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Ti31Ti75Ti80钛合金材料在海洋工程中的应用与特性

发布时间: 2021-10-12 16:35:10    浏览次数:

21世纪被称为海洋的世纪。海洋空间与资源不仅已成为世界军事和经济竞争日趋激烈的重要领域,而且将成为人类赖以生存、社会借以发展、濒海国家持续安泰昌盛的战略空间和基地。鉴此,各濒海国家,特别是海军强国,均在以海权建设为核心,为增强控制海洋、维护海洋权益和疆土完整的综合治海能力与开发利用海洋空间的能力而大力发展海军装备、海洋安全保障装备和海洋工程装备。

海洋工程用材料,要求必须有高强度、耐海水热液腐蚀、抗硫化腐蚀、抗微生物附着、高韧性等特点。而钛金属质轻、高强、耐蚀,特别对盐水或海水和海洋大气环境的侵蚀有免疫能力,是优质轻型结构材料,被称为“海洋金属”,是重要的战略金属材料。钛金属在海洋工程中具有广泛的用途,特别适于做轻型海工装备,是海洋工程领域的新型关键材料之一,因此,充分利用海洋材料——钛及钛合金,将有助于国家海洋战略的发展。

一、钛适合海洋环境的特性 

1、密度小、强度高、比强度大

钛的密度是4.5lg/cm3,为钢的57%,钛比重不到铝的两倍,强度是铝3倍。钛的比强度是常用工业合金中最大的。高比强度可促进海工装备的小型化、轻量化,可增加潜艇的航速、浮力和机动性,增加深潜器的下潜深度和有效载荷,因此,钛是海洋工程必不可少的关键结构材料。

2、耐蚀性能优异

钛是目前已知材料中抗常温海水腐蚀性能最好的材料,即使在污染的海水、热海水(低于120℃)、海泥、流动海水中均具有良好的耐蚀性。其优异的耐蚀性是由于它具有很好的自钝化性,当受到某种程度的破坏时,表面氧化膜或钝化膜可以很快自行修复和恢复。也就是说,在海洋中,钛几乎是不可腐蚀的,钛表面有一层附着力强而坚韧的氧化膜,故耐蚀性超过其他金属。

钛与其他金属密度和比强度的比较

在抗腐蚀设备设计中,可大幅度减少承载结构件厚良方向的腐蚀裕量,大大节约建造材料;抗腐蚀设备可与主体进行同寿命设计,减少维护频次,大大降低维护费用,还可提升装备服役能力;钛制设备在海洋中使用时无需徐层保护,简化了制造工艺,缩短了工期,降低了制造成本。

3、耐海水冲蚀腐蚀和气蚀

大部分材料都存在临界速度,超过此速度表面氧化膜就会被冲刷掉而使腐蚀加速发生。这种加速腐蚀就是冲蚀腐蚀。

钛管路的耐冲刷腐蚀能力远高于铜及铜合金管,钛在海水里的临界速度大于27米/秒。多种冲蚀腐蚀试验表明钛耐这种腐蚀的能力非常强。钛允许采用较小的管径、较薄的管壁和较高的流速制造管路系统,实现设备小型化、轻量化。同时,耐气蚀实验表明,钛是最耐气蚀破坏的金属之一。

4、抗冲击性能高

钛及钛合金的抗冲击性能最佳,这有利于海工装备抵御海浪周期性冲击的能力,提高设备的安全可靠性。

5、无磁

钛无磁性,非常适合用于必须将电磁波干扰减少到最小的地方。用于潜艇,可极大限度地降低潜艇的磁性物理场效应,从而减少其被反潜飞机磁探仪发现的可能;对于钛制船舶、舰艇可增加隐蔽性,避免受到磁性水雷的攻击。用于潜艇壳体,不会引起水雷的爆炸。同时,还有利于提高探测仪器及工具的抗磁干扰能力,保证信号的准确性。

6、高透声系数

钛用做潜艇和航母的声呐导流罩材料,可提高设备的声呐探测灵敏度和探测距离,提高装备的效能与安全可靠性。

7、优良的加工性能

钛金属机械加工性能好,可制成各种形状、各种规格的实用工程材料,包括板、钛棒、管、丝、带、箔、钛锻件、铸件、焊件等;绝大多数钛及其合金具有良好的可焊性,焊缝强度系数可达0.9以上;钛金属焊后很少产生延迟裂纹,其设备一般无需焊后热处理,有利于船舶和海洋工程等大型工程装备的建造。

