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  • 我國艦船用Ti31/Ti75/Ti80/TC4鈦合金研究應用現(xiàn)狀

    發(fā)布時間: 2021-02-04 23:13:56    瀏覽次數(shù):

    艦船是一種水上交通運輸工具,是一種復雜的水上工程建筑物,它能以一定的速度將其有效載荷從一個地方運送到另一個地方 [1] 。為了保證艦船的使用性和航行性,必須具有強固的船體結(jié)構(gòu)和各種設備裝置、機械、儀器儀表、武備以適應各種需求 [2] 。艦船是海軍最重要的裝備,是海上運輸、戰(zhàn)斗的平臺,要求建造艦船的材料能耐海水、海洋大氣的腐蝕,比強度高,塑韌性及加工工藝適應性好 [3] 。艦船整體結(jié)構(gòu)復雜,使用材料品種規(guī)格多、質(zhì)量大。選擇性能優(yōu)異的材料制作艦船是構(gòu)成海軍裝備完整性和先進性的基礎(chǔ),艦 船裝備發(fā)展主體材料的性能直接影響海軍整個系統(tǒng)的運行、維護和安全。開發(fā)高性能的先進結(jié)構(gòu)材料會增強艦船作戰(zhàn)能力和降低服役期的成本。鈦及其合金密度小、重量輕、比強度高、耐海水及海洋大氣腐蝕。

    此外,它還具有無磁性、透聲、抗沖擊震動,可加工性好等特點,是一種優(yōu)秀的船舶結(jié)構(gòu)材料 [4] 。鈦及其合金在船舶中的應用領(lǐng)域非常廣泛,如船體結(jié)構(gòu)件,深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥及配件,動力驅(qū)動裝置中的推進器和推進器軸,熱交換器、冷凝器、冷卻器,艦船聲納導流罩、螺旋槳等 [5-7] 。

    艦船領(lǐng)域用鈦在我國起步較晚,技術(shù)、裝備、應用等方面還存在一些問題,但經(jīng)過鈦科技工作者多年的研究及推廣應用,已經(jīng)形成了我國自主的艦船鈦合金體系,并已獲得了多方面的應用 [8~ 10] 。

    本文介紹了鈦合金材料特性及艦船對材料的特殊要求;論述了我國艦船鈦合金體系、艦船鈦合金研制及應用現(xiàn)狀;分析了我國艦船鈦合金應用中存在的問題。

    1、艦船對材料的要求和鈦及其合金的性能

    艦船及其設備工作條件特殊:長期浸泡在海水和海洋大氣環(huán)境中;許多設備和構(gòu)件(如高速螺旋槳、軸、舵、閥、海水泵、熱交換器、高溫排氣管等)易受腐蝕而不易保護;在使用中要求材料耐腐蝕性高、壽命長、安全可靠、大承載、少維修。艦船各系統(tǒng)裝置復雜,所用材料品種雜、規(guī)格多而大,所以艦船材料應具有耐蝕性、耐久性、牢固性、可靠性及穩(wěn)定性等多方面特殊的技術(shù)性能。

    艦船在運行過程中需承受重力、浮力、搖蕩時的慣性力、風浪的沖擊力等各種外力作用,不允許產(chǎn)生較大的變形和破壞,因此船舶材料首先應具有匹配良好的力學性能:強度特別是屈服強度高的材料可減少船體和各結(jié)構(gòu)件的斷面積,降低材料消耗,從而達到船體質(zhì)量減輕、增加載重和提高航速的目的,具有較高屈服強度的材料對造船意義重大 [11] 。為了提高潛艇的潛水深度,有效防止反艦武器的攻擊,也需要提高材料的強度。另外,船體及各結(jié)構(gòu)件形狀復雜,制造過程中材料要承受冷熱交替及彎曲成型,艦船在航行過程中不可避免會碰到局部受力的情況(如航行時經(jīng)常會遇到風暴等意外事件,使船舶遭受海浪等強烈的沖擊),為了保障其可靠性,要求材料必須具有良好的塑性。研究發(fā)現(xiàn),船舶發(fā)生海損事故的重要原因是材料脆性斷裂引起的。因此材料要具有高的斷裂韌性、良好的沖擊韌性,才能確保艦船的技、戰(zhàn)術(shù)性能和航行的絕對安全。

