船舶设备钛合金应用情况

船舶设备钛合金应用情况

戚文涛,易福勇

摘 要 ：钛及钛合金因优异的综合性能在航空、航天、船舶、化工等行业获得广泛应用，为满足不同的应用需求，近20年我国新型钛合金的研制非常活跃，其中舰船用钛合金是我国钛合金研究和发展的重要研究方向之一。经过近5O多年的努力，我国创新研制的不同强度级别船用钛合金已基本形成体系。本文简要介绍了中国创新研制的主要船用钛合金及其应用场景。

关键词 ：钛合金；船用钛合金 ；力学性能；应用

钛合金因密度小 、比强度高、耐海水腐蚀及海洋大 气腐蚀、无磁、透声、抗冲击震动、可加工性好等综合性能而成为理想 的船用金属结构材料。钛及钛合金在舰船中的使用大大延长了设备的使用寿命，减轻了重量，减少了设备,提高了整体舰船的技术战术性能。

中国船用钛合金的研究与应用始于20世纪60年代，几十年来，船用钛合金的研究及应用水平有了很大提高 ，已形成较完整的船用钛合金系列，能满足不 同船只和舰艇等对不同强度级别的要求并适用于其不同部位。我国船用钛合金 体系，屈服强度从320MPa～1100MPa，变化范围大。屈服强度从320 MPa～490MPa为低强钛合金，主要有TA2、Ti31、ZTA5等；屈服强度从590MPa～785MPa为中强钛合金，主要有TA5、ZTi60、Ti75、Ti80等；屈服强度在800MPa以上为高强钛合金，主要有TC4、TC11、Ti—B19等。

钛合金也有“海洋金属”的美誉，是船舶结构的重要材料，对提高装备的性能有着极为重要的作用，在国防工业用工程材料中占有重要地位。各军事强国都在其先进的武器装备上大量应用钛合金，且用量逐年增大。船用钛合金和航空钛合金也是我国钛产业重要的研究及发展领域，早在上个世纪五六十年代就开展了船用钛合金和航空钛合金的研究工作，现被广泛应用于船舶及航空各种设备。作为船舶研究所人员，我们需要在哪些类别设备、何种情况考虑使用到钛合金材料呢？

舰载声纳设备应用

由于海水中声波比光波、无线电波、电磁波的衰减小，人们将声纳作为探测和搜索的工具。一般将船舶声纳安装在流线型声纳导流罩内，其目的是减小舰船运动时产生的水动力噪音，保证水声设备有效和正常工作，从而提高声纳的作用距离。声纳导流罩必须有良好的透声性能，使水声信号通过时只有很小的损耗和畸变。声纳导流罩又是船体的一部分，它必须有足够的强度和刚度，以经受得住舰船航行时作用在它上面的流体压力。制作导流罩的材料要求具有中等强度 (R ≥700MPa)、良好的塑性 (A≥20％)、冷成型性、易焊接、耐海水腐蚀、透声等特点，并适合于各种冷成型产品的加工和生产。声纳导流罩材料包括不锈钢、玻璃钢、橡胶、钛合金等。传统的导流罩采用ЛT3-B 钛合金，但该钛合金属于俄制牌号，故我国现已越来越多采用Ti-70钛合金，Ti-70钛合金的成分与ЛT3-B钛合金相近，均为 TiAl-Zr-Fe 型钛合金，属于α型钛合金的一种，二者均具有 相似的性能，即耐海水腐蚀性能好、具有强的透声性能、无 磁性、冷成形性、强度高和可焊接性。此外，Ti-70 钛合金在工作环境中受热后不会因相变强化而导致导流罩出现裂纹等现象。Ti-70 钛合金在 60℃海水中浸泡，导流罩的平均腐蚀率小于 0.001mm/a ；Ti-70 钛合金具有较大的冷弯角,可达到 180° ；Ti-70 钛合金的抗拉强度大于 700MPa，而ЛT3-B 钛合金的抗拉强度一般介于685MPa ~880MPa；Ti-70钛合金的延展率大于18%，而ЛT3-B钛合金的延展率一般介于10%~12%之间。综上所述，Ti-70钛合金的性能与ЛT3-B钛合金性能相比更优越，且Ti-70钛合金加工工艺较 ЛT3-B 钛合金更为简单，因此，将Ti-70钛合金应用于船舶导流罩中更具现实意义及未来发展。

