艦艇用鈦合金技術(shù)應(yīng)用分析

田 非 楊雄輝

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

艦艇用鈦合金技術(shù)應(yīng)用分析

田 非 楊雄輝

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

鈦合金以其高比強(qiáng)度、耐腐蝕性能好、透聲性好等綜合性能優(yōu)越特性，越來越廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、船舶等行業(yè)。本文概述了艦船用鈦合金的一般特點(diǎn)并給出了艦船用鈦合金的類型特性，闡述了俄羅斯、美國艦船用鈦合金材料的應(yīng)用發(fā)展情況；給出了國內(nèi)艦船鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合我國艦艇發(fā)展特點(diǎn)，提出了我國艦船用鈦合金發(fā)展方向以及建議，并提出了發(fā)展艦船鈦合金結(jié)構(gòu)件需開展的相關(guān)工作。

艦船；鈦合金；應(yīng)用

1 引言

鈦及鈦合金作為一種優(yōu)秀的艦船材料，具有以下特點(diǎn)：

1）密度小，重量輕，在具有高比強(qiáng)度的同時，具有良好的韌性及抗脆性斷裂強(qiáng)度；

2）鈦在中性和氧化性氣氛及眾多惡劣環(huán)境中，具有比其它常用金屬高得多的耐腐蝕性能，在長期處于高溫、高濕及海水飛濺的海洋氣氛中能具有良好的抗腐蝕能力；

3）同時它還具備低磁性、透聲性能好以及抗沖擊振動、耐熱耐低溫、加工性能好等優(yōu)良綜合性能。

正因?yàn)殁伡捌浜辖鹁哂幸陨现T多優(yōu)點(diǎn)，使得鈦合金在船體結(jié)構(gòu)件、潛艇耐壓殼體、管道、閥及配件、動力裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷凝器、冷卻器、聲納導(dǎo)流罩等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

鈦合金最早應(yīng)用于航空工業(yè)，并于20世紀(jì)60年代開始應(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 國內(nèi)外鈦合金材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

俄羅斯、美國、中國是最早從事艦船用鈦合金材料研究的國家。

2.1 歐美國家船用鈦合金材料研究現(xiàn)狀

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，形成490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa等強(qiáng)度級別的船用鈦合金系列產(chǎn)品，研究開發(fā)的船用鈦合金牌號有：船體用鈦合金ПT－1M，船機(jī)用鈦合金ПT－7M，動力工程用鈦合金ОT4－1B、40、5B、23а等［1］。

美國對船用鈦合金也進(jìn)行了大量的工程研究，成功地將鈦合金用于潛艇、水面艦艇、民用船，主要應(yīng)用的鈦合金有：Ti－0.3Mo－0.8Ni、Ti－3A1－2.5V、Ti－6Al－4V、Ti－6Al－4V ELI、Ti－6A1－2Nb－1Ta－0.8Mo、Ti－3Al－8V－6Cr－4Mo－4Zr［2］。

2.2 我國船用鈦合金材料研究進(jìn)展

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，且已能生產(chǎn)板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等多種形式產(chǎn)品，能滿足不同強(qiáng)度級別和不同部位的要求［3］。主要船用鈦合金牌號有：Ti31、TA5、Ti75、Ti80、Ti－6AI－3Nb－1Mo合金等，能滿足水面艦艇、潛艇和深潛器的使用需求。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。

表1列出了常用鈦合金類型使用特性對比，從使用價格、工程通用化以及強(qiáng)度適用等級來考慮，α型鈦合金已滿足了造船業(yè)的使用需求，因此α型以及近α型鈦合金材料在艦船上應(yīng)用較多。

表1 常用鈦合金類型特性

3 國內(nèi)外艦船鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著船用鈦合金技術(shù)的發(fā)展，鈦合金已廣泛應(yīng)用于各型艦艇的船體結(jié)構(gòu)及動力、管路等設(shè)備，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。

3.1 俄羅斯艦船鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

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，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，其結(jié)構(gòu)殼體、管路系統(tǒng)以及大量裝置和機(jī)器設(shè)備均用鈦合金制造。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［4］。

圖1 K166核潛艇

俄羅斯“阿爾法”級核潛艇耐壓殼體也是用鈦合金制造的，其鈦合金用量達(dá)3 000 t；俄“臺風(fēng)”級戰(zhàn)略核潛艇鈦合金用量達(dá)9 000 t，首艇水下排水量為26 500 t。俄羅斯同樣在深潛器上也大量使用了鈦合金［5］。鈦合金由于透聲性能好，被大量應(yīng)用在聲納系統(tǒng)中，國外許多大型戰(zhàn)斗艦艇如俄羅斯現(xiàn)代級，其聲納導(dǎo)流罩采用鈦合金制造。

俄羅斯除了在潛艇耐壓殼體結(jié)構(gòu)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；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(jì)中大量采用。

3.2 美國艦船鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

在美國，鈦合金也大量應(yīng)用于各類動力的潛艇、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)扇的葉片、推進(jìn)器、彈簧以及消防設(shè)備。

