1、引言 鈦及鈦合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的新型結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、無(wú)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(lèi)動(dòng)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(guò)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(guó)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(guó)是最早從事艦船用鈦合金研究的國(guó)家。俄羅斯船用鈦合金的研究和實(shí)際應(yīng)用水平居世界前列，擁有專(zhuān)門(mén)的船用鈦合金系列，形成490MPa、585MPa、686MPa、785MPa強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金產(chǎn)品，研究開(kāi)發(fā)的船用鈦合金牌號(hào)有：船體用鈦合金兀T_1M，船機(jī)用鈦合金ⅡT.7M，動(dòng)力工程用鈦合金OT4-1B、40、5B、23a等。 幾十年來(lái)，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(hào)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(guò)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(wèn)題。 俄羅斯“阿爾法”級(jí)核潛艇耐壓殼體也是用鈦合金制造的，據(jù)稱(chēng)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(tái)風(fēng)”級(jí)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(shí)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(shí)，整體換水就可滿(mǎn)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(dòng)力裝置中也大量使用了鈦及鈦合金，從各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，使用了全鈦合金核動(dòng)力蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的艦船，其蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命與艦船的服役期壽命是等同的。同時(shí)，針對(duì)鈦合金耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，鈦合金管道、閥門(mén)、泵、熱交換器等也在艦艇設(shè)計(jì)中大量采用。 美國(guó)對(duì)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(dòng)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(guó)，鈦合金的應(yīng)用范圍覆蓋了各類(lèi)動(dòng)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(guò)前期開(kāi)展的相關(guān)研究工作，美國(guó)海軍也計(jì)劃在CVN-78中部分采用鈦合金材料，并計(jì)劃在開(kāi)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(wèn)題是部件制造成本較高以及船廠缺乏制造經(jīng)驗(yàn)等，其設(shè)計(jì)部門(mén)正在開(kāi)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(guó)還是在LPD-17船的海水管系設(shè)計(jì)中選用了鈦合金管路及閥門(mén)，Avondale公司采用手工或自動(dòng)GTAW(鎢極氬弧焊)方法來(lái)制造鈦合金材料管系，并使用特殊機(jī)械來(lái)完成管道接頭焊接，并在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度；焊接時(shí)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(shí)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(shí)采用超聲波硬度計(jì)來(lái)評(píng)定焊縫質(zhì)量等級(jí)。 3、國(guó)內(nèi)艦船用鈦合金材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用情況 我國(guó)船用鈦合金工業(yè)起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)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(mǎn)足一定強(qiáng)度級(jí)別的要求。主要船用鈦合金牌號(hào)有：純鈦、Ti31(635MPa級(jí))、TA5(685MPa級(jí))、Ti75(730MPa)、Ti-6Al-3Nb-1Mo合金(785MPa級(jí))、rZTi60(590MPa級(jí))、Ti80(780MPa級(jí))。 在我國(guó)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(wú)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(guò)對(duì)鈦合金材料選型、工藝適應(yīng)性設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(wèn)題，提高了該系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。 近十年來(lái)，我國(guó)在深潛器用鈦合金、聲納導(dǎo)流罩用鈦合金等專(zhuān)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(zhuān)家的高度 評(píng)價(jià)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高性能鈦合金球鼻艏研制的空白。同時(shí)，針對(duì)鈦合金透聲性能好的優(yōu)點(diǎn)，某型試驗(yàn)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(guò)程密封橡膠的隔熱等關(guān)鍵技術(shù)，圖2為該試驗(yàn)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(yú)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(lèi)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(guó)船用鈦合金從強(qiáng)度級(jí)別到使用部位與國(guó)外有對(duì)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(guó)外比相對(duì)落后。 我國(guó)常用的鈦及鈦合金板材與美國(guó)牌號(hào)的性能見(jiàn)表1。 就我國(guó)目前的鈦合金在艦船上的使用情況來(lái)看，使用范圍和目的都十分有限，對(duì)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(jì)的一種普遍使用措施，而國(guó)外該措施已成為艦艇防腐蝕設(shè)計(jì)的首選方案。鈦合金所具備的良好的無(wú)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(guó)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峡梢钥吹剑新暭{導(dǎo)流罩都采用鈦合金制造。與發(fā)達(dá)國(guó)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(gè)方面： 1)雖然我國(guó)的船用鈦合金從強(qiáng)度級(jí)別到使用部位與國(guó)外有對(duì)應(yīng)的合金，但品種、規(guī)格不完善，加工和制造技術(shù)與國(guó)外比也相對(duì)落后，在設(shè)計(jì)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(duì)航天、航空的需求而設(shè)計(jì)的，船用鈦合金材料大都是針對(duì)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(zhuān)業(yè)選擇，全船通用 的鈦合金材料系列。 2)近年來(lái)我國(guó)鈦合金制造工藝有了較大的提高，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在著一定的差距。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出針對(duì)潛艇空間狹窄、管路布置復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)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(guó)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(duì)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(lái)鈦合金應(yīng)用需求分析 隨著艦船設(shè)計(jì)及防腐蝕要求的進(jìn)一步提高，鈦合金的應(yīng)用需求將會(huì)越來(lái)越廣泛，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1)由于全壽命期間費(fèi)用低于目前采用的動(dòng)力及管路系統(tǒng)用材料，鈦合金材料在動(dòng)力及管路系統(tǒng)的大量應(yīng)用將成為我國(guó)艦艇工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)開(kāi)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(duì)艦船服役時(shí)間的影響，從而明顯降低生命周期成本。 3)鈦合金材料對(duì)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(duì)提高聲納設(shè)備探測(cè)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(wú)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(shí)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(gè)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(tái)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(gè)應(yīng)用發(fā)展方向。如美國(guó)西北大學(xué)開(kāi)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(kāi)展的主要研究工作 通過(guò)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，為滿(mǎn)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(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究工作： 1)針對(duì)艦船使用要求，開(kāi)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(guò)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(kāi)展大型模擬件(如鈦合金夾芯聲納導(dǎo)流罩)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，開(kāi)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(jì)及計(jì)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(cè)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(kāi)展針對(duì)艦船空問(wèn)狹窄、管路布置復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(wèn)題并改進(jìn)其性能及工藝，使其滿(mǎn)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(duì)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(duì)鈦合金高比強(qiáng)度，開(kāi)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(jì)、建造方法研究；針對(duì)鈦合金低磁性的特點(diǎn)，開(kāi)展全鈦合金掃雷艇的設(shè)計(jì)、建造方法研究。 7、結(jié)語(yǔ) 實(shí)踐證明，鈦合金是一種經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期海情考驗(yàn)、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(guó)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(guó)外的差距還很大，體現(xiàn)在應(yīng)用型號(hào)和應(yīng)用范圍、用材量、鈦制品建造工藝等諸多方面，我國(guó)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(guó)鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)告ER].中國(guó)有色金屬協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì) [2] 王向東，等.2007年中國(guó)鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)告[R].中國(guó)有色金屬協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì) [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(bào)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(guó)船用鈦合金的研究和發(fā)展EJ].材料導(dǎo)報(bào)，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 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