鈦合金材料的優(yōu)缺點及其在船舶制造行業(yè)的應用

引言

船舶材料在海洋環(huán)境中是重要的結構材料之一，所以對船舶材料的使用標準要求也比較高，需要具備優(yōu)良的強度、韌性以及耐海水、海洋大氣腐蝕的能力。在實際的建造過程中， 該材料還需要有極好的加工性與可焊接性。鈦合金本身有很強的耐海水腐蝕能力，強度高而且沒有磁性等優(yōu)點，所以能夠充分滿足船舶材料的要求，其發(fā)展前景非常可觀。但是鈦 合金在使用過程中還存在一些問題，例如成本高、冶煉難度大等，而且目前對于鈦合金失效的研究程度還不夠，這些問題都在一定程度上限制了鈦合金在船舶上的應用和發(fā)展。

1、鈦合金材料的優(yōu)缺點

鈦合金材料主要有強度高、耐腐蝕、耐高溫、透聲、無磁、抗彈性等優(yōu)點。按照不同位置的使用可以分為艦船殼體用鈦合金、動力工程用鈦合金和船機用鈦合金。根據(jù)其特性可以 分為可焊結構鈦合金、高強度鈦合金、耐熱鈦合金等。通過幾種金屬材料的比較，分析鈦合金的優(yōu)缺點，如表1所示。

1.1強度高

常規(guī)的鈦合金密度在4.51g/m³左右，大約是鋼材料的60%，有一些強度較高的鈦合金其強度甚至已經(jīng)超過很多的合金結構鋼，所以鈦合金的比強度都會遠遠超過其他金屬結 構材料，利用鈦合金可以制作出強度更高、性能更好的零部件。

1.2熱強度高

在使用時，鈦合金可承受的溫度會比鋁合金高幾百度，即使是在中等溫度下，也能夠達到材料的強度要求。鈦合金可以長期在450~500℃的高溫下工作，但是對鋁合金而言， 只要低于150℃，其強度就會開始下降[1]。

1.3抗腐蝕性好

鈦合金在船舶中的應用工作條件通常都是在潮濕的大氣或海洋介質中，鈦合金的抗腐蝕能力遠超不銹鋼。鈦合金的點蝕、酸蝕和應力腐蝕都有極強的抵抗力，而對于堿、氯化 物或者氯的有機物品、硝酸等都有極強的抗腐蝕能力，但是鈦合金對于還原性氧和鉻鹽介質上的抗腐蝕能力弱。

1.4低溫性能好

鈦合金即使在低溫或者超低溫下都能保持其良好的力學性能。其低溫性能非常好，而且間隙元素很低。例如TA7材料，即使在-255℃的低溫下也能維持其塑性，所以鈦合金可以被當做一種很好的低溫結構材料來使用。

1.5化學活性大

鈦合金在化學上有很強的活性，能夠跟大氣中的氣體產生很強的化學反應。例如氧、氫、二氧化碳、水蒸氣、氨氣等。如果大氣中的碳含量超過0.2%，鈦合金中就會產生硬質 的TiC，如果大氣中氫含量上升，就會形成一層脆化層，硬化程度可以達到20%~30%。而且鈦在化學上有很強的親和性，所以容易在摩擦表面出現(xiàn)粘附的現(xiàn)象。

2、鈦合金在船舶上的應用

2.1深海潛水器

在深海潛水器上主要會用到鈦制耐壓殼體，比如美國制造的Aivin號、Sea-Cliff號深潛器的殼體；法國的SM97號使用的鈦合金材料是Ti-6Al-4ELI；還有日本的“深海2000”號。 在我國鈦合金制造深海潛水器是自主設計建造的載人潛水器“蛟龍”號[2]。

2.2聲吶導流罩

用鈦合金制造的聲吶導流罩其綜合性能比較強，通常用于航空母艦的制造，例如俄羅斯的“庫爾斯克號”以及“明斯克”等。

2.3艦船泵、閥及管系

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，其使用壽命會遠超銅和不銹鋼。目前我國已經(jīng)自主研發(fā)出一系列擁有自主知 識產權的船用鈦合金，例如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等。

3、各國船舶工業(yè)上的鈦合金使用現(xiàn)狀

3.1國外船舶使用鈦的現(xiàn)狀

在世界各國中，俄羅斯在船用鈦合金的實際應用上最先進，俄羅斯已經(jīng)擁有大量專門的船用鈦合金體系，同時已經(jīng)制造出一系列強度較高的船用鈦合金產品，包括船體、船機 和動力裝置都有專門的鈦合金，強度也非常大，而且在材料制造上使用的工藝也非常成熟。

