鈦合金及其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

1、鈦合金及其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用船舶121 120617106 金偉摘要:在海洋環(huán)境測(cè)驗(yàn)下,鈦及鈦合金有著非常廣闊的前景,也是船舶建造工業(yè)合適的材料.鈦合金應(yīng)用,船舶建造工業(yè)領(lǐng)域鈦合金研究的發(fā)展,以及其前景發(fā)展將在本論文中。關(guān)鍵詞：鈦，船舶，應(yīng)用，前景。 人類在陸地上活動(dòng)發(fā)展至今， 面臨著人口劇增、 資源枯竭、 能源危機(jī)、 環(huán)境惡化等基本問(wèn)題。而海洋占地球表面積的71%， 蘊(yùn)藏著豐富的礦藏和能源， 因此海洋空間與資源不僅是世界軍事和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的重要領(lǐng)域， 而且將成為人類賴以生存、 社會(huì)藉以發(fā)展的戰(zhàn)略空間和基地。大力開發(fā)海洋是人類的必然選擇， 海洋在21世紀(jì)及未來(lái)必將成為激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)所。我國(guó)

2、有18 000 km海岸線， 有300萬(wàn)km 2 的專屬管轄海域， 資源豐富。因此開發(fā)海洋關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)、 社會(huì)的發(fā)展， 關(guān)系到國(guó)家主權(quán)和權(quán)益， 是21世紀(jì)我國(guó)面臨的重大課題。隨著海洋意識(shí)的覺醒， 我國(guó)也開始并不斷重視海洋開發(fā)。十六大提出了 “實(shí)施海洋開發(fā)” ； 十七大五中全會(huì)把發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)提高到國(guó)家戰(zhàn)略的高度； 十八大指出 “提高海洋資源開發(fā)能力， 發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)， 保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境， 堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益， 建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)” ， 并將海洋作為未來(lái)陸、 海、 空、 天四大戰(zhàn)略空間的首位。船舶是人類認(rèn)知海洋、 開發(fā)海洋、 利用海洋、 維護(hù)海洋權(quán)益的基礎(chǔ)裝備與手段， 船舶技術(shù)對(duì)世界市場(chǎng)的形成、 國(guó)際

3、貿(mào)易的增長(zhǎng)、 工業(yè)化的拓展、 刺激科學(xué)技術(shù) （特別是軍事技術(shù)） 的發(fā)展， 起到了重要的牽引作用。因此， 我國(guó)要實(shí)現(xiàn) “建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)” 的目的， 增強(qiáng)控制海洋、 維護(hù)海洋權(quán)益和疆土完整的綜合制海能力及開發(fā)利用海洋空間的能力， 必須大力發(fā)展先進(jìn)船舶技術(shù)和材料。鈦及鈦合金具有重量輕、 比強(qiáng)度高、 耐蝕、 無(wú)磁、 透聲、 抗沖擊等特性， 尤其是在如海水、 海洋那樣的氯化物氣氛中具有優(yōu)異的耐蝕性。在船舶上應(yīng)用可以減少艦船的維修成本和壽命周期成本， 減輕船體的重量、 增加有效載荷、 提高艦船的可靠性和戰(zhàn)術(shù)性， 是船舶工業(yè)的理想材料。11 鈦及鈦合金作為造船材料的優(yōu)點(diǎn)1.1 質(zhì)輕， 比強(qiáng)度高比強(qiáng)度是指材料強(qiáng)

4、度與密度的比值。比強(qiáng)度越大， 以相同強(qiáng)度設(shè)計(jì)就能獲得更小的結(jié)構(gòu)重量，反之相同結(jié)構(gòu)質(zhì)量下就能獲得更高的強(qiáng)度。根據(jù)需要， 就可實(shí)現(xiàn)減重或減體積。如表1 ， 在常用金屬材料中， 鈦及鈦合金具有最高的比強(qiáng)度， 這對(duì)實(shí)現(xiàn)船舶工業(yè)具有重要的意義， 如用鈦制造的潛艇， 不僅重量輕、 航速高、 攻擊力強(qiáng)， 而且可以潛入更大的深度。鈦制潛艇， 可潛入到4 500 m以下， 這是鋼制潛艇無(wú)法逾越的界限 2 1.2 耐蝕性好鈦在中性和氧化性氣氛及眾多惡劣環(huán)境中具有比其他常用金屬材料高得多的耐腐蝕性， 特別是對(duì)氯離子具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力， 在海水中具有完全耐腐蝕的能力。用鈦制造軍艦、 輪船， 不用涂漆，在海水中航行幾

