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Ti31Ti80Ti75钛锻件钛合金棒在海洋工程装备中的应用实例

发布时间: 2021-11-10 23:14:44    浏览次数:

钛具有质轻、比强度高、抗冲击性高、耐海水腐蚀性能优异、断裂韧性好、疲劳强度高、焊接性能好、无磁、透声性好、耐冷热性优异、抗放射性、减震抗噪等一系列优点 [1-10] ,被誉为“海洋金属”,是一种理想的、具前景的海洋工程装备用结构材料。

钛在海洋工程装备领域应用非常广泛,如船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件等,动力驱动装置中的推进器和推进器轴,冷凝器、冷却器、换热器等,舰船声呐导流罩、螺旋桨等 。但目前国内仍未见有关海洋工程装备用钛材的选材手册的报道,未见有关完善的海洋工程装备用钛及钛合金使用评价体系的报道,这在很大程度上制约了钛材在海洋工程装备上的推广使用。

本文在介绍钛及钛合金在海洋装备领域应用特点的基础上,总结了目前国内外形成的舰船用钛及钛合金体系和性能特征,论述了国内外钛及钛合金在海洋装备领域的应用现状及优势,展望了钛材在海洋装备的应用前景,以期对后续海洋工程装备设计选材提供参考,从而大幅度加速推动钛材在我国海洋装备领域的应用。

1、海洋工程装备用钛

为确保海洋装备的战技性能和航行的绝对安全可靠性,选择合适的装备材料至关重要。

钛及钛合金几乎具备海洋装备材料所需的全部特性,即钛及钛合金的诸多优点。

物理特性

①质轻。钛密度为4.5 g/cm3 ,仅为钢的57.7%,在舰船领域应用可减轻船体质量、增加载重、提高航速;②热膨胀系数低,焊接应力小,从而使部件焊接变形量小;③无磁性,在强磁场下也不会磁化,并可防电磁干扰,使装磁引信的水雷或鱼雷失效,避免磁性雷的攻击,从而提高水下潜艇的隐身技术水平和反侦察能力;④导热率与热传递速率匹 配良好,是理想的热交换器材料;⑤透声性好,钛材透声系数大于 0.85,甚至高达 0.98,是舰船声呐导流罩最理想选材;⑥加工性良好,可通过多种加工方式如铸造、轧制、锻造、挤压等生产铸件、板材、丝材、型材、锻件、复杂的零部件等。

力学性能

钛及钛合金力学性能优异,其比强度高、塑性好,在−253~600 ℃ 范围内,它的屈强比和比强度在海洋装备用金属材料中最高;冲击韧性良好,在−60~20 ℃ 范围内,无明显韧-脆转变点;断裂韧性较高,在 80~110 MPa·m1/2之间。疲劳强度高,钛材低应力高周疲劳均在 107周次以上。

腐蚀性能

钛在海洋环境介质中具有优异耐腐蚀性能。由于钛和氧亲和力极高,在空气或氧介质中,钛材表面极易快速形成一层薄、致密、坚固的氧化膜。钛的氧化膜具有很强的自愈性,当氧化膜受到破坏或划伤后,也会很快自愈或再生,形成新的氧化膜。这层氧化膜可使钛材几乎不被自然海水腐蚀。

国内外舰船用钛材体系

钛材是一种优良的舰船材料,得到了各国海军和造船业的青睐。近五十年来,俄罗斯、美国、中国和日本等先后都建立了适用于自己的舰船用钛及钛合金体系。

国外舰船用钛材体系

俄罗斯、美国是最早研究舰船用钛及钛合金的国家,并各自形成舰船用钛及钛合金体系,日本相对较晚,舰船用钛材体系较简单。俄、美、日各国常见的舰船用钛及钛合金牌号及屈服强度 σ 0.2 按低、中、高强度级别划分见表 1 。

