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钛合金在舰船上的研究及应用进展

行业资讯 | 2019-07-02 211


钛合金是以钛元素为基材加入其他元素组成的合金,具有密度小、比强度大、耐腐蚀性好、耐热耐低温性好、无磁性、抗冲击性好、焊接性能好等突出优点,广泛应用于化工、航空航天、电力、体育休闲、船舶、海洋工程、医药、冶金等领域。在船舶和海洋工程领域,由于构件要经受严峻海洋环境的考验,其制作船体构件的材料应具备良好的耐腐蚀性、耐热耐低温性和抗冲击性,同时其焊接性能要好,而钛合金材料在具备上述优点的同时,其密度小、比强度大的特点,也大大提升了装备的性能。

钛合金在舰船上的应用提高了舰船在海洋环境中的服役寿命和装备的性能。因此,钛及钛合金被誉为“未来金属”、“第3种金属”、“海洋金属”等。由于钛合金的优异性能及其在海洋工程和军事领域中的重要应用,俄罗斯、美国、中国、法国、日本等多国均对钛合金的研究开发给予高度重视。

01

舰船用钛合金的研究进展

舰船用钛合金的研究主要集中在俄罗斯、美国、中国等国,经过几十年的研究开发,都形成了适应本国发展需求和特色的船用钛合金体系。

1.俄罗斯

俄罗斯是世界上最早开始研究舰船用钛合金的国家,并具有长期的钛合金实践经验。经过多年的积累,俄罗斯已经研制出490MPa、585MPa、686MPa、785MPa等多强度级别的船用钛合金,如钛(Ti)-0.3钼(Mo)-0.8镍(Ni)、Ti-3铝(Al)-2.5钒(V)、Ti-6Al-2铌(Nb)-1钽(Ta)-0.8Mo等。俄罗斯主要的船用钛合金牌号有PT-3V、40、17,PT-7M、PT-1M、3M、5V,TL-3、TL-5、PT-7MW等。不同类别的钛合金有不同的应用形式,如PT-3V应用于焊接件,而PT-7M则主要应用于管路。多年的研发实践让俄罗斯在舰船用钛合金的研究和应用领域处于全球领先地位。

俄罗斯的船用钛合金体系是按照钛合金在舰船上的用途进行构建,主要分为船体用钛合金、船舶机械用钛合金、船舶动力工程用钛合金等。如上述提到的PT-1M属于船体用钛合金,3M属于船舶机械用钛合金,钛合金40属于船舶动力工程用钛合金。但是该分类方法也存在一定问题,一种钛合金可能应用于多个分类下的产品,存在交叉应用。

2.美国

美国舰船用钛合金是在航空航天用钛合金的基础上开始的。1950年,美国海军开始意识到可以将钛及钛合金材料应用于舰船,并开始进行尝试研究,选取适用于海洋环境的钛合金。1963年,美国对钛及钛合金材料应用于船舶进行大规模的研发,并取得了成功,如在美国“阿尔文”号深潜器的壳体制备中就运用了钛合金材料,将下潜深度由原来的1868m提高到3658m。

目前,美国主要应用的钛合金包括纯钛、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo等。美国将常用的钛合金按照ASTMB265的等级进行划分,包括Gr.1、Gr.2、Gr.3、Gr.5、Gr.9、Gr.12、Gr.20、Gr.32。Gr.1、Gr.2、Gr.3成分为工业纯钛1、2、3级,Gr.5成分为Ti-6Al-4V,Gr.9成分为Ti-3Al-2.5V,Gr.12成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni,Gr.20成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo,Gr.32成分为Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si。不同等级的钛及钛合金的性能不同。纯钛制备成本比较低,但是强度没有钛合金高。钛合金常用于制备舰船的结构件、紧固件、管线、泵、阀等。Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si具有良好的断裂韧性和抗应力腐蚀性能,其可焊接性、抗冲击性等性能都优于其他等级的钛合金,常被用于制备结构件和紧固件。

3.中国

20世界60年代,中国开始进行船用钛合金的研制工作。经过几十年的发展,我国的钛合金研发和应用水平有了很大的提升,可满足建造舰船时不同部位和不同强度级别的要求,能批量生产板、中厚板、锻件、管、各种丝、环材铸件等不同形式的产品。我国在从事船用钛合金自主研发方面具有代表性的机构分别是西北有色金属研究院、上海钢铁研究所和宝鸡钛业股份有限公司。西北有色金属研究院的研发成果有Ti-硼(B)19,合金成分为Ti-V-铬(Cr)-Mo-锆(Zr)-Al;Ti75合金,成分为Ti-3Al-2Mo-2Zr;Ti91合金,成分为Ti-Al-铁(Fe)。上海钢铁研究所以Ti80为代表,成分为Ti-6.0Al-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo,屈服强度达900MPa,是近α型高强钛合金,耐腐蚀性强。宝鸡钛业股份有限公司具有代表性的钛合金为Ti631,其成分为Ti-6Al-3Nb-1Mo,是785MPa级的船用钛合金。

