Ti80鈦鍛件Ti75鈦棒等船用鈦合金的應(yīng)用情況

鈦及鈦合金具有優(yōu)良耐海水腐蝕、高比強度、無磁性、透聲性、抗裂性和可加工性等特點，其熱中子吸收截面為56X10^-28m²，大約是鋯的30倍。鉿的1/2。鈦合金的核性能也比較穩(wěn)定，在3×10^-9～20×10^-19慢中子流輻射中，布氏硬度、屈服強度略有增加，伸長率、電阻率略有下降，但沖擊韌性沒有改變，合金的密度及產(chǎn)品的尺寸形狀均無改變。由于鈦的這些性能而被作為一種理想的艦船結(jié)構(gòu)材料，被譽為“海洋金屬”。各國船舶行業(yè)對鈦及鈦合金在艦船上的應(yīng)用研究十分重視，先后研究開發(fā)了專用的船用鈦合金系列，并在艦船上大量應(yīng)用，以提高艦船設(shè)備運行的可靠性和使用壽命，從而提升艦船的技、戰(zhàn)術(shù)性能。

鈦合金材料在船舶中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，從船體結(jié)構(gòu)、推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)到特種裝置等。可以說除船舶屬具與艙室設(shè)施外的大部分設(shè)備、零部件均可以用鈦及鈦合金材料。因此，鈦及鈦合金在艦船上的應(yīng)用前景十分廣闊，其應(yīng)用也必將會帶來明顯社會效益和經(jīng)濟效益。

目前船用鈦及鈦合金的牌號主要有TA2、Ti31、TA5、Ti70、Ti75、Ti91、Ti80和TiB19，但應(yīng)用背景具有代表性和廣泛性的當(dāng)屬Ti75和Ti80兩種鈦合金。

鑒于此，結(jié)合相關(guān)行業(yè)資料，將艦船用Ti80、Ti75鈦合金的主要應(yīng)用，介紹如下：

一、Ti75和Ti80兩種鈦合金的應(yīng)用

1、 Ti75鈦合金

該合金是西北有色金屬研究院開發(fā)的中強、耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆Ti.3-A1-2Mo-2Zr系鈦合金。其強度、塑韌性、耐蝕性和加工性等綜合性能優(yōu)于TA5。沖擊韌性和斷裂韌性是TA5的14倍和12倍，K_IC為TA5的2倍。該合金性能如表1所示。

其板材、鍛件典型的力學(xué)性能：σ_b>700MPa、σ0.2>630MPa、A>15%、Z>35%、α_k≥59J/cm²。耐海水腐蝕性能優(yōu)異，海水浸泡腐蝕、縫隙腐蝕、動海水腐蝕(流速為3m/s)的腐蝕速率為0mm/a，焊接系數(shù)大于0.9，與船體鋼電偶腐蝕效果為1.33。

與船用TA5鈦合金的比較：Ti75強度高出TA5鈦合金50MPa：沖擊韌性和斷裂韌性比TA5高出20％：在3.5％NaCl水溶液中應(yīng)力腐蝕性能KSCC值達到86.7MPa·m^1/2，是TA5的1.5～2倍；該合金具有良好的焊接性能，達到設(shè)計指標(biāo)焊接系數(shù)0.9的要求性能對雜質(zhì)氧敏感低于TA5：該合金中合金元素鋁以A1一Mo中間合金加入.對于消除鑄錠成分偏析較TA5有利；該合金熱加工溫度較TA5低70～100℃，對溫度變化的適應(yīng)性強。具有優(yōu)于TA5的冷熱加工性能：該合金使用AI.Mo中間合金，生產(chǎn)工藝成熟，性能穩(wěn)定，因此適用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，其成本不超過TA5的10％。