表1俄罗斯、美国、日本常见舰船用钛及钛合金牌号及屈服强度

国家低强钛合金中强钛合金高强钛合金
牌号合金成分σ0.2/MPa牌号合金成分σ0.2/MPa牌号合金成分σ0.2/MPa
俄罗斯ПT-1M≥390ПT-3BTi-4Al-2V≥590BT6Ti-6Al-4V≥850
TL3Ti-3.5Al-0.4V≥44037≥690BT8Ti-6.5Al-3.3Mo-0.3Si≥900
ПT-7MTi-2Al-2.5Zr≥4905B≥690BT14Ti-5Al-3Mo-1V≥900
TL5Ti-3.5Al-2V≥49023a≥1050
美国Gr1Cp-Ti≥165Gr.32Ti-5Al-1Zr-1Sn-  1V-0.8Mo-0.1Si≥586Gr.23Ti-6Al-4VELI≥795
Gr2Cp-Ti≥275Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo≥655Gr.5Ti-6Al-4V≥820
Gr12Ti-0.3Mo-0.8Ni≥345Ti38644(βc)Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr≥1100
Gr9Ti-3Al-2.5V≥485
日本CP-Ti≥280SAT-64Ti-6Al-4V≥830
SAT-64ELITi-6Al-4VELI≥795

俄罗斯舰船用钛及钛合金研究及应用水平居世界前列,是最早拥有专用舰船用钛合金体系的国家,如船体钛合金ПT-1M,船机用钛合金ПT-7M、3M、 37, 动 力 工 程 用 钛 合 金 ПT-3B、 40、 5B、23a 等。几十年来,俄罗斯在核潜艇、常规潜艇、水面舰艇、航空母舰、深潜器等舰船领域都大量采用了钛材。

美国海军自 1963 年开始对舰船用钛材进行大量的工程应用研究,主要的船用钛及钛合金有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等,现已成功将钛材应用于各种水面舰艇、动力潜艇、民船等。

日本的船用钛及钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI,集中应用于深潜器耐压壳体、民用渔船、游船等。

国内舰船用钛材体系

国内舰船用钛材的研究始于 1962 年,五十多年来,我国从研发到应用已逐渐形成了较完整的舰船用钛及钛合金体系[1-3,6-9] ,其屈服强度在 320~1130MPa 之间。业界通常按材料屈服强度大小对其分类,即屈服强度在 500 MPa 以下为低强钛合金,500~790 MPa 为中强钛合金,高于 790 MPa 为高强钛合金。上述强度级别材料基本可满足国内舰船、潜艇、深潜器及深海空间站用结构材料的指标要求。现阶段我国已制定了舰船用钛及钛合金板材、棒材、锻件、无缝管材及铸件的相关规范,具体舰船用钛及钛合金体系、性能、应用及规范标准号见表2。