    其次艦船常年航行在波浪起伏的海洋中,長期反復受到交變應力的作用及海水和海洋大氣侵蝕,因此艦船材料不但要有優(yōu)異的耐腐蝕性能,而且還要有較高的耐疲勞強度,以免發(fā)生腐蝕及疲勞損壞。

    艦船材料還要具有良好的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能:如抗彈性、減震抗噪性、耐冷熱性、透聲性、無磁性、抗放射性、抗海生物生長和易于清除海生物(放射污染物)等。

    現(xiàn)代造船中,無論是船體結(jié)構(gòu)、動力裝置還是武器裝備的建造,均需要涉及機械加工、冷熱成型、彎曲、鍛造、鑄造和焊接成型等等制造手段,這就要求船舶材料還要具有良好的彎曲、成型、機加工、焊接等綜合加工工藝適應性能 [12-21] 。另外艦船用材品種規(guī)格多、質(zhì)量要求高、且要求低成本,并要能保證大量供應,所以艦船材料還應經(jīng)濟、實用。

    金屬鈦作為工程材料僅有 50 多年的歷史,但因為其具有無與倫比的特殊性能而迅速在各行各業(yè)得到了應用。鈦合金幾乎具有前述艦船材料所要求的全部特性,所以是船舶材料的理想選擇。

    首先鈦具有特殊的物理性能:密度低,為 4.5g/cm 3 ,僅為鋼的 57%,屬輕金屬;熔點較高,達(1668±5)℃;熱導率和線膨脹系數(shù)均較低,熱導率僅為鐵的 1/4、銅的 1/7、但比不銹鋼和鎳基合金高 [22] ;無磁,即使在強磁場下也不會磁化;在 0.49 K 低溫時具有超導電性;抗核輻射性好,其輻射脆性很小,且可避免由輻射引起的有害二次輻射問題;高的透聲系數(shù),達0.85 以上;優(yōu)異的抗沖擊性能,抗沖擊系數(shù)達 0.63 以上,是 B30 的 4 倍以上,是鎳基高溫合金的 2.5 倍以上;良好的抗彈性能:鈦盡管密度低,但彈性模量也低,僅為鋼的 1/2,而強度、韌性高,所以抗彈性能優(yōu)良。

    其次,鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,是一種非常活潑且具有強烈鈍化傾向的金屬,平衡電位很低,在各種介質(zhì)中熱力學很活潑,反應的熱力學趨勢大 [22] 。但因為鈦和氧的親和力很高,在空氣和含氧介質(zhì)中表面能迅速形成一層致密、附著力強、惰性大的氧化膜,保護了基體不被腐蝕,即使受到機械磨損,也會很快自愈或再生,致使其具有優(yōu)異的耐介質(zhì)腐蝕性能,實踐已經(jīng)充分證明在海水及海洋大氣環(huán)境下,鈦材的耐腐蝕性能優(yōu)異。

    第三,鈦合金具有匹配良好的力學性能,比強度高、塑性好,在–253℃~600℃范圍內(nèi),它的比強度(抗拉強度/密度)在金屬材料中幾乎最高;沖擊韌性良好,在–60℃~20℃范圍內(nèi),無明顯的脆性轉(zhuǎn)變點;斷裂韌性較高,斷裂韌性在80~110 MPa·m 1/2 之間,從比韌度(K I /R p0.2 ) 2 與(R p0.2 /ρ)的關(guān)系曲線可以看出,鈦的斷裂韌性最高,鋼次之,鋁合金最差;疲勞強度高,對于船舶大型焊接結(jié)構(gòu)和殼體,產(chǎn)生高應力低周數(shù)破壞時的應力循環(huán)周數(shù)一般不超過10 5 周,而鈦材均在10 7周以上。表1是各種艦船用金屬材料的屈強比和比強度。從表1可以看出,幾種艦船材料中鈦材的屈強比和比強度最高,是未來艦船材料應用的發(fā)展方向 [23, 24] 。