5、年也不會(huì)生銹， 能避免涂油漆等產(chǎn)生的維修費(fèi)用和船舶自重， 使用年限長(zhǎng)。1.3 無(wú)磁性鈦不是鐵磁體物質(zhì)， 在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化， 因此鈦制外殼的艦艇不易被對(duì)方磁探儀發(fā)現(xiàn)， 可使裝磁引信的水雷或魚雷失效， 可以避免磁性雷的攻擊， 具有很好的反監(jiān)護(hù)作用， 這在軍事上特別重要。 1.4 優(yōu)良的耐熱和耐低溫性能鈦的耐熱性和耐低溫性能良好。目前的熱強(qiáng)鈦合金最高使用溫度可達(dá)500 600 ， 結(jié)構(gòu)鈦合金的使用溫度也可達(dá)到300 400 ， 同其它輕質(zhì)材料如鋁、 鎂合金比較， 在300 時(shí)， 鈦的強(qiáng)度要高1個(gè)數(shù)量級(jí)， 而超過(guò)400 ， 鋁、 鎂合金已喪失工作能力， 而鈦合金卻能繼續(xù)保持足夠的使用強(qiáng)度，

6、具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。鈦的耐低溫能力很突出， 采用低間隙元素的鈦合金可以耐-253 的低溫， 在此溫度下， 合金強(qiáng)度比室溫提高了1倍, 而塑性則保持室溫狀態(tài)下的水平。 由于鈦及其合金具有的以上優(yōu)良特性， 使其成為海洋工程， 尤其是海洋軍事工程中的重要材料，在艦船領(lǐng)域大有潛力可為。 鈦管與其它冷凝器管材腐蝕性能的相對(duì)比較3腐蝕種類 鈦 海軍黃銅 鋁黃銅全面腐 6 2 3沖蝕 6 2 2孔蝕 6 4 4應(yīng)力腐蝕 6 1 1Cl -1 腐蝕 6 3 5NH 3 浸蝕 6 2 2 注： 數(shù)字表示相對(duì)耐腐蝕性， 6為最優(yōu)， 1為最差。2 船舶用鈦的要求及部位2.1 船舶用鈦的要求 由于使用環(huán)境和工況不同，

7、 船舶用鈦的要求有： （1） 良好的機(jī)械性能、 中強(qiáng)、 高韌、 低周疲勞性能好； （2） 良好的加工性能， 可焊性好、 成形性好、 機(jī)加工性好； （3） 良好的耐海水腐蝕性能； （4） 注重利用鈦合金的無(wú)磁性、 透聲性； （5） 產(chǎn)品批量小、 品種多、規(guī)格大， 幾乎含蓋了鈦合金的所有產(chǎn)品類型： 鑄件、鍛件、 板材、 管材、 棒材、 絲材等 。2.2 船舶用鈦的部位鈦及其合金在艦船領(lǐng)域的主要應(yīng)用有： 耐壓殼體、 船體結(jié)構(gòu)、 管道、 閥及配件、 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、 熱交換器、 冷卻器/冷凝器、 聲吶導(dǎo)流罩等。船舶上用鈦部位及采用的合金。4 我國(guó)艦船用鈦合金除了一般的工業(yè)合金 TA5、TA7 等外， 還

8、進(jìn)行了專門的船用合金的研究。研制出了具有不同強(qiáng)度級(jí)別的近 型船用耐蝕鈦合金，包括 TA22 (Ti- 3Al- 1Zr- 1Mo- 1Ni)、 TA23 (Ti- 2 5Al-2Zr- 1Fe)、 TA24 (Ti- 3Al- 2Mo- 2Zr) 和 TA31 (Ti- 6Al-3Nb- 2Zr- 1Mo)及近 型鈦合金 Ti- B19。TA22 合金集中等強(qiáng)度、 高的塑性、 良好的易加工性和成型性、 優(yōu)異的耐蝕性、 可焊性于一體， 適于鍛造、 軋制、 拉伸等加工， 產(chǎn)品形式多樣化， 可加工成板材、 棒材、 管材、 鍛件、 型材和絲材等形式， 同時(shí)還具有良好的工藝性， 在艦船、 化工、 海洋工

9、程等領(lǐng)域獲得較廣泛的應(yīng)用。TA23 合金是我國(guó)研制旳聲吶導(dǎo)流罩用的鈦合金。該合金具有中等強(qiáng)度， 高的塑性， 良好的透聲性能， 冷、 熱成型性能優(yōu)異， 還具有很好的焊接性能。TA23 鈦合金生產(chǎn)的半成品有板材、 棒材等。TA24 為 730MPa 級(jí)的中強(qiáng)鈦合金，其主要性能特點(diǎn)是比 TA5 高的使用強(qiáng)度和很好的工藝塑性。該合金還具有良好的焊接性能和耐腐蝕性能。TA24鈦合金最適合制造形狀復(fù)雜的板材沖壓及焊接的零部件， 在艦船行業(yè)已得了廣泛應(yīng)用。TA31 是一種高強(qiáng)、 可焊的 型鈦合金， 其拉伸性能、 斷裂韌性、 應(yīng)力腐蝕抗力和低周疲勞性能均優(yōu)于 Ti- 6Al- 4VELI。主要用于深潛器和艦船