通過前期開展的相關(guān)研究工作，美國海軍也計(jì)劃在CVN－78中部分采用鈦合金結(jié)構(gòu)，并計(jì)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［6］。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(yàn)等，其設(shè)計(jì)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(jì)中選用了鈦合金管路及閥門［7］，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，同時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(jì)來評定焊縫質(zhì)量等級。

3.3 我國艦船鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國，鈦合金在艦船應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣，包括船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)到特種裝置等。

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，取得較大的進(jìn)步。我國自行研制生產(chǎn)、下潛深度達(dá)7 000 m的載人深潛器，其主要結(jié)構(gòu)均采用鈦合金制造；新型鈦合金球鼻艏目前已經(jīng)應(yīng)用，該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)，在試驗(yàn)船上采用了舷側(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、鈦合金與鋼結(jié)構(gòu)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(yàn)船舷側(cè)陣鈦合金透聲窗外觀。

圖2 某型試驗(yàn)船鈦合金舷側(cè)陣透聲窗外觀

此外鈦合金也應(yīng)用在鞭狀天線、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、閥等部位，同時在聲吶導(dǎo)流罩、聲掃雷具以及螺旋槳等部位也應(yīng)用了鈦合金，均取得較好的效果。

4 我國鈦合金在艦船上的發(fā)展方向

針對國內(nèi)外艦艇用鈦合金材料應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀，在此提出了我國鈦合金材料在艦艇上應(yīng)用方向，如下：

1）全鈦合金船體是艦艇船體結(jié)構(gòu)的一個重要發(fā)展方向。鑒于我國目前無相關(guān)的實(shí)際建造經(jīng)驗(yàn)，可開展全鈦合金艦艇的研究設(shè)計(jì)工作，例如：

a）針對鈦合金高比強(qiáng)度，開展全鈦合金高速、超高速戰(zhàn)斗艦艇的設(shè)計(jì)、建造方法研究；

b）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(jì)、建造方法研究。

2）潛艇的下潛深度及航行性能直接影響其生存能力及海上作戰(zhàn)性能。正是由于鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，故潛艇的耐壓殼體、魚雷艙等部位是鈦合金材料發(fā)展方向之一，通過降低鈦材成本，開發(fā)新工藝、新技術(shù)，加快鈦合金在大潛深潛艇的大量應(yīng)用。

3）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。

4）通過開發(fā)新材料并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)如超塑性成型工藝［8］，將鈦合金運(yùn)用于艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)中。如美國西北大學(xué)開發(fā)出氮化鈦顆粒強(qiáng)化的Blast Alloy 160，其抗拉強(qiáng)度達(dá)1 100 MPa，在低達(dá)－40℃低溫下任能保持較好塑性，該多層桁架板材結(jié)構(gòu)能起到關(guān)鍵部位的爆炸防護(hù)作用［9］。

5 后期需開展的工作

鑒于以上分析，可以看出我國船用鈦合金的生產(chǎn)與船舶產(chǎn)品的建造工藝技術(shù)已基本成熟，但鈦合金材料在艦艇上的使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，制約了艦船用鈦合金的進(jìn)一步使用，為此今后還需開展以下幾個方面的研究工作：

1）開展特殊性能鈦合金研究工作，研制高強(qiáng)度鈦合金；

2）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，使其滿足艦船用要求；

3）在不明顯降低其強(qiáng)度及韌性指標(biāo)的情況下，通過工藝，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；

4）我國鈦合金產(chǎn)品工程化程度不高且材料成熟度不高，無批量化生產(chǎn)，從而造成工作不深入、不系統(tǒng)，不能形成全套的工藝文件和檢驗(yàn)技術(shù)文件?？赏ㄟ^加大投入，進(jìn)行應(yīng)用研究，以加速艦船用鈦合金工程化應(yīng)用進(jìn)程；

5）開展大型模擬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，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)量檢測等相關(guān)技術(shù)，為裝備的制造、使用提供指導(dǎo)性文件。

6）由于我國目前無全船鈦合金設(shè)計(jì)、建造經(jīng)驗(yàn)，建議開展全船鈦合金的實(shí)船驗(yàn)證工作。

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Application of Titanium Alloys in Ship Building

Tian Fei Yang Xiong－h(huán)ui
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Due to the advantages of high strength－to－weight ratio，anticorrosion and sound transmission，titanium and its alloys are widely used in many fields such as aerospace and aircraft，petroleum and chemistry，and ship building.This paper summarizes the major features and types of those titanium alloys that are applicable to build ships，reviews the advancement and development in Russia and the U.S.Besides，the current usage of such alloys in China is presented.Considering the developing characteristics of ship in China，the trend of employing titanium alloys is predicted，suggestions are made，and related works are proposed as to how to use such alloys for ship building.

ship；titanium alloy；application

U668.2

A

1673－3185（2009）03－77－04

2008-05-15

田 非（1977－），男，助理工程師，碩士。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：tianfei0008＠163.com

楊雄輝（1969－），男，高級工程師。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)