使用环境需要高耐腐蚀性

钛在常温下的耐腐性较好，不易被王水等强酸腐蚀，对海水的耐腐蚀性也极好。钛合金由于熔点较高，且质量较轻，被广泛用于水下作业设备的壳体，如水下拖体、无人潜航器等。钛合金可以作为一种防腐材料应用在舰船上，它表现出的优异的抗腐蚀性是因为其表面可以形成致密的氧化层，此氧化膜在受到海水的腐蚀后，也可以在一定程度上实现自动复原，这些优点可以大大地降低舰船的维修费用，延长舰船的维护周期和使用寿命。纯钛具有耐腐蚀性，是因为钛的表面在空气中可以形成钝化膜，此氧化膜可以抗腐蚀，且此氧化膜在受到破坏之后，在有氧的环境里可以实现自动再生，且此氧化膜对氯离子、硝酸等具有良好的耐腐蚀性。钛合金是将钛与其他的金属一起组成合金，合金中成分的差异及各元素含量的多少也可以影响合金的性能。舰船作为一种在海水中游走的工具，钛合金是极佳的材料。它良好的耐腐蚀性决定了它可能是一种可以应用在舰船上的耐腐蚀材料，而其高的比强度又决定了它可以作为一种结构材料应用在舰船上。推进系统为舰船提供前行的动力，是舰船的心脏，推进系统不仅要求其结构材料的性质稳定，在较高的温度下可以正常运转，还要求结构材料本身的比强度高，疲劳强度高，抗断裂的韧性高，钛合金正好可以满足推进系统对材料的多方面的要求。现在钛合金不仅被应用在舰船的推进轴上、发动机的排气管道、推进器上，还被应用在深潜船的耐压容器上等。发动机上的排气管道对整个推进系统的正常运行也起着非常重要的作用，由于排气管道长期浸渍在海水中，受到流动海水的冲刷，减少排气管的腐蚀可以延长舰船的维修期。

抗冲击需求部位

舰船在海上可能遭受来自空中或水中爆炸物的威胁，承受的爆炸形式分为接触性和非接触性。由于船体结构能吸收大部分的爆炸冲击，故接触性爆炸仅波及局部范围，造成高强度的局部破坏；而非接触性爆炸的冲击力在水中传播能量大、范围广, 会造成比较严重的损害，所以，研究非接触性爆炸对于保障舰船的安全性极为重要。水下非接触爆炸作用下舰船冲击响应的物理过程，是炸药爆炸到冲击波形成，通过水介质瞬间传递到舰船结构海面，与之发生耦合作用，流体冲击载荷部分转化为船体结构中的应力波,进而传递到舰船、设备内部的过程。通过有限元分析计算，材质为 ZTI60合金的过滤器最大失效系数为0. 347,优于铜合金、不锈钢等材料。

无磁材料

铁合金仅有极小的磁导率，由铁合金所制造紫固件均为无磁紧國件，可最大程度减小磁场所带来干扰。同为无磁材料的奥氏体不锈钢，在经过冷加工处理后，通常会产生一定的磁性，而冷加工及热加工均不会使铁合金磁性发生改变，由此可见，使用铁合金对航电设备进行制造有十分交出的优势。钛合金材料用于船体或水中设备壳体不会引起水雷的爆炸，因此扫雷舰以及潜艇会采用钛合金作为壳体。由于钛合金的强度要比普通造艇消磁钢大的多，这样让钛合金壳体的耐压力更大，下潜深度也随之增加。其次，钛合金的密度也小于消磁钢，也就减轻了潜艇的排水量。

结语

随着钛合金被应用于越来越多的船舶领域，未来船用钛合金制备将在近净成形技术、精密模具技术、计算机技术、数值分析和模拟技术实现重点研究，其应用将带来明显的装备性能提升和技术突破。

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