10、的耐壓殼體， 已進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。Ti- B19 合金是一種高強(qiáng)高韌耐蝕近 鈦合金，具有較高的強(qiáng)度、 良好塑性、 較高的斷裂韌性、 可焊性及耐海水腐蝕、 沖刷腐蝕和應(yīng)力腐蝕等綜合性能。該合金具有良好的加工性， 可生產(chǎn)各種規(guī)格的棒、板、 絲、 餅等， 并且焊接性能、 工藝性能良好。53 世界各國(guó)船舶工業(yè)用鈦概況鈦合金用于艦船工業(yè)始于上世紀(jì)60年代， 目前美國(guó)、 俄羅斯、 日本、 中國(guó)、 英國(guó)、 法國(guó)和德國(guó)等國(guó)家均有廣泛應(yīng)用。3.1 國(guó)外船舶用鈦情況俄羅斯在船用鈦合金的研究和實(shí)際應(yīng)用方面是全世界最先進(jìn)的， 擁有專門的船用鈦合金體系，已形成系列強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金產(chǎn)品。有船體用鈦合金-1， 船機(jī)用-7

11、， 動(dòng)力裝置用鈦合金4-1和-3等， 強(qiáng)度級(jí)別 （ b ） 分別為 490MPa、 585MPa、 700MPa、 835MPa， 各種規(guī)格材的生產(chǎn)工藝成熟。 美國(guó)對(duì)艦船用鈦合金也進(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。 日本船用鈦合金主要有純鈦、 Ti-6Al-4V （ELI）等， 應(yīng)用于民用漁船、 深潛器的耐壓殼體等。1981年開始的系列深海潛水調(diào)查船 “深海2000” 、 “深海4000” 、 “深海6500” 的外殼骨架、 均壓容器、 配管等采用了鈦合金， 目的

12、是為了增加下潛深度。 3.2 中國(guó)船舶用鈦情況我國(guó)船用鈦合金的研究與應(yīng)用始于60年代， 幾乎與國(guó)外同步發(fā)展。幾十年來(lái)， 船用鈦合金的研究及應(yīng)用水平有了很大提高， 已經(jīng)形成了較完整的船用 鈦 合 金 系 列 包 括 635MPa、 685MPa、 730MPa、785MPa強(qiáng)度級(jí)別的合金。 “蛟龍?zhí)枴?深潛器的耐壓殼體就是TC4鈦合金。PVC, 鈦合金但與國(guó)外相比, 我國(guó)船用鈦合金的應(yīng)用還有較大的差距： 應(yīng)用部位少、 用量少， 國(guó)外用鈦達(dá)到13%， 我國(guó)僅在一些零星部件上應(yīng)用， 比例不足1%。品種、 規(guī)格不完善， 我國(guó)之前鈦材在專業(yè)化工廠生產(chǎn)， 受裝備能力限制， 生產(chǎn)的品種、 規(guī)格有限，“蛟龍?zhí)?/p>

13、” 所需的鈦合金也只能從俄羅斯進(jìn)口。加工與制造技術(shù)也相對(duì)落后。涉及到鈦合金的材料規(guī)格有: 鑄件、 鍛件、 板材、 棒材、 管材、 絲材; 涉及到的鈦合金制備工藝有: 鑄造工藝、 鍛造工藝、 焊接工藝、 冷成型工藝、 熱成型工藝、 熱處理工藝、 機(jī)械加工工藝、 表面處理工藝、 異種金屬絕緣處理工藝等。4 前景展望近年來(lái)， 為了提高我國(guó)海軍裝備水平， 國(guó)家對(duì)艦船領(lǐng)域的投資開始增加， 許多新項(xiàng)目正在研制之中，比如潛艇、 新型驅(qū)逐艦等， 其用鈦量潛力巨大。鈦及其合金作為理想的艦船用材料， 預(yù)計(jì)未來(lái)市場(chǎng)前景十分廣闊， 船舶制造業(yè)有望成為繼航空航天領(lǐng)域之后鈦的又一個(gè)較大的應(yīng)用市場(chǎng)。參考文獻(xiàn):1王懷柳. 鈦及鈦合金在船舶工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展. 特鋼技術(shù).第19卷 總第