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钛合金材料在舰艇中的应用及需求分析

发布时间: 2021-10-13 13:08:45    浏览次数:

1、引言

钛及钛合金是20世纪50年代发展起来的新型结构材料,具有强度高、密度小、耐腐蚀、无磁、焊接性能好等一系列优点,尤其是其优良的耐海水腐蚀性能和良好的综合性能,使它成为理想的舰船结构材料,被公认为海洋金属。正是由于钛及其合金具有以上诸多优点,使得其在舰船、各类动力装置、船舶机械、电子设备和武备等领域有广泛应用。钛合金最早应用于航空工业,并于20世纪60年代才应用于船舶行业,经过近50年的发展已形成较完备的船用钛合金产品及配套体系。

2、国外舰船用钛合金材料技术发展及应用情况

俄罗斯、美国是最早从事舰船用钛合金研究的国家。俄罗斯船用钛合金的研究和实际应用水平居世界前列,拥有专门的船用钛合金系列,形成490MPa、585MPa、686MPa、785MPa强度级别的船用钛合金产品,研究开发的船用钛合金牌号有:船体用钛合金兀T_1M,船机用钛合金ⅡT.7M,动力工程用钛合金OT4-1B、40、5B、23a等。

几十年来,俄罗斯在核潜艇、水面舰船、常规潜艇、航空母舰、深潜器中都大量采用了钛材L3],如图1所示为前苏联1968年12月下水的K166号全钛壳体核 潜艇。该艇应用了大量的钛合金板材、管材、锻件,潜艇的所有装置全部是由钛合金制造的。经过近40年航行并承受不同的载荷和海洋环境变化,各种装置及设备均未出现重大问题。

俄罗斯“阿尔法”级核潜艇耐压壳体也是用钛合金制造的,据称下潜深度可达400ITI,水下航速42节,其钛合金用量达3000t;俄“台风”级战略核潜艇钛合金用量达9000t,首艇水下排水量为26500t,水下航速达27节。其反应堆一回路、二回路系统广泛采用钛合金材料,而且其反应堆支撑及壳体结构、管路及附件、容器等全部采用钛合金材料。反应堆系统重量轻,可实现弹性安装,系统耐腐蚀性能好,一回路取消净化系统,仅在艇大修、反应堆换料时,整体换水就可满足运行水质要求。俄罗斯同样在深潜器上也大量使用了钛合金。

俄罗斯除了在潜艇耐压壳体结构及设备上使用钛合金,在其破冰船的核动力装置中也大量使用了钛及钛合金,从各项统计数据可以看出,使用了全钛合金核动力蒸汽发动机的舰船,其蒸汽发动机的寿命与舰船的服役期寿命是等同的。同时,针对钛合金耐腐蚀的优点,钛合金管道、阀门、泵、热交换器等也在舰艇设计中大量采用。

美国对船用钛合金也进行了大量的工程研究,成功地将钛用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船,主要应用的钛合金有:纯钛、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3A1-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3A1-8V-6Cr-4MO-4Zr。在美国,钛合金的应用范围覆盖了各类动力的潜艇、水面舰艇、民用船舶的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇叶片、推进器、弹簧以及消防设备等。通过前期开展的相关研究工作,美国海军也计划在CVN-78中部分采用钛合金材料,并计划在开工建造之前做好较低成本的Ti合金部件的技术准备工作。但目前存在的主要问题是部件制造成本较高以及船厂缺乏制造经验等,其设计部门正在开展钛合金的焊接及其制造工艺(弯曲和成型)等关键技术研究工作。尽管钛合金材料管系的前期投入比Cu-Ni合金材料管系高,但美国还是在LPD-17船的海水管系设计中选用了钛合金管路及阀门,Avondale公司采用手工或自动GTAW(钨极氩弧焊)方法来制造钛合金材料管系,并使用特殊机械来完成管道接头焊接,并在焊接过程中严格控制层间温度;焊接时还严格控制所使用的填充金属材料,并将填充金属材料的端部时刻处于氩气的良好保护之中,以避免空气中杂质的污染,同时采用超声波硬度计来评定焊缝质量等级。

3、国内舰船用钛合金材料技术发展及应用情况

我国船用钛合金工业起步于20世纪60年代,经过几十年的发展,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钛合金体系,目前已能生产板、管、棒、饼、环、丝和铸件等多种形式产品,能满足一定强度级别的要求。主要船用钛合金牌号有:纯钛、Ti31(635MPa级)、TA5(685MPa级)、Ti75(730MPa)、Ti-6Al-3Nb-1Mo合金(785MPa级)、rZTi60(590MPa级)、Ti80(780MPa级)。