与俄罗斯、美国相比,中国舰船用钛及钛合金体系还不够完善,且应用数据较少,无准确、高效的舰船用钛材的评价体系。

表2 我国舰船用钛及钛合金体系、性能及应用

类别牌号合金成分Rm/MPaRp0.2/MPaA/%Z/%KV2/J性能特点应用
低强TA2Cp-Ti≥400275~450≥25成型、焊接性能好,耐海水腐蚀非耐压铸件、冷成型件、管      路等
TA3Cp-Ti≥500380~550≥20成型、焊接性能好,耐海水腐蚀非耐压铸件、冷成型件、管      路等
TA4Cp-Ti≥580485~655≥20成型、焊接性能好,耐海水腐蚀低强度承压壳体、冷成型      件、结构件等
Ti- 31(TA22)Ti-3Al-1Mo-1Zr- 0.8Ni>637>490≥18≥35≥47成型、焊接性好,耐180 ℃ 海水腐蚀换热器、冷凝器、泵体、管路、阀门、压力容器、承载      焊接结构件等
ZTA5Ti-4Al-0.005B≥590≥490≥10≥25≥24铸造性能好船舶推进、电子及辅助系统      的泵、阀等
中强TA18 MTi-3Al-2.5V≥620≥515≥15冷成型性、焊接性优异舰船排气管、喷气偏导装      置,舱盖、舱门等
TA17Ti-4Al-2V685~835≥560≥10良好焊接性能、抗腐蚀性能、      冲击韧性高封头、声呐导流罩骨架、结      构件等
TA5Ti-4Al-0.005B≥685≥585≥12耐蚀、可焊性好鱼雷发射装置、框架结构      件、船舶各类机械部件等
ZTi60Ti-5.5Al-4Sn- 2Zr-1Mo-1.0Ta-      0.5Nd-0.5Si≥670≥590≥10≥20≥43铸造性能好、耐蚀、可焊各种耐压系统铸件等
Ti70(TA23)Ti-2.5Al-2Zr-1Fe≥700≥590≥10耐蚀性、透声性、冷成型、      焊接性好透声罩、声呐导流罩、桅      杆、冷成型件等
Ti75(TA24)Ti-3Al-2Mo-2Zr≥730≥630≥13≥25耐蚀性、焊接性、成型性优异,      断裂韧性、冲击韧性高船舶结构、压力容器、耐高      压管路、推进系统构件等
Bti431Ti-5Al-3Mo-1V≥770≥650≥9≥25焊接性、铸造性良好管材结构、紧固件、气瓶等      耐压罐体等
Ti91Ti-3Al-1V-1Zr-      1Fe≥700≥660≥20≥35冷成型性、焊接性、耐蚀性、透      声性优异透声罩、声呐导流罩等
ZTC4Ti-6Al-4V≥835≥765≥5≥12抗裂纹扩展、抗疲劳、      铸造性能好螺旋桨、可承受重载荷的壳      体等高强铸件
Ti80(TA31)Ti-6Al-3Nb-2Zr-      1Mo≥880≥785≥10≥40耐蚀、可焊紧固件、结构件、壳体等
高强TC4ELITi-6Al-4VELI≥860≥795≥10≥25≥24抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、      焊接性好耐压壳体、高压容器、结构      件、船舶部件、紧固件等
TC4Ti-6Al-4V≥895≥830≥10抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、焊接性好耐压壳体、发动机外壳、蒸汽透平机叶片、蓄电器、船      舶部件、紧固件等
TB8Ti-15Mo- 3Al-      2.7Nb-0.25Si825~1000795~965≥6高强、塑性、韧性,耐蚀高强紧固件、海水管路、弹      簧、弹射装置等
TB9Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo-4Zr塑性好、强度和弹性高、 淬透性好、耐蚀性和抗盐应力      腐蚀性能优异弹簧、紧固件等
TC11Ti-6.5V-3.5Mo-      1.5Zr-0.3Si≥1010≥910≥8≥23≥24高强、高韧、耐高温高压压气机转子、低压压气      机叶片及轮盘等
TiB19Ti-3Al-1Mo-5V-      4Cr-2Zr≥1175≥1130≥5≥10强度高、塑韧性好、焊接性好船舶高压容器、筒体、机械      部件等
Ti62ATi-6Al-2Sn-2Zr-      3Mo-1Cr-1V≥1010≥930≥9≥18≥20高强、高韧、耐冲击大深度耐压壳体、耐压罐      体、紧固件等
注:1)舰船用钛合金锻件规范 GJB 943A—2018;2)舰船用钛及钛合金板材规范 GJB 944A—2018;3)舰船用钛及钛合金棒材规范 GJB      9571—2018;4)舰船用钛及钛合金铸件规范 GJB    9574—2018;5)舰船用钛及钛合金无缝管材规范 GJB    9579—2018。

