鈦合金牌號有：純鈦、Ti31(635MPa級)、TA5(685MPa級)、Ti75(730MPa)、Ti-6Al-3Nb-1Mo合金(785MPa級)、rZTi60(590MPa級)、Ti80(780MPa級)。 在我國各型艦船工程中，利用鈦合金優(yōu)良耐海水腐蝕性能和良好的綜合性能，在采取傳統(tǒng)防腐措施無法達(dá)到理想防腐效果的系統(tǒng)中使用了鈦合金材料_7]。通過對鈦合金材料選型、工藝適應(yīng)性設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等系統(tǒng)化研究，結(jié)合材料優(yōu)化、涂層保護(hù)、異種金屬絕緣及包敷處理等綜合防腐治理措施，有效地解決了部分系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重的問題，提高了該系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。 近十年來，我國在深潛器用鈦合金、聲納導(dǎo)流罩用鈦合金等專用結(jié)構(gòu)及其合金的應(yīng)用研究中，也取得較大的進(jìn)步，一批噴水艇前后水翼上的首尾導(dǎo)流錐體已裝艇使用。某型艦新型鈦合金球鼻艏目前已研制成功并交付使用，新型高性能鈦合金球鼻艏具有強(qiáng)度高、剛性好、透聲性能優(yōu)異、內(nèi)部噪音低、質(zhì)量可靠、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，受到專家的高度 評價，填補(bǔ)了國內(nèi)高性能鈦合金球鼻艏研制的空白。同時，針對鈦合金透聲性能好的優(yōu)點(diǎn)，某型試驗船采用了舷側(cè)鈦合金透聲窗結(jié)構(gòu)，并成功解決了大型平面薄壁鈦合金結(jié)構(gòu)的焊接縱向收縮和平面扭曲失穩(wěn)變形、大面積鈦合金雙曲面成形、鈦、鋼連接部分的結(jié)構(gòu)水密性和電絕緣、焊接過程密封橡膠的隔熱等關(guān)鍵技術(shù)，圖2為該試驗船舷側(cè)陣鈦合金透聲窗外觀。 此外鈦合金也應(yīng)用在深潛器魚雷發(fā)射裝置、鞭狀天線、一回路系統(tǒng)的排污及安全設(shè)備，潛望鏡部件及雷達(dá)天線支座，各類熱交換器、冷卻器、管系、泵、閥，聲學(xué)裝置中的聲納導(dǎo)流罩、聲掃雷具以及螺旋槳等部位均取得較好的效果。  4、存在的不足及差距  雖然我國船用鈦合金從強(qiáng)度級別到使用部位與國外有對應(yīng)的合金，但品種、規(guī)格不夠完善，加工和制造技術(shù)與國外比相對落后。 我國常用的鈦及鈦合金板材與美國牌號的性能見表1。 就我國目前的鈦合金在艦船上的使用情況來看，使用范圍和目的都十分有限，對應(yīng)的鈦材料設(shè)備也比較匱乏。使用鈦合金材料作為防腐蝕措施目前只是在腐蝕最為嚴(yán)重的部分系統(tǒng)得到推廣使用，并未成為總體防腐蝕設(shè)計的一種普遍使用措施，而國外該措施已成為艦艇防腐蝕設(shè)計的首選方案。鈦合金所具備的良好的無磁性、透聲性能也未得到充分的運(yùn)用，鈦合金透聲窗、導(dǎo)流罩等技術(shù)還未在潛艇中得以推廣使用，而在國外鈦合金透聲窗、導(dǎo)流罩已作為成熟技術(shù)得到廣泛使用，從俄羅斯?jié)撏峡梢钥吹?，所有聲納導(dǎo)流罩都采用鈦合金制造。與發(fā)達(dá)國家相比，鈦合金材料研究及應(yīng)用的不足和差距主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1)雖然我國的船用鈦合金從強(qiáng)度級別到使用部位與國外有對應(yīng)的合金，但品種、規(guī)格不完善，加工和制造技術(shù)與國外比也相對落后，在設(shè)計中可供選擇的材料品種有限，目前大部分鈦合金材料都是針對航天、航空的需求而設(shè)計的，船用鈦合金材料大都是針對某些特定用途，如進(jìn)排氣系統(tǒng)、透聲窗等部位而研制的，缺乏可供各專業(yè)選擇，全船通用 的鈦合金材料系列。 2)近年來我國鈦合金制造工藝有了較大的提高，但與國外發(fā)達(dá)國家相比還存在著一定的差距。