鈦合金防腐材料在艦船推進系統的關鍵零部件上的應用

引言

鈦是一種稀有金屬，具有很明顯的化學特性，它極易與干燥的氯氣發生強烈的化學反應而生成四氯化鈦，再進一步分解生成二氧化鈦，甚至可能伴隨燃燒。但鈦可以耐濕氯氣的腐蝕，在一定含量的濕氯氣中可以保持很強的穩定性。鈦由于其屈服強度要高于鋼鐵、鋁，且比強度和比模量也表現出優勢，所以在現代工業迅速發展的情況下，鈦的需求量越來越大，隨著科技的發展，對鈦的提取技術也取得了很大的進步。鈦的金屬特性使其在航空、運輸等行業都有極其廣泛的應用，但相對而言，鈦的成本高于鋼鐵、鋁、鎂等常規的金屬，這在一定程度上限制了鈦的應用，而現在鈦合金的研究可以大大降低鈦的成本，鈦合金的應用領域也會大大拓寬，鈦的應用也更為廣泛。

鈦合金的質量較輕，極好的力學性能、化學性能，使其成為極佳的艦船材料。鈦合金作為一種優異的耐腐蝕材料，被應用在艦船關鍵的零部件位置。

1、鈦及鈦合金

鈦在高溫下極其容易與空氣反應，但是熔點卻超過 1 500 ℃。鈦在常溫下的耐腐性較好，不易被王水等強酸腐蝕，對海水的耐腐蝕性也極好。鈦合金由于熔點較高，且質量較輕，所以被用來代替鋁合金做飛機的機翼。

由于鈦的提煉成本較高，在一定程度上限制了其應用范圍，和其他金屬一樣，鈦可以形成合金，且合金依然保持鈦優良的機械性能、化學性能。鈦可以和釩、鐵、鋁等形成合金，所制得的合金質地較輕，但機械性能良好，可以應用在航天、醫療、航海、汽車及海洋等領域。

按應用的領域來分，應用在航天上的鈦合金主要分為三大類 [1, 2]：

1）高強鈦合金　成型的合金強度高于100 MPa，和其他鈦合金及其他種類的合金相比，此類鈦合金的強度可以滿足對材料強度要求極高的起落架、翼梁等零部件；

2）高溫鈦合金　此類合金可以在溫度高達 500 ℃的情況下正常應用；

3）阻燃鈦合金　由于鈦合金存在由于快速氧化，而出現燃燒的弊端，這在很大程度上會限制鈦合金的應用。國際上的很多國家都在尋找不同的方式來解決這個問題，中國也自行研發了阻燃鈦合金。

由于鈦合金和鈦一樣，可以不受濕氯氣的腐蝕，所以鈦合金在艦船上有廣闊的應用空間，為航海及海洋戰略提供了更多的可能。在國際上俄羅斯是較早將鈦合金應用到艦船上的國家，現已研發了不同強度級別的船用鈦合金。我國也研發了可以應用于艦船上的鈦合金，部分已經在艦船上試用。

鈦合金可以作為一種防腐材料應用在艦船上，它表現出的優異的抗腐蝕性是因為其表面可以形成致密的氧化層，此氧化膜在受到海水的腐蝕后，也可以在一定程度上實現自動復原，這些優點可以大大地降低艦船的維修費用，延長艦船的維護周期和使用壽命。

鈦合金的這些優點可以彌補鈦合金成本較高的不足。

為了說明鈦合金具有較好的抗腐蝕性，將 3 種船用金屬材料在流動的海水中的腐蝕速率進行了對比，如表 1所示。

表 1 的數據表明，鉻-鎳合金和銠系合金這 2 種材料，隨著海水流速的增加，腐蝕速率都增大。而鈦合金，在海水的流速從 4 m/s 增加到 12 m/s 時，鈦合金沒有表現出受到海水腐蝕的跡象，可以認為當海水的流速達到 12 m/s 時，鈦合金受腐蝕的速率依然是 0。此時鈦合金表現出了十分優異的耐腐蝕性能。