與國內(nèi)外同級船用鈦合金的比較：與俄羅斯480T3比較，在強度高出50MPa的前提下，Ti75鈦合金原材料適應(yīng)性強、鑄錠成分易均勻，熱加工溫度低近100℃，沖擊、斷裂韌性高出20％，應(yīng)力腐蝕性能高50％：與俄羅斯TIT3B合金強度水平相當(dāng)，但HTIT3B延性差(Z：10％)，且不能生產(chǎn)管材；美國Ti3A12.5V合金品種齊全，但強度水平比Ti75合金低近100MPa；與TC4合金相比，Ti75鈦合金的延性、沖擊、斷裂、彎曲、疲勞等性能均優(yōu)于前者，其中斷裂韌性高出30％，疲勞性能高出15％以上。

Ti75鈦合金是專門為某型號二回路系統(tǒng)研制的中強合金.主要運用在大通徑流體輸送管、換熱器管板、封頭、閥門殼體、閥瓣等設(shè)備的一般部件。Ti75鈦合金的具體應(yīng)用情況：

1）由Ti75鈦合金制作的零部件已成功應(yīng)用于某工程的往復(fù)式鹽水泵、通海系統(tǒng)、海水四通、接管和舷側(cè)雙座雙球閥閥桿等。并且有15個Ti75鈦合金零件于1993年安裝到某艇進行裝艇使用，正常運行至今。Ti75鈦合金在艇上的成功應(yīng)用，開創(chuàng)了鈦合金在某型號二回路系統(tǒng)中實艇應(yīng)用的先例。

2）我國船舶某所使用Ti75鈦合金板材制作的深潛器載人。

3）中船重工某所設(shè)計使用Ti75鈦合金管板、封頭、鈦法蘭制造某工程關(guān)鍵設(shè)備一主冷凝器。

4）某型號永磁推進電機所需的鈦合金轉(zhuǎn)子支架使用直徑3m，壁厚約100mm的Ti75鈦合金環(huán)件制作，提高了電機性能。

5）Ti75合金具有的優(yōu)異性能，使其在艦船上的應(yīng)用前景廣泛。如艦船的上層建筑，用Ti75合金代替船體鋼，可有效提高艦船的穩(wěn)性儲備，估計一艘艦船需上百噸鈦材。

Ti75鈦合金密度約為B30合金的一半，其制成的產(chǎn)品可與艦船同壽命，中間不需要維修，節(jié)省了大量維修費用。而銅及銅合金制造的設(shè)備，若按艦船服役20~25年計算，至少也要維修2～3次，不僅修理費用高，同時降低了艦船的航率。據(jù)權(quán)威專家介紹，從設(shè)備的制造與使用全壽命運營分析，在俄羅斯用鈦材比不銹鋼便宜5倍。從眼前及長遠(yuǎn)看。用Ti75合金比用B30合金制造通海系統(tǒng)管路設(shè)備，從全壽命分析也是便宜的。Ti75鈦合金徹底解決了通海系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕問題；使艦船動力裝置用材單一化，制作工藝簡化，便于設(shè)備維修；減少設(shè)備尺寸。減輕質(zhì)量；提高安全可靠性，減少維修費用，延長使用壽命；提高了艦船的整體作戰(zhàn)水平，擴大了活動范圍。

2、 Ti80鈦合金

Ti80鈦合金是上海鋼研所2O世紀(jì)80年代研制的一種新型的Ti-6.0-A1-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo系近α合金，具有高強、高韌、可焊、耐蝕等綜合性能。Ti80合金采用焊接+熱處理焊接工藝可使接頭焊接系數(shù)達到0.9。性能指標(biāo)見表2所示。

Ti80鈦合金是在Ti75鈦合金基礎(chǔ)上研發(fā)的船用高強合金，主要運用在高壓容器、深潛器的耐壓殼體、船舶焊接結(jié)構(gòu)件等，應(yīng)用主要方向：