國外發(fā)達(dá)國家已研制出針對潛艇空間狹窄、管路布置復(fù)雜、現(xiàn)場安裝工作量大這一情況的特殊鈦合金安裝、切割工藝，使鈦合金在潛艇全船海水管系得以廣泛使用，目前我國在這方面的研究還是一片空白。 3)鈦合金與非鈦合金之間的電絕緣工藝復(fù)雜，對鈦合金材料的推廣使用也有較大的制約。 4)適用于艦船鈦合金材料使用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系十分欠缺，尤其是鈦合金材料的管系附件、閥件、緊固件標(biāo)準(zhǔn)基本上還是一片空白，而這些標(biāo)準(zhǔn)是鈦合金材料在艦船上大規(guī)模使用所必不可少的。 5、未來鈦合金應(yīng)用需求分析 隨著艦船設(shè)計及防腐蝕要求的進(jìn)一步提高，鈦合金的應(yīng)用需求將會越來越廣泛，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1)由于全壽命期間費(fèi)用低于目前采用的動力及管路系統(tǒng)用材料，鈦合金材料在動力及管路系統(tǒng)的大量應(yīng)用將成為我國艦艇工業(yè)發(fā)展趨勢。通過開發(fā)特殊性能、高強(qiáng)度鈦合金材料并進(jìn)行新工藝、新技術(shù)研究，擴(kuò)大鈦合金在各種高溫、高壓、耐腐蝕管路及熱交換器、海水淡化器、冷卻器、冷凝器等設(shè) 備的應(yīng)用。 2)在艦艇部分海水管系采用鈦合金，籍此提高海水系統(tǒng)安全性，降低修理成本，減小對艦船服役時間的影響，從而明顯降低生命周期成本。 3)鈦合金材料對提高聲納導(dǎo)流罩的透聲能力、減小聲納導(dǎo)流罩的插入損失、降低聲納導(dǎo)流罩內(nèi)部的自噪聲，尤其是降低聲納導(dǎo)流罩內(nèi)部的自噪聲對提高聲納設(shè)備探測距離非常有利。聲納導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)選用的透聲材料和采取的結(jié)構(gòu)形式是影響導(dǎo)流罩聲學(xué)性能、力學(xué)性能、制造、安裝工藝等的主要因素。鈦合金材料無磁，耐腐蝕，透聲性能好，比 重小，比強(qiáng)度高；橡膠材料吸收能量效果好，能起到隔振降噪作用，同時又有良好的透聲性能。如利用橡膠和鈦合金材料組合制成聲納導(dǎo)流罩透聲殼板，就可以充分利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)，在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，既可以減薄殼板厚度，改善聲納導(dǎo)流罩透聲性能，增加組合透聲殼板剛度，又可以降低聲納導(dǎo)流罩內(nèi)部自噪聲，使聲納導(dǎo)流罩的綜合技術(shù)性能得到大大提高。 4)全鈦合金船體也是艦艇船體結(jié)構(gòu)的一個重要發(fā)展方向，高速、超高速戰(zhàn)斗艦艇(地效應(yīng)艦艇等)、掃雷艇的船體結(jié)構(gòu)均可以采用臺合金制造。 5)鈦合金運(yùn)用于艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)中也是鈦合金的一個應(yīng)用發(fā)展方向。如美國西北大學(xué)開發(fā)出氮化鈦顆粒強(qiáng)化的BlastAlloy160，其抗拉強(qiáng)度達(dá)1100MPa，在低達(dá)一4O℃低溫下任能保持較好塑性，該多層桁架板材結(jié)構(gòu)能在關(guān)鍵部位起到一定的爆炸防護(hù)作用。 