低强

TA2Cp-Ti≥400275~450≥25成型、焊接性能好,耐海水腐蚀非耐压铸件、冷成型件、管   路等
TA3Cp-Ti≥500380~550≥20成型、焊接性能好,耐海水腐蚀非耐压铸件、冷成型件、管   路等
TA4Cp-Ti≥580485~655≥20成型、焊接性能好,耐海水腐蚀低强度承压壳体、冷成型   件、结构件等
Ti- 31(TA22)Ti-3Al-1Mo-1Zr- 0.8Ni>637>490≥18≥35≥47成型、焊接性好,耐180 ℃ 海水腐蚀换热器、冷凝器、泵体、管路、阀门、压力容器、承载   焊接结构件等
ZTA5Ti-4Al-0.005B≥590≥490≥10≥25≥24铸造性能好船舶推进、电子及辅助系统   的泵、阀等
中强TA18 MTi-3Al-2.5V≥620≥515≥15冷成型性、焊接性优异舰船排气管、喷气偏导装   置,舱盖、舱门等
TA17Ti-4Al-2V685~835≥560≥10良好焊接性能、抗腐蚀性能、   冲击韧性高封头、声呐导流罩骨架、结   构件等
TA5Ti-4Al-0.005B≥685≥585≥12耐蚀、可焊性好鱼雷发射装置、框架结构   件、船舶各类机械部件等
ZTi60Ti-5.5Al-4Sn- 2Zr-1Mo-1.0Ta-   0.5Nd-0.5Si≥670≥590≥10≥20≥43铸造性能好、耐蚀、可焊各种耐压系统铸件等
Ti70(TA23)Ti-2.5Al-2Zr-1Fe≥700≥590≥10耐蚀性、透声性、冷成型、   焊接性好透声罩、声呐导流罩、桅   杆、冷成型件等
Ti75(TA24)Ti-3Al-2Mo-2Zr≥730≥630≥13≥25耐蚀性、焊接性、成型性优异,   断裂韧性、冲击韧性高船舶结构、压力容器、耐高   压管路、推进系统构件等
Bti431Ti-5Al-3Mo-1V≥770≥650≥9≥25焊接性、铸造性良好管材结构、紧固件、气瓶等   耐压罐体等
Ti91Ti-3Al-1V-1Zr-   1Fe≥700≥660≥20≥35冷成型性、焊接性、耐蚀性、透   声性优异透声罩、声呐导流罩等
ZTC4Ti-6Al-4V≥835≥765≥5≥12抗裂纹扩展、抗疲劳、   铸造性能好螺旋桨、可承受重载荷的壳   体等高强铸件
Ti80(TA31)Ti-6Al-3Nb-2Zr-   1Mo≥880≥785≥10≥40耐蚀、可焊紧固件、结构件、壳体等
高强TC4ELITi-6Al-4VELI≥860≥795≥10≥25≥24抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、   焊接性好耐压壳体、高压容器、结构   件、船舶部件、紧固件等
TC4Ti-6Al-4V≥895≥830≥10抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、焊接性好耐压壳体、发动机外壳、蒸汽透平机叶片、蓄电器、船   舶部件、紧固件等
TB8Ti-15Mo- 3Al-   2.7Nb-0.25Si825~1000795~965≥6高强、塑性、韧性,耐蚀高强紧固件、海水管路、弹   簧、弹射装置等
TB9Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo-4Zr塑性好、强度和弹性高、 淬透性好、耐蚀性和抗盐应力   腐蚀性能优异弹簧、紧固件等
TC11Ti-6.5V-3.5Mo-   1.5Zr-0.3Si≥1010≥910≥8≥23≥24高强、高韧、耐高温高压压气机转子、低压压气   机叶片及轮盘等
TiB19Ti-3Al-1Mo-5V-   4Cr-2Zr≥1175≥1130≥5≥10强度高、塑韧性好、焊接性好船舶高压容器、筒体、机械   部件等
Ti62ATi-6Al-2Sn-2Zr-   3Mo-1Cr-1V≥1010≥930≥9≥18≥20高强、高韧、耐冲击大深度耐压壳体、耐压罐   体、紧固件等
注:1)舰船用钛合金锻件规范 GJB 943A—2018;2)舰船用钛及钛合金板材规范 GJB 944A—2018;3)舰船用钛及钛合金棒材规范 GJB   9571—2018;4)舰船用钛及钛合金铸件规范 GJB  9574—2018;5)舰船用钛及钛合金无缝管材规范 GJB  9579—2018。

