Ti75/TA5鈦合金材料的耐壓殼體在船舶建造中的應(yīng)用

1、引言

鈦金屬在地殼中主要以氧化鈦（TiO₂）的形式存在，其含量僅次于鋁、鐵、鎂，儲存量十分豐富。作為一種稀有金屬，1791 年作為一種礦物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)；1940年盧森堡科學(xué)家用鎂還原TiCl4 得到了純鈦，至此鈦金屬的生產(chǎn)進(jìn)入工業(yè)化階段，其應(yīng)用范圍也被進(jìn)一步拓展。例如我國首個(gè)載人深海潛水器即使用Ti80 鈦合金耐壓殼，順利下潛至4500米深海。目前越來越多的國家對于鈦合金的實(shí)用價(jià)值給予足夠的重視，在船舶耐壓殼體應(yīng)用中的性能與優(yōu)勢也被廣泛重視。

2、鈦合金材料特點(diǎn)

鈦合金材料是指在鈦元素中加入其他元素構(gòu)成的合金，鈦合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、韌性好和優(yōu)秀抗腐蝕性的特點(diǎn)，在制造船體結(jié)構(gòu)時(shí)使用鈦合金，極大提升設(shè)備性能。首先，從其強(qiáng)度性能看，一般的鈦合金密度約為4.5g/m³，密度僅僅是鋼材料的60%，但是強(qiáng)度卻比鋼材料高很多，在船體中利用鈦合金能夠制造出重量輕、強(qiáng)度高的部件。其次，從抗腐蝕上看，鈦合金在船舶建造中有著天然的優(yōu)勢，其抗腐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過不銹鋼。而且對于堿、氯化物或者氯的有機(jī)物品、硝酸等都有很強(qiáng)的抗腐蝕性能[1]。無論在清潔還是污染的海水中，鈦合金都能夠保持鈍化狀態(tài)，腐蝕率僅為0.00076μm/a，幾乎可以忽略不計(jì)。同時(shí)，鈦合金材料低溫性能好，在海洋低溫環(huán)境中都能夠保持良好的物理性能，使用溫度在300 ～ 600℃之間。在-296℃的低溫下其強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他合金。鈦合金的各種性能更符合船舶設(shè)計(jì)與建造要求，所以一直被作為大型潛艇、深海潛水器等設(shè)備殼體的主要材料，俄羅斯作為世界上第一個(gè)使用鈦合金耐壓殼體的國家，其鈦合金生產(chǎn)工藝長期處于世界領(lǐng)先位置。具體而言，根據(jù)鈦合金在船體中的使用位置，可以分為殼體用鈦合金、動力工程用鈦合金和船機(jī)用鈦合金。根據(jù)其特性可以分為可焊結(jié)構(gòu)鈦合金、高強(qiáng)度鈦合金、耐熱鈦合金等。

表1 是鈦合金與其他幾種金屬材料性能、成本的對比。

從表1 可以看出，無論是強(qiáng)度還是延伸率，高強(qiáng)鈦合金都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩種合金。但是鈦合金缺點(diǎn)是制造成本高，而且工藝復(fù)雜，切削加工困難。尤其是在熱加工過程中很容易混入各種雜質(zhì)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。

3、船舶建造中對耐壓殼體的質(zhì)量要求

船舶建造中對于金屬材料的要求較高，不但要具有抵御風(fēng)浪的良好強(qiáng)度；而且也具有良好的耐腐蝕性，以降低海水、海洋大氣對船體的破壞。所以，長期以來船舶建造材料一直是船舶領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。從實(shí)際使用情況看，目前國外船舶中對于鈦合金使用較為廣泛，我國船舶建造中由于鈦合金成本、焊接工藝等因素的影響，還存在很多的應(yīng)用障礙，在一定程度上影響了鈦合金材料在船舶建造中的應(yīng)用。

船舶建造中的耐壓殼體大多應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)中，但是由于海洋環(huán)境下具有較強(qiáng)腐蝕性，而且需要承受海水的巨大壓力與腐蝕性環(huán)境，所以對船舶結(jié)構(gòu)性能有更高的要求，保證耐壓殼體在使用中不會因海水壓力和腐蝕而損壞。因此，近年來對船舶建造中耐壓殼體的性能要求越來越高。一般常見的船舶耐壓殼體主要結(jié)構(gòu)形式包括球形、圓柱形、圓錐形等多種，但是海洋航行中的惡劣環(huán)境對耐壓殼體使用的材料提出更高的要求，需要對其物理性能進(jìn)行嚴(yán)格的測試，以確保船舶航行安全。在鈦合金使用中，我們也自主研發(fā)了一些船舶使用的鈦合金，如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等，應(yīng)用于船體、動力裝置、民用船只耐壓殼體等[2]。但是與俄羅斯、美國相比，我國鈦合金在船舶中的應(yīng)用不太成熟，還具有很大的應(yīng)用推廣空間。

4、鈦合金材料耐壓殼體在船舶建造中的應(yīng)用

有鑒于鈦合金材料良好的性能，近年來在船舶制造中得到一定應(yīng)用。從實(shí)際情況看，在民用船只、深海潛水器、軍用船只，鈦合金材料應(yīng)用較為廣泛。本節(jié)主要根據(jù)應(yīng)用情況，對鈦合金材料在船舶制造中的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行簡要探討。