    艦船用金屬材料的屈強比和比強度

    2、艦船鈦合金體系與分析

    鈦材作為一種優(yōu)秀的船舶材料,各國海軍及造船業(yè)對其十分重視,先后研制出了系列的船用鈦合金。

    俄羅斯、美國和中國是最早專門從事艦船用鈦合金研究的國家,并各自形成了自己的船用鈦合金體系 [25, 26] ,日本鈦合金民用船只研發(fā)活躍,世界上第一艘鈦制漁船于 1998 年 10 月 12 日下水,船名為第二朝日丸 [27] 。

    我國艦船鈦合金的研究開發(fā)最早開始于1962年。經(jīng)過四十多年的發(fā)展,其研究、制造水平有了很大提高,現(xiàn)已形成了我國專用的船用鈦合金體系,已能批量生產(chǎn)板、管、鍛件、中厚板、各種環(huán)材、絲、鑄件等多種形式的產(chǎn)品,可滿足不同強度級別和不同部位的要求。表2是我國現(xiàn)已形成的專用艦船鈦合金體系、性能及已獲得的應用情況 [28-36] 。從表2可以看出,我國的艦船鈦合金體系已經(jīng)相當完整,已擁有了屈服強度在490 MPa以下的系列低強鈦合金、屈服強度在590~700 MPa的系列中強鈦合金及屈服強度在785 MPa以上的高強鈦合金系列。490 MPa以下的低強鈦合金系列主要用作非耐壓或要求壓力很低的管道、鑄件及冷成型件;中強鈦合金主要應用于各種耐壓系統(tǒng)鑄件、管路系統(tǒng)、壓力容器、透聲窗及聲納導流罩等;高強鈦合金系列主要用作高壓容器、深潛器耐壓殼體、各種結(jié)構(gòu)件、彈簧、高強緊固件、彈射裝置等等。

    中國的船用鈦合金體系及性能特征

    俄羅斯船用鈦合金研究及實際應用水平居世界前列,擁有專門的船用鈦合金系列,如船體用鈦合金пт-1м;船機пт-7м;船舶動力裝置用鈦合金 40、пт-3B、5B 等 [37] ,形成了 490、585、686、785 MPa等強度級別的船用鈦合金產(chǎn)品。其應用范圍相當廣泛,如前蘇聯(lián)系列核動力破冰船“列寧”號、“北極”號、“俄羅斯”號、“蘇聯(lián)”號均使用的是鈦制蒸汽發(fā)生器,已安全使用 20~40 年無任何嚴重破損發(fā)生。

    美國海軍1950年就開始注意到鈦材用于艦船工業(yè)的可能,1963年開始對船用鈦合金進行了大量的工程研究,成功地將鈦合金應用于各種動力潛艇、水面艇、民船,主要應用的鈦合金有:純鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V 、 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等 [37] 。

    日本的船用鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI,主要應用于深潛器的耐壓殼體及各種民用游船、漁船 [37] 。近年來制造的全鈦深海調(diào)查船可深入海底 6500 米,是世界上能夠潛入海底最深的船只。

    中、俄、美艦船鈦合金牌號及屈服強度等級

    表3是中、俄、美三國船用鈦合金的對照情況 [38, 39] ??梢钥闯?我國的艦船鈦合金體系完整,合金牌號多而雜,甚至同一強度級別出現(xiàn)多個不同合金、同一用途研制多個合金的情況。如:Ti31和TA16、TA17和TA18、Ti80和TC4、Ti70和Ti91等等。究其原因是我國不但仿制了俄羅斯和美國的系列鈦合金,還專門研究了我國專有的系列船用鈦合金,如Ti31、ZTi60、Ti70、Ti91、Ti75、Ti80、TiB19等。俄羅斯和美國的大部分船用合金是直接采用航空航天等領(lǐng)域已應用成熟的鈦合金,通過研究及改進后直接應用,對艦船特殊需要而專門研 究 的 鈦 合 金 很 少 , 如 美 國 僅 研 究 了Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti38644(βc) 3 個專門船用鈦合金,俄羅斯僅研究了 TL3、TL5、3M、5B、BT31、23a 等專門船用鈦合金牌號。