目前,我国已经形成了具有本国特色的船用钛合金体系,屈服强度范围广,最高屈服强度达1150MPa。在我国的船用钛合金体系中,按照屈服强度将合金分为低强钛合金、中强钛合金金和高强钛合金。屈服强度低于590MPa为低强钛合金,主要有TA2(320MPa级),Ti31(490MPa级),ZTA5(490MPa级),TA5A(590MPa级);屈服强度在590~725MPa之间的为中强钛合金,主要有ZTi60(590MPa级),Ti70(590MPa级),Ti91(600MPa级),Ti75(630MPa级),ZTA7(725MPa级);屈服强度高于785MPa为高强钛合金,主要有Ti80(785MPa级),ZTC4(800MPa级),TC4(825MPa级),TC11(900MPa级),TiB19(1150MPa级)。

02

钛合金在舰船上的应用

钛及钛合金材料在舰船上的应用十分广泛,除去船舶属具与舱室设施以外的所有大的设备、零部件均可能使用到钛及钛合金材料,如电子信息系统、电力系统、辅助系统、船体结构件、推进系统等。国外钛合金材料主要应用于船体结构材料,舰船泵、阀、管道及其他配件,动力驱动装置,热交换器、冷凝器、冷却器、蒸发器,声学装置等;国内钛合金材料则主要应用在深潜器,动力驱动装置,舰载雷达、电子设备,紧固件等。

1.耐压壳体

在舰船领域,主要应用钛合金耐压壳体的是深潜器和潜艇。钛合金比强度大、耐腐蚀性好、无磁性等特点使其成为制造深海设备耐压壳体的优质材料。

俄罗斯是最早在核潜艇上使用钛合金耐压壳体的国家,也是世界技术领先者。从20世纪60年代开始,俄罗斯(前苏联)制造了一系列的钛合金潜艇。最开始,俄罗斯制造了661号钛合金巡航导弹核潜艇,这是一个试验艇。后来,俄罗斯相继制造了7艘“阿尔法”级钛合金潜艇,1艘“麦克”级潜艇,4艘“塞拉”级潜艇。这几艘核潜艇都是攻击型,其中“阿尔法”级钛合金潜艇钛合金使用量达3000t。俄罗斯制造的“台风”级核潜艇是世界上最大体积和吨位的潜艇,其用钛量达9000t。当前,俄罗斯最新一代的“北风之神”级核潜艇也使用的是钛合金耐压壳体。

钛合金耐压壳体的另一个重要应用是深潜器。“蛟龙”号载人潜水器是我国自主研制的载人潜水器,设计的最大下潜深度为7000多米。“蛟龙”号载人潜水器的耐压壳体使用的是钛合金材料。目前,世界上主要的大深度载人潜水器中,多数选用钛合金材料作为耐压壳体的制备材料。例如美国的Alvin号和NewAlvin号,中国的“蛟龙号”,法国的Nautile号,日本Shinkai6500号等大深度载人潜水器的壳体材料都是钛合金[9]。钛合金成为深潜器耐压壳体的首选材料。

2.动力推进装置

舰船的螺旋桨由于受海水和海洋气候的影响,螺旋桨材料需要有较高的腐蚀疲劳强度和抗空蚀能力。与铜合金、钢相比,钛合金在腐蚀疲劳强度和抗空蚀能力方面具有优势。此外,由于钛合金的密度小,在制作同等规模的螺旋桨时,与其他常用材料相比,钛合金螺旋桨的质量小。因此,使用钛合金螺旋桨的舰船的驱动效率更高。结合钛合金螺旋桨的高腐蚀疲劳强度和抗空蚀能力,其维护和保养会更容易,延长了螺旋桨的服役寿命。钛合金是理想的舰船螺旋桨材料。

俄罗斯、英国等早在20世纪60年代就开始尝试在舰船上使用钛合金螺旋桨。如俄罗斯在其“阿尔法”级和“麦克”级等核潜艇中都使用了钛合金螺旋桨。美国也已经在多艘舰船上使用钛合金螺旋桨。例如,美国海军在50t级的研究型猎潜艇使用的是直径为812.8mm的,三叶片、可拆式、超空泡钛合金螺旋桨。“阿希维尔”号高速炮艇使用的是四叶片变螺距钛合金螺旋桨。美国大型军用水翼艇“普兰维尤”号利用的是由Ti-6Al-4V材料制造的直径为1.52m的,四叶片、可拆式、超空泡钛合金螺旋桨。我国也已经成功研制了多种钛合金螺旋桨,并成功运用在多艘舰船上。例如,1972年研制成功Ti-5Al-2.5Sn和Ti-6Al-4V钛合金水翼艇螺旋桨,到目前为止已经在多艘舰船上使用。多年的使用结果显示,钛合金螺旋桨的耐腐蚀性强,其使用寿命是传统铜合金螺旋桨的3倍之多。

