鈦合金材料的優(yōu)缺點(diǎn)及其在船舶制造行業(yè)的應(yīng)用

引言

船舶材料在海洋環(huán)境中是重要的結(jié)構(gòu)材料之一，所以對(duì)船舶材料的使用標(biāo)準(zhǔn)要求也比較高，需要具備優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性以及耐海水、海洋大氣腐蝕的能力。在實(shí)際的建造過(guò)程中， 該材料還需要有極好的加工性與可焊接性。鈦合金本身有很強(qiáng)的耐海水腐蝕能力，強(qiáng)度高而且沒(méi)有磁性等優(yōu)點(diǎn)，所以能夠充分滿足船舶材料的要求，其發(fā)展前景非?？捎^。但是鈦 合金在使用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，例如成本高、冶煉難度大等，而且目前對(duì)于鈦合金失效的研究程度還不夠，這些問(wèn)題都在一定程度上限制了鈦合金在船舶上的應(yīng)用和發(fā)展。

1、鈦合金材料的優(yōu)缺點(diǎn)

鈦合金材料主要有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、透聲、無(wú)磁、抗彈性等優(yōu)點(diǎn)。按照不同位置的使用可以分為艦船殼體用鈦合金、動(dòng)力工程用鈦合金和船機(jī)用鈦合金。根據(jù)其特性可以 分為可焊結(jié)構(gòu)鈦合金、高強(qiáng)度鈦合金、耐熱鈦合金等。通過(guò)幾種金屬材料的比較，分析鈦合金的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

1.1強(qiáng)度高

常規(guī)的鈦合金密度在4.51g/m³左右，大約是鋼材料的60%，有一些強(qiáng)度較高的鈦合金其強(qiáng)度甚至已經(jīng)超過(guò)很多的合金結(jié)構(gòu)鋼，所以鈦合金的比強(qiáng)度都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他金屬結(jié) 構(gòu)材料，利用鈦合金可以制作出強(qiáng)度更高、性能更好的零部件。

1.2熱強(qiáng)度高

在使用時(shí)，鈦合金可承受的溫度會(huì)比鋁合金高幾百度，即使是在中等溫度下，也能夠達(dá)到材料的強(qiáng)度要求。鈦合金可以長(zhǎng)期在450~500℃的高溫下工作，但是對(duì)鋁合金而言， 只要低于150℃，其強(qiáng)度就會(huì)開(kāi)始下降[1]。

1.3抗腐蝕性好

鈦合金在船舶中的應(yīng)用工作條件通常都是在潮濕的大氣或海洋介質(zhì)中，鈦合金的抗腐蝕能力遠(yuǎn)超不銹鋼。鈦合金的點(diǎn)蝕、酸蝕和應(yīng)力腐蝕都有極強(qiáng)的抵抗力，而對(duì)于堿、氯化 物或者氯的有機(jī)物品、硝酸等都有極強(qiáng)的抗腐蝕能力，但是鈦合金對(duì)于還原性氧和鉻鹽介質(zhì)上的抗腐蝕能力弱。

1.4低溫性能好

鈦合金即使在低溫或者超低溫下都能保持其良好的力學(xué)性能。其低溫性能非常好，而且間隙元素很低。例如TA7材料，即使在-255℃的低溫下也能維持其塑性，所以鈦合金可以被當(dāng)做一種很好的低溫結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用。

1.5化學(xué)活性大

鈦合金在化學(xué)上有很強(qiáng)的活性，能夠跟大氣中的氣體產(chǎn)生很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)。例如氧、氫、二氧化碳、水蒸氣、氨氣等。如果大氣中的碳含量超過(guò)0.2%，鈦合金中就會(huì)產(chǎn)生硬質(zhì) 的TiC，如果大氣中氫含量上升，就會(huì)形成一層脆化層，硬化程度可以達(dá)到20%~30%。而且鈦在化學(xué)上有很強(qiáng)的親和性，所以容易在摩擦表面出現(xiàn)粘附的現(xiàn)象。

2、鈦合金在船舶上的應(yīng)用

2.1深海潛水器

在深海潛水器上主要會(huì)用到鈦制耐壓殼體，比如美國(guó)制造的Aivin號(hào)、Sea-Cliff號(hào)深潛器的殼體；法國(guó)的SM97號(hào)使用的鈦合金材料是Ti-6Al-4ELI；還有日本的“深海2000”號(hào)。 在我國(guó)鈦合金制造深海潛水器是自主設(shè)計(jì)建造的載人潛水器“蛟龍”號(hào)[2]。

2.2聲吶導(dǎo)流罩

用鈦合金制造的聲吶導(dǎo)流罩其綜合性能比較強(qiáng)，通常用于航空母艦的制造，例如俄羅斯的“庫(kù)爾斯克號(hào)”以及“明斯克”等。

2.3艦船泵、閥及管系

如果用銅或者不銹鋼來(lái)制作船舶的泵、閥和管系，一般只有2~5年的壽命。如果用鈦合金來(lái)制作，其使用壽命會(huì)遠(yuǎn)超銅和不銹鋼。目前我國(guó)已經(jīng)自主研發(fā)出一系列擁有自主知 識(shí)產(chǎn)權(quán)的船用鈦合金，例如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等。

3、各國(guó)船舶工業(yè)上的鈦合金使用現(xiàn)狀

3.1國(guó)外船舶使用鈦的現(xiàn)狀

在世界各國(guó)中，俄羅斯在船用鈦合金的實(shí)際應(yīng)用上最先進(jìn)，俄羅斯已經(jīng)擁有大量專門(mén)的船用鈦合金體系，同時(shí)已經(jīng)制造出一系列強(qiáng)度較高的船用鈦合金產(chǎn)品，包括船體、船機(jī) 和動(dòng)力裝置都有專門(mén)的鈦合金，強(qiáng)度也非常大，而且在材料制造上使用的工藝也非常成熟。

