船用鈦合金材料焊接中的常見問題與對策

肖偉星

（大連航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116041）

鈦合金材料不但機械性能優(yōu)良，強度范圍寬，物理性能獨特，而且結(jié)構(gòu)的有效性和強度比都很高，耐腐蝕性能和抗沖擊性能都非常優(yōu)良。在船舶上有效應(yīng)用鈦合金材料，能夠?qū)⒂行院涂煽啃缘玫接行嵘?，維護和維修的費用減少，從而使增載和減重得以實現(xiàn)。

1 我國船用鈦合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

21世紀(jì)以后，我國在鈦合金的應(yīng)用發(fā)展很快。結(jié)合船舶整體設(shè)計的要求，生產(chǎn)和研究各材料的企業(yè)與船重工專業(yè)材料研究所密切配合，以及研究船用鈦合金的應(yīng)用成果有機地結(jié)合，將焊接工藝技術(shù)的難題和整體制備有效地進行解決，將船用鈦合金裝備成功地進行了開發(fā)，并成功地進行多項應(yīng)用。

最近幾年，我國在應(yīng)用鈦合金結(jié)構(gòu)制造方面已經(jīng)有了很大的進步。另外，將鈦合金在鞭狀天線、回路系統(tǒng)排污，還有潛望鏡部件、安全設(shè)備、各類冷卻器、熱交換器等相關(guān)部位進行應(yīng)用，效果都非常好，還將記憶合金管接頭NiTiNb進行了研制，并且已通過工程應(yīng)用的考核。鈦合金應(yīng)用系統(tǒng)是典型代表。

1.1 鈦合金排出余熱冷卻器

采用的高韌合金管Ti31、中強、各種規(guī)格鍛件以及板成型以后，通過組焊將鈦合金排出余熱冷卻器制備而成。

1.2 鈦合金的特點

鈦合金既具有無磁和高比強度以及高電阻率的特點，又具有很強的耐海水腐蝕的性能。

1.3 鈦合金泵和閥以及管系

船舶上泵和閥以及管材在海水中長期工作，條件相對比較惡劣，有效運用鈦合金進行制造，具有非常好的效果。當(dāng)前已經(jīng)將許多種鈦合金管系制造出來，在排煙系統(tǒng)和通海系統(tǒng)中進行應(yīng)用。

1.4 船用燃氣機系統(tǒng)

為了提升發(fā)動機的出口溫度，與壓比相適應(yīng)，高壓燃氣機的1～7級輪盤和低壓燃氣機的0～8級輪盤，運用鈦合金TC11進行制造，燃氣機輪機裝機的試車考核已經(jīng)通過，取得了非常好的效果，并已正式應(yīng)用。運用鈦合金TC11制造動葉片，高壓燃氣機8．9級動葉片耐壓水平和長壽命的要求都很高，采用鈦合金B(yǎng)T8；夾板運用鈦合金TC6；底架運用鈦合金B(yǎng)T14，在燃氣機輪機上也已經(jīng)應(yīng)用鈦合金。

1.5 鈦合金雷達天線支座和天線以及雷達基座

為了解決海水腐蝕雷達天線系統(tǒng)的問題，雷達天線支座和基座利用鈦合金制造，有效利用鈦合金高質(zhì)量管材將雷達天線制造，已經(jīng)在船舶上成功地應(yīng)用，不但將海水腐蝕的問題解決了，而且，還將船的重量減輕了，技術(shù)性能也有效地提升了。

1.6 鈦合金聲納導(dǎo)流罩

鈦合金Ti70既可冷成型，又具有很好的透聲性能，已經(jīng)攻克組焊和雙曲成型等相關(guān)的技術(shù)難題，將鈦合金聲納導(dǎo)流罩成功研制，并且已經(jīng)得到進一步應(yīng)用。

1.7 鈦合金螺旋槳和緊固件

鈦合金抗縫隙腐蝕性能和抗空泡剝蝕性能都非常強，是最好的選擇材料。1972年，我國開始對水翼快艇螺旋槳進行研制，各種鈦合螺旋槳都已經(jīng)生產(chǎn)，單支固定螺旋槳最重的可達130kg左右。實踐使用可以了解到，鈦合金螺旋槳的重量只是銅質(zhì)量的1/2，而使用壽命則是銅合槳的5倍。

1.8 推進噴水裝置

1985年，我國對推進噴水裝置進行研制，經(jīng)過實踐使用以后，將海水腐蝕的問題徹底解決了。在噴翼艇上運用該裝置，能夠?qū)娨硗У膲勖褪褂眯阅軐崿F(xiàn)很大程度地提升。

2 船用鈦合金材料焊接中存在的常見問題及對策

鈦合金與銅和鋼等其它金屬接觸時，其它金屬的腐蝕電位比較低，而鈦合金腐蝕的電位高，電偶腐蝕就容易產(chǎn)生，使其它金屬的腐蝕速度加快，導(dǎo)致鈦合金在船舶上的應(yīng)用受到了制約。