2、鈦合金防腐材料在艦船推進系統上的應用

純鈦具有耐腐蝕性，是因為鈦的表面在空氣中可以形成鈍化膜，此氧化膜可以抗腐蝕，且此氧化膜在受到破壞之后，在有氧的環境里可以實現自動再生，且此氧化膜對氯離子、硝酸等具有良好的耐腐蝕性。

鈦合金是將鈦與其他的金屬一起組成合金，合金中成分的差異及各元素含量的多少也可以影響合金的性能。艦船作為一種在海水中游走的工具，鈦合金是極佳的材料。它良好的耐腐蝕性決定了它可能是一種可以應用在艦船上的耐腐蝕材料，而其高的比強度又決定了它可以作為一種結構材料應用在艦船上。

推進系統為艦船提供前行的動力，是艦船的心臟，推進系統不僅要求其結構材料的性質穩定，在較高的溫度下可以正常運轉，還要求結構材料本身的比強度高，疲勞強度高，抗斷裂的韌性高，鈦合金正好可以滿足推進系統對材料的多方面的要求。現在鈦合金不僅被應用在艦船的推進軸上、發動機的排氣管道、推進器上，還被應用在深潛船的耐壓容器上等。

發動機上的排氣管道對整個推進系統的正常運行也起著非常重要的作用，由于排氣管道長期浸漬在海水中，受到流動海水的沖刷，減少排氣管的腐蝕可以延長艦船的維修期。鈦合金在高溫下容易受空氣的氧化，所以鈦合金材料的管道在焊接成型時要全程在惰性氣體的保護下進行，一般用氬氣進行保護。研究發現，對不同壁厚的鈦合金管道材料，應采用不同的焊接方式，其中 TIG 焊接的參考數據規范如表 2 所示 [3] 

由于鈦合金的成本較高，為了降低生產的成本和擴大鈦合金的應用范圍，包括俄羅斯在內的國家都在研究鈦合金的鑄造技術。鑄造技術的進步可以使鈦合金更好地發揮其良好的機械性能。現在國際上也對如何進一步提高鈦合金的鑄造技術做了很多的研究。

鈦合金在飛機上的應用較多，它不僅要求鑄造成型的零件精密度高，還要求其耐用性好。飛機零部件的制造技術包括精密制造、大型的薄壁零件的制造、金屬性鑄造等。這些發展的技術都可以借鑒到艦船的推進系統中的零部件上 但是到目前為止 鈦合金的種類還是偏少，不能使鈦合金的應用像其他鋁合金等一樣的廣泛，鈦合金的融合技術、鑄造技術都需要進一步的加強，進一步降低鈦合金的成本。在現有的技術基礎上，探索更易于和鈦組成合金的元素和條件，也是未來鈦合金發展的一個重要方向。

3、鈦合金防腐材料在艦船上的應用展望

鈦和鈦合金的應用水平已經成為現代衡量一個國家技術發展程度的重要標志之一，它的發展和開發應用對一個國家戰略也有十分重要的影響。未來艦船的制造方向在一定程度上也依賴于鈦合金的發展。縱觀國內外，鈦合金的發展還存在研發成本高、鈦合金的種類較少、相應的設備陳舊的困境，現在鈦合金的研究水平還不能滿足現代化對鈦合金結構多樣性、鈦合金優異性能的需求。要使鈦合金能在艦船、潛艇等水上及水下大型設備上有更充足的應用空間，就需要更新現代的鈦合金的生產設備，減少生產過程中的能耗，增加鈦合金的種類。鈦合金作為一種優異的防腐材料，依舊是未來艦船更新和升級中的極具有潛力的結構材料，因此對鈦合金的研究是具有重要的戰略意義的。

參考文獻：

[1] 付艷艷, 宋月清, 惠松驍. 航空用鈦合金的研究與應用進展[J].2007(6).

[2] 彭昂, 毛振東. 鈦合金的研究進展和應用現狀[J]. 船電技術,2012, 10(32): 57–61.

[3] 周佳宇, 哈軍. 鈦合金材料在艦船管系上的應用[J]. 材料開發與應用, 2006(6).