8、绿色循环利用

钛金属制品在海洋环境中的使用寿命长,报废后经解体回炉,可加工成较低级别的钛合金材料使用,且其重量损失极少,回收率高。

二、钛的综合力学性能

工业纯钛,属于低强度级别金属范围,通过添加合金元素Al、Sn、Mo、Zr等元素实现高强度化。纯钛的抗拉强度为240MPa~580MPa,一般钛合金为685MPa~1180MPa,目前最高可达1760Mpa。钛和钛合金的压缩强度不低于其抗拉强度。工业纯钛的压缩屈服强度和拉伸屈服强度大致相等,而TC4(Ti-6A1-4V)和TA7(Ti-5A1-2.5Sn)压缩强度比拉伸强度稍高。

钛和钛合金薄板的承压屈服强度大约是抗拉强度的1.2~2.0倍。在正常大气气氛下,经加工和退火的钛和钛合金的持久极限为(0.5~0.65)倍抗拉强度。

在缺口状态(Kt=3.9)进行一干万次疲劳试验时,退火TC4的持久极限为0.2倍抗拉强度。钛合金的比弹性模量与铝合金的相等,仅次于铍、钼和某些高温合金。

许多钛合金具有很高的断裂韧性,或者说,钛合金抗裂纹扩展的能力很好。退火状态的TC4就是一种韧性极好的材料,当缺口集中系数Kt=25.4mm时,缺口拉伸强度与非缺口拉伸强度之比大于1。

一般工业钛合金在540℃下能保持其有用的性能,但仅能供短时间应用,长时间使用的温度范围为450~480℃。钛和钛合金在低温和超低温下仍能保持其原

有的一定的机械性能。随着温度的降低,钛和钛合金的强度不断增加,而延性逐渐变差。许多退火的钛合金在一195.5℃低温下还具有足够使用的延性和断裂韧性。含间隙元素特低的TA7可在-252.7℃温度下使用。

三、钛金属在海洋方面的应用

1、深海潜水器

第一艘载人深潜器为“曲斯特I”号。l960年1月23日,美国人在太平洋马里亚纳海沟下潜深度为10916m,创造了人类深潜的历史。法国1985年研制的“鹦鹉螺”号潜水器最大下潜深度可达6000m。

俄罗斯是世界上拥有载人潜水器最多的国家,比较著名的是1987年建成的“和平I(MIR)”和“和平II(MIR)”号两艘6000m级潜水器。日本1989年建成的下潜深度6500m的“深海6500”潜水器,水下作业8h。

载人深潜器的技术指标与性能指标

中国“蛟龙号载人深潜器”,最大下潜深度7000米,2002年建造,已完成热液取样、生物采集、海底布放等多项深海科考项目。2012年6月24日,蛟龙号在西太平洋的马里亚纳海沟试验海域成功创造了载人深潜新的历史纪录,首次突破7000米,最深达到7020米海底。这意味着蛟龙号已经成为世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器,可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域自由行动。

宝钛集团承担的国家高技术研究发展计划(863计划)海洋技术领域重点科研项目4500米载人潜水器TC4载人球壳预研已取得成功,研制出了潜水器钛合金载人舱1套,并掌握了具有完全自主知识产权的4500米载人潜水器载人舱耐压球壳的建造技术,从而实现钛合金载人球壳的国产化。

2、海洋能源开发利用

据联合国教科文组织出版物估计,全世界海洋能总量为766亿kW。海滨电站和核电站中凝汽器是重要大型设备,冷却介质是海水。传统使用钢及铜合金材料制造,但抗海水腐蚀性差,使用寿命短。在海水中,特别是污染海水的作用下,铜合金凝汽器容易发生点蚀、孔蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀现象,导致设备泄漏,造成重大经济损失。国内外实践证明,电站的凝汽器和热交换器采用钛材是最合适的。

全世界电站装机总容量约2X10MW,火电站和水电站约5000多座,采用钛凝汽器约占3%~4%,核电站380多座,采用钛凝汽器约占30%,欧、美、日本等

国电站都普遍使用钛凝汽器。我国台州电厂、镇海发电厂、秦山核电站、大亚湾核电站等均采用了全钛凝汽器。

滨海电站用钛凝汽器具有较多的优越性:可以就地利用海水作冷却介质;耐蚀性好,寿命长;热交换效率高、经济效益好;安全性能高、减少停电检修时间、生产效率高等。

3、潜艇

俄罗斯在建造全钛核潜艇研究和制造技术上处于国际领先地位,也是用钛合金最先建造耐压壳体的国家。从20世纪60年至80年代,前苏联生产了一系列钛制潜艇,包括6艘“阿尔法”级核潜艇,每艘用钛约3000t。6艘“台风”级核潜艇,既轻又快,机动性能良好。其中“台风”级核潜艇,拥有钛金属制造的外壳,其双层外壳共用钛9000t,使其具有了无磁性、下潜深、航速快、噪音小、维修次数少等优点,其在俄罗斯军事防御工程中具有举足轻重的地位。