6、需開展的主要研究工作 通過與國外發(fā)達(dá)國家鈦合金材料及應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)的比較，結(jié)合目前鈦合金材料在艦艇上的使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，為滿足鈦合金的進(jìn)一步擴(kuò)大使用的發(fā)展需求，今后還需開展以下幾個方面的研究工作： 1)針對艦船使用要求，開發(fā)、研制船用鈦合金配套材料，并形成標(biāo)準(zhǔn)、系列，在不明顯降低其強(qiáng)度及韌性指標(biāo)的情況下，通過改進(jìn)配方、冶煉工藝、軋制工藝等，降低鈦及鈦合金成本，從而有助于鈦及鈦合金在艦船上的推廣應(yīng)用； 2)開展大型模擬件(如鈦合金夾芯聲納導(dǎo)流罩)實驗驗證工作，開展船用鈦合金成型及結(jié)構(gòu)鈦合金可焊接性研究；研究鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算、工藝性能分析、壽命及失效模式分析以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測等相關(guān)技術(shù)，為裝備的制造、使用提供指導(dǎo)性文件； 3)開展針對艦船空問狹窄、管路布置復(fù)雜、現(xiàn)場安裝工作量大這一特殊要求的鈦合金安裝、切割工藝研究，開展大厚板以及配套焊材的新工藝、新技術(shù)研究，解決焊接等制造技術(shù)方面的問題并改進(jìn)其性能及工藝，使其滿足艦船應(yīng)用要求； 4)進(jìn)行鈦合金電絕緣工藝研究，提高鈦合金電絕緣工藝性； 5)對于承受較大沖擊力的結(jié)構(gòu)部件及連接件，目前所能選用的鈦合金材料的表面硬度、抗沖擊能力還有一定的缺陷，建議在鈦合金表面處理方面進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究； 6)建立、完善船用鈦合金材料的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系，尤其是鈦合金材料的管系附件、閥件、緊固件的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，使船用鈦合金材料及相關(guān)的鈦合金通用件做到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化； 7)針對鈦合金高比強(qiáng)度，開展全鈦合金高速、超高速戰(zhàn)斗艦艇(地效應(yīng)艦艇等)設(shè)計、建造方法研究；針對鈦合金低磁性的特點(diǎn)，開展全鈦合金掃雷艇的設(shè)計、建造方法研究。 7、結(jié)語 實踐證明，鈦合金是一種經(jīng)過長期海情考驗、理想的艦船用材料，鈦合金材料的使用可以大大提高艦船的整體性能。我國鈦合金發(fā)展至今天，已初步形成了較完善的材料技術(shù)體系，但是與國外的差距還很大，體現(xiàn)在應(yīng)用型號和應(yīng)用范圍、用材量、鈦制品建造工藝等諸多方面，我國鈦合金在艦船制造業(yè)大量應(yīng)用鈦合金還處于發(fā)展階段。隨著船舶行 業(yè)的發(fā)展和高性能低成本艦船鈦合金的研發(fā)，鈦合金材料的應(yīng)用前景是十分光明的。 參考文獻(xiàn) [1] 王向東，等.2006年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告ER].中國有色金屬協(xié)會鈦鋯鉿分會 [2] 王向東，等.2007年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告[R].中國有色金屬協(xié)會鈦鋯鉿分會 [3] 寧興龍.俄羅斯艦船用鈦EJ].鈦工業(yè)進(jìn)展，2003 [4] 王向東.金屬學(xué)報EJ]，1999，35：1 [5] Ti75合金板材技術(shù)條件.七二五所 [6] Ti80合金板材技術(shù)條件.七二五所 [7] 黃曉艷，劉波.艦船用結(jié)構(gòu)材料的現(xiàn)狀與發(fā)展EJ].船舶，2004，(6) [8] 吳海峰，張治民，李保成.鈦合金及其成型技術(shù)在民品中的應(yīng)用前景I-j].鍛壓技術(shù)，2003，(4) [9] 陳軍，趙永慶，常輝.中國船用鈦合金的研究和發(fā)展EJ].材料導(dǎo)報，2004，(19) 相關(guān)鏈接 2021-11-30 TC11鈦合金材料氬弧焊補(bǔ)焊工藝研究 2021-11-30 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