美國在船用鈦合金方面也進行了很多工程研究，已經(jīng)實現(xiàn)了將鈦應用在各種動力潛艇、水面艇、民用船的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、排風扇的葉片以及一些消防設備等方面。

日本在船舶上使用的鈦合金主要包含純鈦、Ti-6AIl-4V(ELI)等，常用在民用漁船以及深海潛水器的耐壓殼體上。

從1981年陸續(xù)出臺“深海2000”、“深海4000”等深海潛水調查船，這些潛水器的外殼骨架、均壓容器、配管等都用了鈦合金，能夠有效增加潛水器的下潛深度。

3.2中國船舶用鈦的現(xiàn)狀

我國從20世紀60年代開始研究鈦合金的應用，跟國外研究的時間基本同步，目前我國在船用鈦合金方面的研究和應用已經(jīng)有了很大的突破。研究出來較完整的船用鈦合金系 列，其強度主要有4個級別，分別是635MPa、685MPa、730MPa、785MPa，我國“蛟龍”號深海潛水器的耐壓殼體使用的是TC4鈦合金[3]。

目前我國在船用鈦合金上的應用與國外有一定的差距，應用部位和用量都比較少。國外的用鈦量達到13%，而我國只是應用在一些零星的部件上，比例還沒有1%。我國在鈦合 金的使用上，品種和規(guī)格不完善，由于裝備能力的限制，我國在鈦材專業(yè)化的生產過程中，生產的品種和規(guī)格都有一定的限制，我國“蛟龍”號上使用到的鈦合金都是從俄羅斯引進的。

4、制約鈦合金發(fā)展的因素

1）鈦合金材料成本高，限制了該材料在船舶材料上的應用。因為船舶材料對于金屬的消耗較大，需要的種類很多。所以只要降低鈦合金的使用成本，在經(jīng)濟條件適合的情況下， 才能最大限度地拓展鈦合金材料在船舶材料上的應用。

2）鈦合金材料的強度等級配套性需要加強。我國鈦合金的強度在320~590MPa，目前只有一個490MPa的鑄造合金及耐高溫、海水縫隙腐蝕的特性合金，跟其他國家相比，我國在尺寸和重量上也有差距。俄羅斯的鈦材料厚度可以達到150mm，鑄造的重量能夠達到2.5t，尺寸達到2.5m，我國鑄件單件的重量都小于800kg，尺寸和厚度也非常小，所以為了促進鈦合金應用的發(fā)展，加強鈦合金材料的強度等級配套性非常重要。

5、鈦合金未來的發(fā)展方向

目前越來越多的國家都意識到鈦合金的使用價值，其優(yōu)點在船舶的使用上也充分體現(xiàn)出來，但是目前鈦合金的性能還沒有完善，而且應用在船舶上成本的消耗也比較大，所以 現(xiàn)在各國都在開始研制更加低成本且性能更高的新型鈦合金，將鈦合金應用在市場潛力大的民用工業(yè)上。目前國內外在鈦合金上取得的新進展主要體現(xiàn)在高溫鈦合金、鈦鋁化合物、高強高韌β型、阻燃鈦合金等方面。

6、結語

隨著時代的發(fā)展，為了增強我國的綜合國力，提高我國的海軍裝備水平，我國越來越重視艦船領域的發(fā)展和建設。

目前我國已經(jīng)開始大力研究潛艇、新型驅逐艦等裝備，這些設備對鈦的使用要求非常嚴格，而且需求量很大。目前看來，鈦合金是最適合艦船使用的材料，所以在未來發(fā)展的過程中一定有更廣闊的應用。鈦合金本身的優(yōu)點比較突出，使用到艦船上，能提高整個艦船的性能。目前我國在技術和工藝上還有一些欠缺，而且鈦合金的高成本也限制了我國對于鈦合金在船舶應用上的發(fā)展，所以未來在研究的過程中應該降低成本，同時提高其使用性能。

參考文獻：

[1]黃志偉,曹永娣.鈦合金材料在艦船鑄件上的應用研究[J].艦船科學技術,2017,39(6A):192-194.

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

[3]周佳宇,哈軍.鈦合金材料在艦船管系上的應用[J].材料開發(fā)與應用,2006,(03):40-42.