除舰船的螺旋桨外,钛合金材料还应用在舰船的发动机上。如俄罗斯制造的原子动力破冰船使用了含钛合金材料的蒸汽发动机。使用钛合金动力推进装置,能够使舰船在航行时不受因切割地球磁力线而产生较大的感应电流的影响。此外,一些舰船的喷水推进装置也使用了钛合金材料,如美国SES-100A试验艇和日本的“PT-10”号鱼雷艇。他们的喷水推进装置使用了工业纯钛和钛合金锻件,减轻了装置的质量,提高了喷水推进装置的效率。

3.泵、阀、管道和其他配件

俄罗斯对舰船管道系统运行的要求是结构材料应该保证在第一次进船坞修理前有8~9年的使用寿命,系统完全更换前的使用寿命不应少于15年。该要求能够保障所有级别的船舶可以有效服役25~30年。而舰船在海上进行作业,因此舰船上的泵、阀、管道和其他配件面临着严峻的海洋环境的考验。

俄罗斯民用船舶的管道系统一般根据水流的速度而选用M3C铜管,MH-5-1铜合金管,而阀门、泵、热交换器则使用铜合金。如果舰船的管道使用铜合金材料,其在第2年就有可能已经出现腐蚀破坏,难以满足上述所提的使用要求。为了满足使用要求,可能需要加厚管道的厚度,同时为保障水流速度,需要扩大管道的直径。船舶的整体管道系统的重量和造价增加了。

然而,俄罗斯军舰的泵、阀、管道等较多使用钛合金材料。军舰的服役时间较长,其使用实践证明,钛合金管道、阀门、泵、热交换器等产品的抗海水腐蚀性强,具有较长的使用寿命。如果全部使用钛材制造舰船取水系统时,可显著延长系统寿命并提高使用可靠性。

美国海军在舰船上使用钛合金管道系统。与传统的铜镍合金管道相比,钛合金抗腐蚀能力强,即使在高速流动的海水中(流速为13m/s的情况下),也不会被海水冲刷腐蚀,特别适用于工作介质为动海水、高流速、高压的管路。因此,在保证同样海水流量情况下,钛合金的高抗腐蚀性允许管道设计得更薄,管道的直径变小,其所占舰船的空间变小,布置的灵活性增强,维护成本也有所降低。此外,钛合金的密度小,约为铜镍合金的一半,其制造的管路质量小,从而使得用于辅助支撑管路的设备减少。舰船的负载变少,油耗降低。

4.声学装置

舰船上的声学装置也可使用钛合金材料,如声呐导流罩、水声换能部件、传声器、电话零件等的制造。声呐是舰船在水下进行目标探测的最有效设备。我国多使用不锈钢和纤维增强的玻璃钢,但是与钛合金材料相比,其透声性能和耐撞性能相对较弱。俄罗斯已经将钛合金制声呐导流罩应用于“库尔斯克号”核潜艇、“明斯克”航母、“基辅”号航母等,实际声呐探测效果较好。

03

结语

舰船是国家海军力量的重要组成部分,为舰船制造选择优异的材料十分关键。钛合金材料拥有众多优异的性能,可广泛应用于舰船制造。世界上的军事强国关于舰船用钛合金的研发和应用已经经过几十年的发展,在舰船壳体、动力推进装置、管路、声呐等方面拥有众多的成功案例。当前,这些国家依旧将钛合金视为具有战略意义的新材料,重视钛合金的研究和应用。未来将会出现更多种性能优异的钛合金材料和成功的应用案例。(DOI:10.19599/j.issn.1008-892x.2018.12.003)



钛合金是以钛元素为基材加入其他元素组成的合金,具有密度小、比强度大、耐腐蚀性好、耐热耐低温性好、无磁性、抗冲击性好、焊接性能好等突出优点,广泛应用于化工、航空航天、电力、体育休闲、船舶、海洋工程、医药、冶金等领域。在船舶和海洋工程领域,由于构件要经受严峻海洋环境的考验,其制作船体构件的材料应具备良好的耐腐蚀性、耐热耐低温性和抗冲击性,同时其焊接性能要好,而钛合金材料在具备上述优点的同时,其密度小、比强度大的特点,也大大提升了装备的性能。

钛合金在舰船上的应用提高了舰船在海洋环境中的服役寿命和装备的性能。因此,钛及钛合金被誉为“未来金属”、“第3种金属”、“海洋金属”等。由于钛合金的优异性能及其在海洋工程和军事领域中的重要应用,俄罗斯、美国、中国、法国、日本等多国均对钛合金的研究开发给予高度重视。

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