4.1 鈦合金材料在民用船只中的應(yīng)用

民用船舶由于長期浸泡在海水中，受到海洋侵蝕和海洋大氣環(huán)境的影響，船體結(jié)構(gòu)很容易受到腐蝕，尤其是螺旋槳等接觸海水的部件。所以在建造中往往對材料有著更高的要求，包括要具有很強(qiáng)的耐腐蝕性、強(qiáng)度高、維修少等，進(jìn)而滿足船舶使用中耐蝕性、耐久性、牢固性、可靠性及穩(wěn)定性等多方面要求。在航運(yùn)中具有較強(qiáng)的承重力，受到海水沖擊時(shí)，能夠盡量減少其對船體的破壞。同時(shí)還能夠降低船體重量，提升航行距離。這些嚴(yán)苛的條件，都為鈦合金材料在船舶建造中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。例如如果用銅或者不銹鋼來制作船舶的泵、閥和管系，一般只有2—5年的壽命。如果用鈦合金來制作，其使用壽命會遠(yuǎn)超銅和不銹鋼[3]。

4.2 鈦合金材料耐壓殼體在深海潛水器中的應(yīng)用

深海潛水器是探索深海救援，進(jìn)行深海科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，在技術(shù)獲得突破后又可以被應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。

所以，近年來世界各國都十分重視深海潛水器的制造，在我國第一個(gè)深海潛水器制造中，由于鈦合金焊接工藝極高，所以一直采用俄羅斯制造的鈦合金耐壓殼。美國則重點(diǎn)研制了Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等船用鈦合金，有效提升船舶運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性，減輕船體質(zhì)量[4]。例如我國上海鋼研所研制的Ti-Nb-Zr-Mo鈦合金性能接近α 高強(qiáng)度鈦，其強(qiáng)度、韌性、可焊接性、耐腐蝕性的綜合性能都得到很大的提升，成為深海潛水器耐壓殼體的最佳材料。

4.3 鈦合金材料在軍用船只中的應(yīng)用

鈦合金材料在軍用船只中的應(yīng)用也十分廣泛，作為世界上最早研究、應(yīng)用鈦合金的國家，俄羅斯目前已經(jīng)構(gòu)建出齊全的鈦合金體系，并將高強(qiáng)度的鈦合金應(yīng)用至船體、船機(jī)和動力裝置等方面。例如列寧號破冰船制成的鈦合金蒸汽發(fā)生器，順利使用了幾十年未出現(xiàn)損壞[3]。美國海軍1950年即開始重點(diǎn)發(fā)展鈦合金在軍用船只中的應(yīng)用，隨后將鈦合金材料應(yīng)用至各種動力潛艇、水面艇，材料包括Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等。我國對于鈦合金材料在軍用船舶中的應(yīng)用研究開始于1962 ，目前鈦合金已經(jīng)應(yīng)用至船體結(jié)構(gòu)、螺旋槳、電子電力系統(tǒng)以及各種特殊裝置中，滿足艦艇、潛艇和深潛器對不同強(qiáng)度級別的要求[4]。

5、結(jié)語

鈦合金被廣泛應(yīng)用以來，我國經(jīng)過幾十年的技術(shù)研究與發(fā)展已經(jīng)形成較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，并為船舶建造行業(yè)帶來明顯的社會效益與經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]。相對于船用鋼材，鈦合金雖然是鋼材價(jià)格的數(shù)倍，但是鈦合金使用壽命更長、技術(shù)性能更具優(yōu)勢，其邊際成本更低[6]。所以在動輒壽命數(shù)十年的海洋船只建造中，積極使用鈦合金不僅能夠延長使用壽命，而且維護(hù)費(fèi)用低，值得在船舶制造行業(yè)中廣泛推廣。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王鵬飛，江亞彬，宋江，等. 深海用復(fù)合材料耐壓殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J]. 復(fù)合材料科學(xué)與工程，2020(11):49-53.

[2] 王珂，吳麗，李永正，等. 新型鈦合金材料疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42(21):9-12.

[3] 吳建新. 鈦合金材料在船舶材料上的應(yīng)用[ J ] . 船舶物資與市場，2020(8):5-6.

[4] 肖偉星. 船用鈦合金材料焊接中的常見問題與對策[ J ] . 中國設(shè)備工程，2019(2):188-189.

[5] 江洪，陳亞楊. 鈦合金在艦船上的研究及應(yīng)用進(jìn)展[ J ] . 新材料產(chǎn)業(yè)，2018(12):11-14.

[6] 李德強(qiáng)，王樹森，包恩達(dá). 鈦合金材料在船舶材料上的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 世界有色金屬，2015(9):127-128.

基金項(xiàng)目：甘肅省教育廳高校創(chuàng)新基金項(xiàng)目，基于水環(huán)境的大氣波導(dǎo)觀測方法研究（2020A-220 號）。

作者簡介：鐘立才（1987- ），男，甘肅蘭州，本科，講師，研究方向: 高分子材料加工機(jī)械。