2、钛材在海洋装备上的应用现状及优势

钛材是海洋环境中最理想的材料,使用钛材可使海军舰船及装备大大提高战斗力、降低维护成本、延长使用寿命、提高隐蔽性[1,10] 。俄、美、中国海军已将钛材广泛应用于深潜器、水下潜艇、水面舰艇、舰船等装备的耐压壳体、海水管路系统、上层建筑及其他部件等[9-11] 。

耐压壳体

国内外选用钛材作为耐压壳体的实例较多,主要用于深潜器载人球壳、潜艇壳体[11] ,具体典型应用所选用钛材的牌号及拉伸性能见表 3。

3 国内外载人球舱和潜艇耐压壳体材质、制备工艺及材料性能

牌号成型、焊接工艺拉伸性能潜艇名称设计深度/mm使用年份
σ0.2/MPaσb/MPaA/%Z/%
俄罗斯BT6瓜瓣/拼焊      手工TIG焊接≥800≥850≥10≥20“和平”号60001987
美国Ti-6Al-4VELI整半球冲压成型    赤道缝电子束焊接      螺栓连接≥760≥825≥8         ≥15新“阿尔文”号        Triton 36000/26500        110001994        2019
法国Ti-6AL-4VELI整半球冲压成型      螺栓连接≥795≥860≥10“鹦鹉螺”号60001985
         中国TC4 ELI整半球冲压成型      赤道缝电子束焊接≥795≥860≥10“深海勇士”号45002017
TC4瓜瓣/拼焊      手工TIG焊接≥825≥895≥10“蛟龙”号70002009
日本Ti-6Al-4VELI整半球冲压成型      赤道缝电子束焊接≥810深海“6500”号65001989
俄罗斯ΠT-3B      (对应国内TA17)640~835≥590≥9≥15核潜艇1960

国内外深潜器载人球壳选用钛材牌号主要有 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI(对应国内牌号TC4、TC4ELI)。

很多深潜器载人球壳前期选用钢材,但后期都采用钛材替代,既可以减轻重量,增加下潜深度,又可以提高使用寿命。例如:①美国 Alvin 深潜器,1964 年建造时采用的是 HYl00 高强钢 (板厚33.8 mm),下潜深度为 2000 m,1973 年改建时将耐压壳体换成钛合金 (板厚 49 mm),下潜深度增加到3600 m, 其 辅 助 箱 及 高 压 气 器 也 采 用 Ti-6Al-4VELI;②日本的“深海 2000”载人球壳采用钢材制,后续在建造“深海 6500”时选用钛材制备载人球壳以增加下潜深度。

在潜艇耐压壳体应用方面,俄罗斯最早选用钛材,是目前世界上使用钛材制造耐压壳体技术最先进最成熟的国家,其全钛核潜艇制造选用的惟一的钛材牌号为 IIT-3B 钛合金 (对应国内牌号 TA17)。近年来,国内在建造潜艇时也更青睐于选用钛材,牌号主要集中于 TA17、TC4、TC4ELI、TC11、纯钛等。

除此之外,目前许多国家都正在建造大深度载人潜水器和大深度全钛武器装备。国内建造的“奋斗者”号全海深载人潜水器已于 2020 年 11 月 10 日成功挑战全球海洋最深处——马里亚纳海沟,深度达10909 m,实现了中国人的深海梦,该深潜器的载人球壳材料为高强高韧损伤容限型钛合金,由宝钛股份制造;国内已开始建造全钛的大深度装备。