在我国各型舰船工程中,利用钛合金优良耐海水腐蚀性能和良好的综合性能,在采取传统防腐措施无法达到理想防腐效果的系统中使用了钛合金材料_7]。通过对钛合金材料选型、工艺适应性设计及结构优化设计等系统化研究,结合材料优化、涂层保护、异种金属绝缘及包敷处理等综合防腐治理措施,有效地解决了部分系统腐蚀严重的问题,提高了该系统的可靠性和使用寿命。

近十年来,我国在深潜器用钛合金、声纳导流罩用钛合金等专用结构及其合金的应用研究中,也取得较大的进步,一批喷水艇前后水翼上的首尾导流锥体已装艇使用。某型舰新型钛合金球鼻艏目前已研制成功并交付使用,新型高性能钛合金球鼻艏具有强度高、刚性好、透声性能优异、内部噪音低、质量可靠、维修费用低等优点,受到专家的高度 评价,填补了国内高性能钛合金球鼻艏研制的空白。同时,针对钛合金透声性能好的优点,某型试验船采用了舷侧钛合金透声窗结构,并成功解决了大型平面薄壁钛合金结构的焊接纵向收缩和平面扭曲失稳变形、大面积钛合金双曲面成形、钛、钢连接部分的结构水密性和电绝缘、焊接过程密封橡胶的隔热等关键技术,图2为该试验船舷侧阵钛合金透声窗外观。

此外钛合金也应用在深潜器鱼雷发射装置、鞭状天线、一回路系统的排污及安全设备,潜望镜部件及雷达天线支座,各类热交换器、冷却器、管系、泵、阀,声学装置中的声纳导流罩、声扫雷具以及螺旋桨等部位均取得较好的效果。 

4、存在的不足及差距 

虽然我国船用钛合金从强度级别到使用部位与国外有对应的合金,但品种、规格不够完善,加工和制造技术与国外比相对落后。

我国常用的钛及钛合金板材与美国牌号的性能见表1。

我国与美国钛及钛合金板材牌号性能比较

就我国目前的钛合金在舰船上的使用情况来看,使用范围和目的都十分有限,对应的钛材料设备也比较匮乏。使用钛合金材料作为防腐蚀措施目前只是在腐蚀最为严重的部分系统得到推广使用,并未成为总体防腐蚀设计的一种普遍使用措施,而国外该措施已成为舰艇防腐蚀设计的首选方案。钛合金所具备的良好的无磁性、透声性能也未得到充分的运用,钛合金透声窗、导流罩等技术还未在潜艇中得以推广使用,而在国外钛合金透声窗、导流罩已作为成熟技术得到广泛使用,从俄罗斯潜艇上可以看到,所有声纳导流罩都采用钛合金制造。与发达国家相比,钛合金材料研究及应用的不足和差距主要表现在以下几个方面:

1)虽然我国的船用钛合金从强度级别到使用部位与国外有对应的合金,但品种、规格不完善,加工和制造技术与国外比也相对落后,在设计中可供选择的材料品种有限,目前大部分钛合金材料都是针对航天、航空的需求而设计的,船用钛合金材料大都是针对某些特定用途,如进排气系统、透声窗等部位而研制的,缺乏可供各专业选择,全船通用 的钛合金材料系列。

2)近年来我国钛合金制造工艺有了较大的提高,但与国外发达国家相比还存在着一定的差距。国外发达国家已研制出针对潜艇空间狭窄、管路布置复杂、现场安装工作量大这一情况的特殊钛合金安装、切割工艺,使钛合金在潜艇全船海水管系得以广泛使用,目前我国在这方面的研究还是一片空白。

3)钛合金与非钛合金之间的电绝缘工艺复杂,对钛合金材料的推广使用也有较大的制约。

4)适用于舰船钛合金材料使用的标准、规范体系十分欠缺,尤其是钛合金材料的管系附件、阀件、紧固件标准基本上还是一片空白,而这些标准是钛合金材料在舰船上大规模使用所必不可少的。

5、未来钛合金应用需求分析

随着舰船设计及防腐蚀要求的进一步提高,钛合金的应用需求将会越来越广泛,主要体现在以下几个方面:

1)由于全寿命期间费用低于目前采用的动力及管路系统用材料,钛合金材料在动力及管路系统的大量应用将成为我国舰艇工业发展趋势。通过开发特殊性能、高强度钛合金材料并进行新工艺、新技术研究,扩大钛合金在各种高温、高压、耐腐蚀管路及热交换器、海水淡化器、冷却器、冷凝器等设 备的应用。