    3、我國艦船鈦合金的應用現(xiàn)狀

    進入21世紀,特別是近 5 年以來,我國鈦合金在海軍裝備的應用得到了突飛猛進的發(fā)展。根據(jù)艦船總體設計所的設計要求,各材料的研究、生產(chǎn)單位通過自發(fā)的努力以及和中船重工專業(yè)材料研究所—725 所緊密合作,并結(jié)合艦船用鈦合金應用研究成果,解決了大口徑無縫管材、超大口徑小曲率半徑無縫彎頭、大尺寸寬厚板、大尺寸復雜型面鍛件等整體制備,板、管材的加工成型、復雜結(jié)構(gòu)的焊接工藝技術(shù)難題,成功地開發(fā)出艦船鈦合金裝備并獲得了多項應用。

    近十年來我國的深潛器用鈦合金、聲納導流罩等方面專用鈦合金結(jié)構(gòu)制造已取得了較大進步:××型水翼艇噴水推進裝置前后水翼上的首尾導流椎體已裝艇使用;××型艦新型鈦合金球鼻舷已研制成功并交付使用;××型試驗船舷側(cè)透聲窗也采用了鈦合金結(jié)構(gòu)。此外在深潛器魚雷發(fā)射裝置、鞭狀天線、一回路系統(tǒng)的排污及安全設備、潛望鏡部件,各類熱交換器、冷卻器、管系、泵、閥等部位鈦合金的應用均取得了較好的效果,研制的 NiTiNb 記憶合金管接頭已經(jīng)過工程應用考核。典型的鈦合金應用系統(tǒng)綜述如下:

    ①鈦合金余熱排出冷卻器 [40]

    采用西北有色金屬研究院生產(chǎn)的中強、高韌 Ti31合金管、板及各種規(guī)格的鍛件,通過成型,組焊制備而成,圖 1 [41] 所示為用該鈦合金材料制造的一回路系統(tǒng)危急冷卻器。

    我國艦船鈦合金的應用現(xiàn)狀

    ②艦用燃氣機系統(tǒng)

    為了適應發(fā)動機壓比(8.35~21),及出口溫度(230~500 ℃)提高,采用 TC11 鈦合金替代原結(jié)構(gòu)鋼(35CrMoVA、40CrNiMoA 等)制造的低壓燃氣機第 0、1~8 級輪盤及高壓燃氣機 1~7 級輪盤,已通過某燃氣機輪機裝機試車考核,效果良好,現(xiàn)已獲得應用。

    動葉片采用 TC11 鈦合金制造,對于要求長壽命、耐壓水平更高的高壓燃氣機第 8.9 級動葉片采用 BT8 鈦合金;底架采用 BT14 鈦合金,頰板采用 TC6 鈦合金,也已使用在某燃氣機輪機上。另外,采用 TC11 鈦合金還制造了堵板、噴油嘴、氣封弧段、法蘭等零件,采用 TC4 鈦合金制造了艦用傳動套柔性聯(lián)軸器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。

    ③鈦合金聲掃雷具 [40]

    鈦合金的高比強度、無磁、高電阻率及優(yōu)異耐海水腐蝕性能,使其成為很有吸引力的掃雷艇殼體材料和掃雷具結(jié)構(gòu)材料。現(xiàn)已根據(jù)發(fā)聲器結(jié)構(gòu)特點和使用性能要求,制備出了鈦合金聲掃雷具,見圖 2 [41] 示。

    ④鈦合金泵、閥及管系 [40, 42]

    艦艇上的泵、閥及管材長期工作在海水中,工作條件惡劣,采用鈦合金代替原 1Cr12 不銹鋼制造,效果良好?,F(xiàn)已制備出了多種鈦合金管系應用于通海系統(tǒng)及排煙系統(tǒng),材料涉及 TA2、ZTi60、Ti31、Ti80 等。

    圖 3 [42] 是鈦合金鹽水泵軸塞、閥座及四通管。

    ⑤鈦合金聲納導流罩 [40]

    采用透聲性能好、可冷成型的 Ti70 鈦合金,攻克了雙曲成型、組焊等技術(shù)難題,成功地研制出了鈦合金聲納導流罩,并已應用于多條水面艦艇中。圖 4 [41]是鈦合金聲納導流罩模擬體。