海水管路系统

海水管路系统复杂、通径规格多,所选材料要求具有耐海水腐蚀、强度高、疲劳性能好等特点,钛材均可满足,采用钛合金制造的管道较传统材料(碳钢、不锈钢、铜合金) 优势显著。

(1) 提高服役寿命,与舰船本体同寿命。俄罗斯对比研究了传统材料和钛材制造的管道系统服役寿命。结果表明,钛材与舰船同寿命,只需投入一次,且在使用过程中仅需简单维护即可;传统材料服役期限约 2~10 a,服役期内必须定期维修,甚至更换,尤其是在高速推动环境作用下,各种接头均会产生局部腐蚀。美国海军舰船应用数据显示,钛

制管系寿命为 40 a,铜镍合金管系寿命只有 6~8 a。

国内开展了采用“钛合金”替代“铜合金”制造海水管路系统的验证考核试验,宝钛提供的 TA2 钛无缝管材、配套管件和钛法兰在整套试验系统运行近 3a 后,拆解检验管路及配套材料,均未发现有裂纹、孔洞和腐蚀等异常情况。(2) 降低成本。采用钛合金部件,虽一次投入成本较高,但一次投入即可满足全寿命使用,使用过程中仅需简单维护保养,大量节省维修和维护费

用。美海军舰船热交换器用的铜镍合金管每年大约需更换 97 km,而在 LPD17 两栖船坞运输舰的 2 个海水配管系统上选用了 Gr.2 纯钛管材,约 1000 多个管件,总长度 3350 m 以上,全寿命期节省成本达1700万美元。

综上所述,钛材在管路系统的使用,既可以减重、又可以实现与本体同寿命,同时,降低成本。

近几年,国内已在 022 艇等多型号海洋装备上批量应用。

上层建筑

目前,在国内舰船上层建筑中也已有钛材应用实例,如:桅杆用 Ti70(TA23)、雷达天线用 TA5 和TA7 棒材、机库蒙皮和框架结构用 TA2 和 TA5 板材。美海军在 LPD17 两栖船坞运输舰的关键部位上层建筑区也大量使用了钛,使其质量减轻约 50%,大大提高了该舰的稳定性。

其他领域应用

除上述耐压壳体、管路系统和上层建筑大量用钛材外,国内外海洋装备上还有其他部件也有用钛,应用实例见表 4。

表4 国内外海洋装备其他部件用常见钛材

序号用途常用牌号产品类型
1泵、阀纯钛、ZTC4、ZTA5、ZTi60铸件
2螺旋桨ZTC4铸件
3声呐导流罩、透声罩Ti70、ΠT-3B板材
4框架结构TA2、TA5、TC4板材、型材
5气瓶、耐压罐体Bti341、TC4、TC4ELI、Ti62A棒材、板材
6冷却器/管/水套、冷凝器等TA2、TA16、Ti75、Ti31管材
7紧固件、弹簧、销TC4、TC4ELI、TC11、TB8、TB9(Ti38644)棒材、丝材

结束语

钛合金不仅使海洋装备实现向“深、大、远、高、低”的方向发展,也可完全实现与海洋装备本体同寿命,是海洋装备的最佳选材。目前,我国对钛材在海洋装备上的应用也越来越重视,用钛量也在不断的增加。深海耐压壳体、海水管路、气瓶、上层建筑、框架等将成为海洋用钛的重点发展方向。

现阶段国内外钛材在船舶领域应用实例较多,但相关规范中材料体系并不完善。希望相关单位组织讨论并完善现行“钛制压力容器”、“材料与焊接”等相关规范中的材料体系,以便于设计人员参考。

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作者简介:海敏娜 (1987—),女,陕西宝鸡人,工程师,硕士,2015 年毕业于西安建筑科技大学材料加工工程专业,工作于宝鸡钛业股份有限公司,主要从事与海洋装备领域用钛相关的研究。通信地址:721013 陕西省宝鸡市渭滨区高新大道 88 号,E-mail:haiminna@126.com。

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