4、深海空间站

深海移动空间站将主要用于进行海洋科学探索,被喻为海洋里的“天宫一号”。从上世纪60年代起,美国和前苏联都陆续完善了深海空间站体系。2000年,

俄罗斯公布了本国深海空间站的民用建设,其针对性很单一,主要针对北冰洋的石油开采。我国于上世纪90年代提出深海空间站的概念,旨在和平开发和利用海洋资源。已经建成的深海空间站试验艇和正在建设的小型深海移动工作站都是我国自主研发的。深海空间站的建立都离不开钛及钛合金关键材料的支撑。

5、海水淡化

随着人们对蒸馏淡化装置腐蚀规律和钛材优越性认识的逐步提高,海水淡化装置传热管选材出现了显著的变化,具有优异耐蚀性的钛材传热管应用越来越广泛。对钛材的牌号来讲,应用最广的是工业纯钛TA1(Gr1)、TA2(Gr2),温度较高的海水加热器使用TA9(Gr7,Ti-Pd)、TA10(Or12,Ti-0.3Mo-0.7Ni),两牌号具有更优异的抗腐蚀能力。

海水淡化设备使用最多的是钛焊管,主要用于加热器、冷凝器、蒸馏器、蒸发器、热交换器等,它不仅可以节省成本,而且可以提高热交换系数。

宝钛集团有限公司由德国引进的3150吨挤压机、1000吨穿孔机以及各种型号的轧管机系列设备,形成了年产2000t以上的无缝管材生产线;与法国ValtimeSAS和美国TimetAsia,lnc等企业合资组建的西安宝钛美特法力诺焊管有限公司,形成两条先进的钛焊管生产线,年产能达800~1000t。由德国引进的MB22一Tl型二十辊冷轧机以及钛及钛合金带材专用处理线,组成了国内第一条专业的钛带生产线,年产能达到10000t,代表国内钛带卷生产的最高水平,(0.3~4.75)×(600~1370)×Lmm产品品质达到国外同等产品水平。西安宝钛美特法力诺焊管有限公司生产的钛焊管已用于国内首钢京唐海水淡化等工程项目。这为我国海水淡化装备用焊管国产化打下了良好的基础,必将推动钛材在我国海水淡化产业的广泛应用。

TC4钛管

四、结语

21世纪人类进入了开发利用海洋的新时代,国际间以开发和占有海洋资源为核心的海洋维权之争愈演愈烈。大量事实表明,海洋科技已进入全球科技竞争的前沿,并或为国家间综合实力较量的焦点之一。海洋科技的发展离不开钛及钛合金材料,而宝钛集团有限公司现已发展成为中国最大、实力最雄厚、体系最完整的以钛及钛合金为主的稀有金属材料专业化科研生产基地,是我国钛工业的摇篮和旗帜,是中国钛、锆国标、军标、行规的制定者,代表着我国钛材加工技术的最高水平,是“中国钛谷”和“国家高技术新材料产业基地”的龙头企业。因此,拥有国家级“企业技术中心”、“钛及钛合金国际科技合作基地”、“陕西省钛锆镍工程技术研究中心”、“博士后科研工作站”、“陕西省院士专家工作站”的宝钛集团有限公司,与海洋工程设计部门、应用研究部门以及中科院金属研究所、北京有色金属研究院、哈尔滨工业大学等科研院所紧密合作,依托现有的装备、技术和人才优势,在材料研发方面,完善海洋用钛合金体系,在大规格、高性能钛及钛合金板、棒、管、锻件、铸件等方面消除技术瓶颈,实现工程化突破,为制取先进海工钛装备打下坚实基础;同时要在舰船与深潜器用钛、海上油气开采用钛,海水淡化及热交换及新能源开发用钛四大领域内应用取得重大技术突破,努力抢占海洋工程用钛的技术制高点;总之,宝钛集团有限公司以发展海洋工程关键、瓶颈钛加工技术为研发重点,加强基础性关键技术攻关,提高自主创新能力,获取具有自主知识产权的海洋工程钛材料技术和产品,尽快缩短与国际先进水平的差距,积极推动海洋工程用钛的大发展。

(作者单位:宝钛集团有限公司)

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