    ⑥鈦合金通訊雷達天線、天線支座及雷達基座

    為了解決雷達天線系統(tǒng)的海水腐蝕問題,采用鈦合金鑄件制造的雷達基座及天線支座,采用鈦合金高質(zhì)量系列管材制的雷達天線,已成功地應用于海軍某艇,減輕了重量,解決了海水腐蝕問題,提高了技術(shù)性能。

    ⑦噴翼快艇噴水推進裝置

    該裝置受海水的侵蝕及高流速海水的空泡剝蝕,腐蝕嚴重。為了解決腐蝕問題,我國自 1985 年開始研制噴水推進裝置,先后研制成功噴水推進泵體、葉輪、進水門、雜物清理裝置、進水室、格柵、托架、噴嘴、襯套、導流器、換向器等噴水推進整套裝置的鈦合金鑄件,每套重達 1t 左右,經(jīng)使用后徹底解決了海水腐蝕問題。該裝置已售至香港,應用在噴翼艇上,大大提高了使用性能及壽命,現(xiàn)已達到批量生產(chǎn)規(guī)模。

    ⑧鈦合金螺旋槳及緊固件等

    鈦合金具有優(yōu)良的抗空泡剝蝕、縫隙腐蝕性能,是高速快艇螺旋槳及船用緊固件的理想材料。我國于1972 年開始研制水翼快艇螺旋槳,至今已可生產(chǎn)各類鈦合金螺旋槳,已應用 500 多只,最重的單支固定螺旋槳重達 130 多公斤。長期使用表明:鈦合金螺旋槳使用壽命超過原銅合金槳 5 倍以上,而重量僅為銅質(zhì)的一半。

    ⑨電機轉(zhuǎn)子支架

    鈦合金比強度高、磁化率低,是大型永磁推進電機轉(zhuǎn)子支架的理想材料。采用鈦合金制造永磁推進電機不但能減輕電機的重量、減少外圍輔助設備、延長使用壽命,而且因鈦合金是良好的非磁性材料,還能提高電機的工作效率。現(xiàn)已制備出了永磁推進電機轉(zhuǎn)子支架用的鈦合金環(huán)件,100 mm 厚板焊接工藝已成熟。

    4、結(jié) 語

    雖然我國艦船用鈦合金體系已經(jīng)形成,船用鈦合金的生產(chǎn)、船舶產(chǎn)品的建造工藝技術(shù)及批量應用時機已基本成熟,但因艦船用材對性能提出的要求互相沖突,我國船用鈦合金還沒有形成總體設計院所、材料研究及半成品制備院所及廠家、部件成型及應用性能研究單位、制造廠之間的有效協(xié)調(diào)合作機制,造成目前的應用水平還處于分散、零星的狀態(tài)。存在如下問題:

    ①鈦在艦船裝備中的設計準則、需用應力和安全系統(tǒng)分歧很大,沒有形成自己的規(guī)范,造成某些系統(tǒng)選材不夠合理;

    ②大規(guī)模應用的品種規(guī)格不夠配套齊全,鈦材產(chǎn)品制造費用偏高,大型船廠應用鈦材設備現(xiàn)場加工配套能力弱,設備加工制造周期、供貨周期偏長;

    ③材料標準、系統(tǒng)的加工制造標準比較缺乏;

    ④有些工況條件下對鈦材應用認識不夠深入,如腐蝕、海生物附著、鑄件性價比、大型管道的制備方式問題等等。

    針對以上存在的問題,筆者認為:現(xiàn)有的船用鈦合金牌號已基本能滿足新型船舶的用鈦要求,重要的是要建立船用鈦合金的評價體系,促進這些材料在艦船上準確、高效地使用。因此應盡快組成一支由艦船設計、鈦合金材料研究、半成品生產(chǎn)及應用研究、艦船制造等相關(guān)單位參加的艦船鈦合金研發(fā)及應用專家組隊伍,該專家團隊將完全從艦船鈦合金實際應用出發(fā),以實事求是的科學態(tài)度完善并形成一套固化、切實可行的我國艦船鈦合金標準及鈦合金材料上艇技術(shù)指標體系,以達到改善現(xiàn)艦船鈦合金眾說紛紜、讓設計單位無法選擇的局面,推動我國艦船鈦合金應用的快速發(fā)展。

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