美國(guó)在船用鈦合金方面也進(jìn)行了很多工程研究，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將鈦應(yīng)用在各種動(dòng)力潛艇、水面艇、民用船的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、排風(fēng)扇的葉片以及一些消防設(shè)備等方面。

日本在船舶上使用的鈦合金主要包含純鈦、Ti-6AIl-4V(ELI)等，常用在民用漁船以及深海潛水器的耐壓殼體上。

從1981年陸續(xù)出臺(tái)“深海2000”、“深海4000”等深海潛水調(diào)查船，這些潛水器的外殼骨架、均壓容器、配管等都用了鈦合金，能夠有效增加潛水器的下潛深度。

3.2中國(guó)船舶用鈦的現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究鈦合金的應(yīng)用，跟國(guó)外研究的時(shí)間基本同步，目前我國(guó)在船用鈦合金方面的研究和應(yīng)用已經(jīng)有了很大的突破。研究出來(lái)較完整的船用鈦合金系 列，其強(qiáng)度主要有4個(gè)級(jí)別，分別是635MPa、685MPa、730MPa、785MPa，我國(guó)“蛟龍”號(hào)深海潛水器的耐壓殼體使用的是TC4鈦合金[3]。

目前我國(guó)在船用鈦合金上的應(yīng)用與國(guó)外有一定的差距，應(yīng)用部位和用量都比較少。國(guó)外的用鈦量達(dá)到13%，而我國(guó)只是應(yīng)用在一些零星的部件上，比例還沒(méi)有1%。我國(guó)在鈦合 金的使用上，品種和規(guī)格不完善，由于裝備能力的限制，我國(guó)在鈦材專業(yè)化的生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)的品種和規(guī)格都有一定的限制，我國(guó)“蛟龍”號(hào)上使用到的鈦合金都是從俄羅斯引進(jìn)的。

4、制約鈦合金發(fā)展的因素

1）鈦合金材料成本高，限制了該材料在船舶材料上的應(yīng)用。因?yàn)榇安牧蠈?duì)于金屬的消耗較大，需要的種類很多。所以只要降低鈦合金的使用成本，在經(jīng)濟(jì)條件適合的情況下， 才能最大限度地拓展鈦合金材料在船舶材料上的應(yīng)用。

2）鈦合金材料的強(qiáng)度等級(jí)配套性需要加強(qiáng)。我國(guó)鈦合金的強(qiáng)度在320~590MPa，目前只有一個(gè)490MPa的鑄造合金及耐高溫、海水縫隙腐蝕的特性合金，跟其他國(guó)家相比，我國(guó)在尺寸和重量上也有差距。俄羅斯的鈦材料厚度可以達(dá)到150mm，鑄造的重量能夠達(dá)到2.5t，尺寸達(dá)到2.5m，我國(guó)鑄件單件的重量都小于800kg，尺寸和厚度也非常小，所以為了促進(jìn)鈦合金應(yīng)用的發(fā)展，加強(qiáng)鈦合金材料的強(qiáng)度等級(jí)配套性非常重要。

5、鈦合金未來(lái)的發(fā)展方向

目前越來(lái)越多的國(guó)家都意識(shí)到鈦合金的使用價(jià)值，其優(yōu)點(diǎn)在船舶的使用上也充分體現(xiàn)出來(lái)，但是目前鈦合金的性能還沒(méi)有完善，而且應(yīng)用在船舶上成本的消耗也比較大，所以 現(xiàn)在各國(guó)都在開(kāi)始研制更加低成本且性能更高的新型鈦合金，將鈦合金應(yīng)用在市場(chǎng)潛力大的民用工業(yè)上。目前國(guó)內(nèi)外在鈦合金上取得的新進(jìn)展主要體現(xiàn)在高溫鈦合金、鈦鋁化合物、高強(qiáng)高韌β型、阻燃鈦合金等方面。

6、結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，為了增強(qiáng)我國(guó)的綜合國(guó)力，提高我國(guó)的海軍裝備水平，我國(guó)越來(lái)越重視艦船領(lǐng)域的發(fā)展和建設(shè)。

目前我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始大力研究潛艇、新型驅(qū)逐艦等裝備，這些設(shè)備對(duì)鈦的使用要求非常嚴(yán)格，而且需求量很大。目前看來(lái)，鈦合金是最適合艦船使用的材料，所以在未來(lái)發(fā)展的過(guò)程中一定有更廣闊的應(yīng)用。鈦合金本身的優(yōu)點(diǎn)比較突出，使用到艦船上，能提高整個(gè)艦船的性能。目前我國(guó)在技術(shù)和工藝上還有一些欠缺，而且鈦合金的高成本也限制了我國(guó)對(duì)于鈦合金在船舶應(yīng)用上的發(fā)展，所以未來(lái)在研究的過(guò)程中應(yīng)該降低成本，同時(shí)提高其使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃志偉,曹永娣.鈦合金材料在艦船鑄件上的應(yīng)用研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2017,39(6A):192-194.

[2]李德強(qiáng),王樹(shù)森,包恩達(dá).鈦合金材料在船舶材料上的應(yīng)用與發(fā)展[J].世界有色金屬,2015,(9):127-128.

[3]周佳宇,哈軍.鈦合金材料在艦船管系上的應(yīng)用[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2006,(03):40-42.