钛棒钛板等钛合金材料在船舶材料上的应用与发展

前言

舰船材料作为海洋环境下的结构材料，必须具有良好的强度、韧性和耐海水、海洋大气腐蚀能力。由于施工建造要求，必须具备良好的加工性和可焊接性。而钛合金由于具有良好的耐海水腐蚀性能、高强度比和无磁性等性能，在船舶材料中具有较好的发展前景。但是钛合金成本高、冶炼难度大，对钛及其合金失效研究还不够充分等问题制约了钛合金在舰船上的发展应用。本文主要介绍钛棒、钛板、钛锻件等钛合金的材料特性，国内外钛合金在舰艇中的应用，分析我国船舶用钛合金与国外的差距，并简要论述舰船钛合金材料的应用发展方向。

1、舰船用钛合金材料特性

钛合金，具有比强度高，耐蚀、耐高温，透声、无磁，抗弹性等优良特性。根据使用部位不同，钛及其合金可分为：舰船壳体用钛合金、动力工程用钛合金和船机用钛合金。按现有钛合金性能特性可分为：可焊结构钛合金、高强度钛合金、耐热钛合金、特型铸造钛合金、耐蚀钛合金、冷成型钛合金等。简要介绍一下钛合金有关性能。

1.1钛合金比强度高，望性好

钛合金强度范围变化很大，屈服强度从320MPa至1IOOMPa以上。表1为船体钢与船用钛合金强度、塑性比较：

表1几种船体钢、船用钛合金的强度与塑性比较材料

可知，Ti75合金的比强度高于HY-130钢，而塑性与其基本相当。

1.2 钛合金的冲击韧性和疲劳强度高

冲击韧性通常由测量材料在室温到较低温度(如-60℃)时的脆性转变点及冲击功来表征材料的冲击韧性。现有舰船钛合金，在室温条件下，冲击值均大于590KJ/m²在一60℃条件下，冲击值大于390KJ/m²，随着温度的下降，并无明显的脆性转变点。

1.3耐海水腐蚀

钛具有较高的活性，在海洋中易被氧化而形成薄而坚固的氧化膜，具有良好的耐海水腐蚀效果。

1.4钛合金其他物理特性

无磁性及抗核辐射。钛及钛合金无磁性，磁导率仅为3.2×10^-6厘米3/克。钛的热中子吸收截面为56×10^-28m²，在3~20×1019慢中子流辐射下，布氏硬度和屈服强度略有增加，延伸率、电阻率稍有下降，合金密度、几何尺寸无变化。

抗冲击震动特性冲击震动包括高的加速度运动对设备的冲击，外力突然施加与设备引起的冲击等。

1.5钛合金的缺点

1.5.1材料刚性较低，冷成型时材料回弹大，使设备制造难度大。

1.5.2焊接工艺要求高，由于钛在400℃以上易氧化，焊接易产生气孔及冷裂纹等缺陷。

2、钛合金在船舶上的使用

钛合金材料用于舰船上始于20世纪60年代。俄罗斯、钛制耐压壳体主要用在深海潜水器上。如制造美美国、日本及中国是最早开展钛合金在舰船上应用研究的国家。

2.1深海潜水器

钛制耐压壳体主要用在深海潜水器上。如制造美国Aivin号、Sea-Cliff号深潜器的壳体； Ti-6Al-4VELI合金用于法国SM 97号、日本“深海2000”号、美国海军深海救援艇(DSRV) 的壳体、浮力球等。我国自主设计建造的载人潜水器“蛟龙”号也由钛合金制造。

2.2声纳导流罩[2]

钛合金声纳导流罩综合性能优越，应用于俄罗斯“库尔斯克号”、“明斯克”、“基辅”等航空母舰。

2.3螺旋桨

钛合金螺旋桨材料强度高，在海水中抗疲劳性能好、能耐冲刷和空泡腐蚀。美国海军在水翼艇上使用直径为1500mm、四叶可拆式钛合金螺旋桨。

2.4舰船泵、阀及管系

由于温度和湿度的影响，船舶上的泵、阀和管使用铜、不锈钢制造管路，寿命只有2~5年；而钛合金制造的各种泵等，使用寿命远超铜或不锈钢制品。

经过近50年的研究，我国也已独立研制出Ti31、Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等一批具有自主知识产权的船用钛合金。

3、制约钛合金发展应用的因素

3.1钛合金材料成本高，制约了其在船舶上的应用。船舶材料金属用量大，种类多。首要的条件是成本问题131只有降低钛合金成本才能拓展钛合金在船舶领域的应用。

3.2钛合金材料强度等级配套性有待提高。从表7可以看到， 我国钛合金屈服强度从320MPa至590MPa间， 只有一个490MPa的铸造合金和一个耐高温海水缝隙腐蚀的特型合金，而俄罗斯在此强度内有两个强度为390MPa、490MPa变形合金和一个强度为400MPa的

铸造钛合金。在尺寸和重量上，我国也与其他国家有一定的差距。俄罗斯钛材厚度达150mm，铸造重量2.5吨，尺寸达2.5米。我国铸件单件重量小于800公斤，尺寸厚度也较小。

4、我国船舶钛合金材料应用研究发展方向

开展舰船低成本钛合金优化设计与制备基础技术研究；低成本海绵钛、低成本合金成分的设计与制备技术研究，开发出高性能低成本的钛合金材料[4]。进行工程化系统研究，先进的成形技术的应用；中厚板与厚截面锻件、铸件的快速焊接成形及质量控制技术等。

5、结语

本文介绍了船舶钛合金的性能特点及目前应用情况，并结合我国钛合金的制备、铸造和工程化运用提出相应的看法。随着钛合金科技的发展进步，在钛合金冶炼技术、制造工艺和体系建设方面将会出现较大的飞跃，钛合金材料将在船舶工业上得到广泛的应用。

参考文献

[1]舰船材料1973年3期 p30-35。

[2]稀有金属材料加工手册冶金工业出版社1994

[3]邹武装钛手册化学工业出版社2012

[4]中国冶金百科全书，冶金工业出版社，北京、2001

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