2.1 縫隙腐蝕

船舶中有些可以拆卸的螺紋和法蘭等連接件，都有比較小的縫隙，侵蝕性比較強的高濃度氟離子和氯離子容易存留在內(nèi)部，這就需要在海水環(huán)境中，鈦合金抗高溫縫隙的腐蝕能力必須要強。在淡化海水設(shè)備和鈦合金熱交換器中，1．5～4的介質(zhì)PH值和90～250℃的工況環(huán)境，縫隙腐蝕非常嚴(yán)重。將Ru和Pd元素加到鈦合金中，能夠?qū)⑩伜辖鹉涂p隙腐蝕的性能有效地改善。從當(dāng)前來看，鈦合金含有Ru和Pd元素的表面處理是最有效處理表面的方法，例如，將Ru和Pd元素滲入到鈦合金的表面，或者利用微弧氧化，將含有Ru和Pd元素的氧化物在鈦合金的表面形成。為了降低處理表面的成本，在鈦合金的表面，也可以將含有Ru和Pd元素的梯度涂層進行制備。鋼結(jié)構(gòu)利用陰極進行保護時，鈦合金容易出現(xiàn)氫致開裂的現(xiàn)象。但是，鋁與鈦合金接觸，利用陰極進行保護，-800～-1050mV之間的電位，氫過飽和就不會發(fā)生。

2.2 焊接大型結(jié)構(gòu)件

船上使用的高壓力容器和殼體以及拉伸部件等相關(guān)的大量結(jié)構(gòu)件，為了滿足耐壓性能的要求，必須要采用高強鈦合金，高強鈦合金的厚壁焊接件連接必須在海水中的操作性非常強，焊接以后，不需要再進行熱處理。當(dāng)前此類的鈦合金已經(jīng)大量地進行發(fā)展，歐洲和美國采用低間隙鈦合金TC4和鈦合金TC4，低間隙鈦合金TC4，就是控制鈦合金TC4氧含量在0．14%之內(nèi)；俄羅斯將5V、37以及PT-3V近α 型的船用鈦合金進行了研發(fā)。大型結(jié)構(gòu)件因為焊接以后，不可熱處理，拉伸應(yīng)力為焊接表面的應(yīng)力，會影響疲勞性能的產(chǎn)生，很危險的結(jié)果就會產(chǎn)生。所以，需要超聲沖擊處理焊接表面，焊接表面的拉伸應(yīng)力應(yīng)該轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，以便有效提升抗疲勞的性能。

2.3 電偶腐蝕

銅和鋼與鈦合金連接以后，電偶腐蝕的現(xiàn)象就會出現(xiàn)。為了避免這種電偶腐蝕，采取以下防護措施：其一，采用瀝青質(zhì)橡膠對閥嘴和管材與銅和鋼設(shè)備所接觸的界面進行絕緣處理。其二，利用微弧氧化和熱氧化以及陽極氧化，對管材進行處理，在金屬表面將陶瓷層或者氧化層形成，來進行絕緣。其三，在不銹鋼噴嘴與鈦管連接的部位，利用中間凸緣進行保護。氧化處理鈦管，將氧化膜形成，致使鈦合金陰極降低極化效應(yīng)，達到80%～90%，氧化膜壽命與鈦管壽命相等。

3 我國船用鈦合金發(fā)展的前景

從當(dāng)前來看，已經(jīng)應(yīng)用的船用鈦合金有純鈦、鈦合金TA16、鈦合金TA17、鈦合金TA24、鈦合金TA22以及鈦合金TA31，管材、板材、鍛件、棒材、鑄件以及絲材等是主要的形成產(chǎn)品，在船舶上這些鈦合金也被大量地應(yīng)用。研究這些鈦合金的性能方面，主要對沖擊和拉伸以及基本腐蝕等相關(guān)性能進行研究，相對于國外研究船用鈦合金上，我國鈦合金應(yīng)用在海洋環(huán)境中深入的評價數(shù)據(jù)比較欠缺。若想將海洋工程上應(yīng)用鈦合金并進行推廣，必須要研究海洋環(huán)境下的試驗，將使用鈦合金的數(shù)據(jù)更多地進行積累。針對于研究材料而言，分析和研究海洋環(huán)境中鈦合金的性能。

其一，受力方式、工況環(huán)境、鈦合金在海水中受交變載荷的腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性以及疲勞裂紋的擴展速率等，這些影響都要分析和研究。

其二，研究氯化環(huán)境和H2S中Ru和Pd元素對鈦合金的耐腐蝕機理。

其三，無論是鈦合金管材受加工工藝的影響，還是管材加工工藝受鈦合金管材結(jié)構(gòu)類型的影響，都要進行分析和研究。

其四，在輻照環(huán)境下，對鈦合金的疲勞性能和拉伸的評價。

其五，研究和評價新型耐腐蝕鈦合金近凈成形的技術(shù)。

其六，分析和研究耐腐蝕鈦合金的各種焊接形式的矯正和控制焊接變形。