1）深潛器

深潛器是一種可以潛入水下一定深度、持續(xù)一定工作時間、能完成某些特定工作的潛水器具，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種數(shù)量頗多的非戰(zhàn)斗水下運載工具。到80年代載人深潛器已下達到6500m，能直接考察世界海洋的98％海域，客運與軍事、科研、海洋開發(fā)、深海打撈及救生等。深潛器上的主要受力是作用在耐壓殼體、加強結(jié)構(gòu)和接觸海水的所有系統(tǒng)的靜水壓，對于每一米水深，海水靜壓力增加10.1KPa。為了使殼體給定的水深有足夠的強度，我國船舶某所采用785MPa級的Ti80合金制作。深潛器結(jié)構(gòu)尺寸不大(長8～10m、寬3m、高3.5m)，而所用鈦材規(guī)格最大。載人耐壓艙需用規(guī)格大于120mmx3400mm~3400mm的Ti80合金板材來制造.球殼直徑達500mm。在耐壓殼體上有許多大孔(觀察艙、密封艙口、貫通連接件)需焊接更厚的鈦鍛件來補強。Ti80合金在鎢極氬弧焊條件下，焊接系數(shù)>0.9，抗裂性好，有利于深潛器的制造。

2）柴油機進排氣系統(tǒng)

從2000年開始，在某型艦艇設(shè)計中，充分利用鈦合金良好的綜合性能，在工作環(huán)境惡劣、腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。采取傳統(tǒng)的防腐蝕無法達到理想的防腐效果的柴油機進排氣系統(tǒng)中大量使用鈦合金材料，其中就有Ti80合金。于是制造了耐壓排氣直管、耐壓球形排氣三通管等重要部件，經(jīng)考核各項性能指標(biāo)均滿足要求，有效地解決了該系統(tǒng)的腐蝕問題。提高了該系統(tǒng)的可靠性和使用壽命.維護保養(yǎng)工作量大大降低。

3）聲掃雷具

隨著水雷的出現(xiàn)與發(fā)展，各國海軍相應(yīng)地研制建造了各型掃雷艇(近代又出現(xiàn)獵雷艦艇)和相應(yīng)的各類掃雷、滅雷具。船舶某所設(shè)計人員利用Ti80合金的高強度、耐海水腐蝕、無磁、高電阻率，制作掃雷艇的鈦合金殼體。并根據(jù)掃雷具的發(fā)聲器結(jié)構(gòu)特點和使用性能，制造鈦合金掃雷具。經(jīng)過應(yīng)用性能考核，有效地提高了掃雷艇、掃雷具的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，極大鼓勵了設(shè)計部門堅決、廣泛地在艦船特殊部位、整體結(jié)構(gòu)中使用鈦材。

二、結(jié)語

鈦及鈦合金的優(yōu)異性能，使其在船用領(lǐng)域大有潛力可為。國外把鈦材在船舶上的應(yīng)用水平作為衡量船舶技術(shù)性能先進程度的一項非常重要的指標(biāo)。

隨著海軍現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，新型號、新工程中的鈦材應(yīng)用越來越多。Ti75合金的研制成功及成功應(yīng)用，不僅可滿足我國艦船動力裝置對材料的需求，而且為我國船用鈦合金的創(chuàng)新研究和發(fā)展起到了巨大推動和促進作用。Ti75和Ti80鈦合金的進一步推廣和擴大化使用，將有力推動我國海軍裝備事業(yè)的高速發(fā)展。

參考文獻：

【1】李佐臣.船用鈦合金及其制造[P].中國發(fā)明專利：ZL90108742.4，1990.

【2】李佐臣.耐蝕鈦合金在石油化工中的應(yīng)ffJ[J].稀有金屬材料與工程，1990，(6)：62—63.

【3】楊英麗，蘇航標(biāo)，郭獲子，等.我國艦船鈦合金的研究進展[J].中國有色金屬學(xué)報，2010，(S1)：1002—1006.

【4】陳軍，趙永慶，常輝.中國船用鈦合金的研究和發(fā)展[J].材料導(dǎo)報，2005。16(9)：67—70.

【5】趙永慶，常輝，李佐臣，等.西北有色院創(chuàng)新研制的船用鈦合金[J].鈦工業(yè)進展，2003，20(6)：12—16.

【6】田軍萍.Ti75合金加工技術(shù)研究[J].鈦工業(yè)進展，2008，(2)：42.44.

【7】毛彭齡，曹振新.STi80鈦合金中合金元素對力學(xué)性能的影響[J】.上海鋼研，2001，(4)：10—13.

【8】孟祥軍.漫談鈦合金在艦船上的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進展，2003，20(4—5)：23—26.