2)在舰艇部分海水管系采用钛合金,籍此提高海水系统安全性,降低修理成本,减小对舰船服役时间的影响,从而明显降低生命周期成本。

3)钛合金材料对提高声纳导流罩的透声能力、减小声纳导流罩的插入损失、降低声纳导流罩内部的自噪声,尤其是降低声纳导流罩内部的自噪声对提高声纳设备探测距离非常有利。声纳导流罩结构选用的透声材料和采取的结构形式是影响导流罩声学性能、力学性能、制造、安装工艺等的主要因素。钛合金材料无磁,耐腐蚀,透声性能好,比 重小,比强度高;橡胶材料吸收能量效果好,能起到隔振降噪作用,同时又有良好的透声性能。如利用橡胶和钛合金材料组合制成声纳导流罩透声壳板,就可以充分利用它们各自的优点,在确保结构强度的前提下,既可以减薄壳板厚度,改善声纳导流罩透声性能,增加组合透声壳板刚度,又可以降低声纳导流罩内部自噪声,使声纳导流罩的综合技术性能得到大大提高。

4)全钛合金船体也是舰艇船体结构的一个重要发展方向,高速、超高速战斗舰艇(地效应舰艇等)、扫雷艇的船体结构均可以采用台合金制造。

5)钛合金运用于舰船防护结构中也是钛合金的一个应用发展方向。如美国西北大学开发出氮化钛颗粒强化的BlastAlloy160,其抗拉强度达1100MPa,在低达一4O℃低温下任能保持较好塑性,该多层桁架板材结构能在关键部位起到一定的爆炸防护作用。

6、需开展的主要研究工作

通过与国外发达国家钛合金材料及应用的先进技术的比较,结合目前钛合金材料在舰艇上的使用过程中发现的问题,为满足钛合金的进一步扩大使用的发展需求,今后还需开展以下几个方面的研究工作:

1)针对舰船使用要求,开发、研制船用钛合金配套材料,并形成标准、系列,在不明显降低其强度及韧性指标的情况下,通过改进配方、冶炼工艺、轧制工艺等,降低钛及钛合金成本,从而有助于钛及钛合金在舰船上的推广应用;

2)开展大型模拟件(如钛合金夹芯声纳导流罩)实验验证工作,开展船用钛合金成型及结构钛合金可焊接性研究;研究钛合金结构设计及计算、工艺性能分析、寿命及失效模式分析以及产品质量检测等相关技术,为装备的制造、使用提供指导性文件;

3)开展针对舰船空问狭窄、管路布置复杂、现场安装工作量大这一特殊要求的钛合金安装、切割工艺研究,开展大厚板以及配套焊材的新工艺、新技术研究,解决焊接等制造技术方面的问题并改进其性能及工艺,使其满足舰船应用要求;

4)进行钛合金电绝缘工艺研究,提高钛合金电绝缘工艺性;

5)对于承受较大冲击力的结构部件及连接件,目前所能选用的钛合金材料的表面硬度、抗冲击能力还有一定的缺陷,建议在钛合金表面处理方面进行进一步的深入研究;

6)建立、完善船用钛合金材料的标准、规范体系,尤其是钛合金材料的管系附件、阀件、紧固件的标准、规范,使船用钛合金材料及相关的钛合金通用件做到标准化、系列化;

7)针对钛合金高比强度,开展全钛合金高速、超高速战斗舰艇(地效应舰艇等)设计、建造方法研究;针对钛合金低磁性的特点,开展全钛合金扫雷艇的设计、建造方法研究。

7、结语

实践证明,钛合金是一种经过长期海情考验、理想的舰船用材料,钛合金材料的使用可以大大提高舰船的整体性能。我国钛合金发展至今天,已初步形成了较完善的材料技术体系,但是与国外的差距还很大,体现在应用型号和应用范围、用材量、钛制品建造工艺等诸多方面,我国钛合金在舰船制造业大量应用钛合金还处于发展阶段。随着船舶行 业的发展和高性能低成本舰船钛合金的研发,钛合金材料的应用前景是十分光明的。

参考文献

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[2] 王向东,等.2007年中国钛工业发展报告[R].中国有色金属协会钛锆铪分会

[3] 宁兴龙.俄罗斯舰船用钛EJ].钛工业进展,2003

[4] 王向东.金属学报EJ],1999,35:1

[5] Ti75合金板材技术条件.七二五所

[6] Ti80合金板材技术条件.七二五所

[7] 黄晓艳,刘波.舰船用结构材料的现状与发展EJ].船舶,2004,(6)

[8] 吴海峰,张治民,李保成.钛合金及其成型技术在民品中的应用前景I-j].锻压技术,2003,(4)

[9] 陈军,赵永庆,常辉.中国船用钛合金的研究和发展EJ].材料导报,2004,(19)

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