海洋工程用Ti31/Ti75/Ti80/TC4鈦合金的特性與應(yīng)用

1、前言

隨著世界人口的急劇增加，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，全球資源短缺的現(xiàn)象已經(jīng)呈現(xiàn)，如淡水資源、能源資源的短缺成為全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的障礙，因而人們提出了開發(fā)海洋資源，并將成為本世紀(jì)重大研究課題。開發(fā)海洋首先要制作各種工具作為開發(fā)的手段，為此目的需制造相關(guān)機(jī)械設(shè)備。海洋和陸地不同，海水與海洋大氣中含有氯化物和硫化物，對(duì)機(jī)械裝置材料腐蝕作用很大，面對(duì)深海海水的強(qiáng)大壓力，需求設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，否則會(huì)出現(xiàn)失效。故海洋設(shè)備構(gòu)件，特別是在大深度海水中作業(yè)的構(gòu)件，需求選用比強(qiáng)度高，比韌性好、耐海水腐蝕的材料加工制造"，做合金恰好具有這些優(yōu)點(diǎn)，是一種天生的海洋工程材料。近幾十年來(lái)，鈦材在海水淡化"、海洋考察與教生用的深潛器"、海洋石泊開采中平臺(tái)與鉆具器件”、核電站與海洋溫差發(fā)電設(shè)備”等方面有了很好的應(yīng)用。實(shí)踐已證實(shí)鈦材在海洋工程中的應(yīng)用，充分展現(xiàn)其優(yōu)異的綜合性能。本文就我國(guó)多年來(lái)自行開發(fā)與研仿的幾種海洋工程用鈦合金一Ti31、Ti75，Ti80，TC4材料的品種、規(guī)格與海洋工程環(huán)境的適應(yīng)性、機(jī)械加工時(shí)的可成形性、可焊接性以及應(yīng)用狀況，作一簡(jiǎn)要敘述。為我國(guó)海洋工程設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)材提供可靠的信息。

2、四種鈦合金性質(zhì)與海洋工程環(huán)境的適應(yīng)性

2.1 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的物理、力學(xué)性能

在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，材料的物理與力學(xué)性能是基本的設(shè)計(jì)資料，表1、表2列舉了Ti31、Ti75、Ti80、TC4四種合金材料的物理和力學(xué)性能。

表1 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的物理性能

表2 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金材料的力學(xué)性能

從表1、2中可以看出，這幾種鈦合金密度小、相變點(diǎn)高、電阻率大、線膨脹系數(shù)小、彈性模量只有鋼材的一半，但拉伸強(qiáng)度高、沖擊韌性好。

2.2 幾種鈦合金耐海洋介質(zhì)的適應(yīng)性

鈦合金在海洋大氣及海水介質(zhì)中，其表面很容易產(chǎn)生致密的氧化鈦膜而鈍化，大大地提高了鈦的穩(wěn)定性，在海水介質(zhì)中浸泡，其腐蝕速率近于0，如表3所示。在低于100℃海水中，縫隙腐蝕速率也很低，尤其是Ti31合金耐縫隙腐蝕可達(dá)180℃(海水)，這些特點(diǎn)非常有利于換熱器等設(shè)備的使用。

表3 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的耐海水腐蝕性能

由表3所測(cè)得腐蝕數(shù)據(jù)看，上述幾種鈦合金非常適應(yīng)海洋介質(zhì)，是優(yōu)良的海洋工程材料。

3、幾種鈦合金材料的可成形性與可焊接性

從材料制成機(jī)械產(chǎn)品，其加工工藝種類繁多，其中成形工藝與焊接工藝的應(yīng)用最為普遍，因而材料的可成形性與可焊接性成為材料在產(chǎn)品制造中的重要工藝性能。

3.1 幾種鈦合金的可成形性與溫度一變形塑性圖

固態(tài)金屬成形是在外力作用下，使金屬材料產(chǎn)生預(yù)期的塑性變形，以獲得所需形狀尺寸和力學(xué)性能的毛坯或零件的加工方法，在機(jī)械工業(yè)中，這種成形工藝主要是鍛造和板材沖壓，成形必須具備基本條件，即被成形金屬具有可成形性，也就是在受外力作用下，可改變自己的形狀而不產(chǎn)生破裂。鈦合金與鋼、鋁、銅合金不同，在室溫條件下由于斷裂強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度差小，變形抗力大、塑性低，因而成形性較差，但是金屬材料的成形塑性是與溫度相關(guān)的，鈦合金在加熱過(guò)程中，隨著溫度的升高，變形抗力下降，而塑性大增。圖1是Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的溫度一變形塑性圖。由該圖表明，這幾種鈦合金冷變形性能較差(低于再結(jié)晶溫度以下成形)，但熱變形性能好，合金隨著溫度的升高，合金中塑性高的β相增多，當(dāng)β相達(dá)到50％時(shí)，在低速變形條件下，出現(xiàn)超塑性(圖1)，成形性能非常好。

3.2 幾種合金的可焊性與焊接接頭性能

金屬的焊接是機(jī)械制造業(yè)中最主要的連接方法，也是造船工業(yè)業(yè)中最重要最關(guān)鍵的工藝之一，因此，金屬材料焊接性的優(yōu)劣是致關(guān)重要的。所謂金屬材料的可焊接性，一般指在某種焊接方法下，得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力，通常把焊接時(shí)的抗裂性和接頭的性能作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。表4列舉了Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的抗裂性和焊接接頭性能。

表4 Ti31、Ti75 、Ti80、TC4合金的TIG 焊接特性

從上表中可以看出，Ti31、Ti75、Ti80合金鎢極氬弧焊，焊接抗裂性非常好，焊接接頭強(qiáng)度與母材一致，達(dá)到強(qiáng)度系數(shù)為1，TC4合金的焊接抗裂性比前三種合金稍差。

4、應(yīng)用事例

4.1 深潛器耐壓球殼及構(gòu)件

在深潛器耐壓殼體的應(yīng)用方面美國(guó)開展的比較早，如Alvin科研深潛器，1973年改建時(shí)將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49 mm)，代替1964年建造時(shí)采用的HYl00高強(qiáng)鋼(板厚33.8 mm)，下潛深度從2000m增加到3600m，它的輔助箱及高壓空氣容器也采用Ti-6Al-4VELI鈦合金建造。1981年和1982年建造的“海崖”號(hào)深潛器裝備了鈦的觀察艙和操縱艙，下潛深度可達(dá)6100m。由此也可以看出，大深度深潛器的殼體材料發(fā)展趨勢(shì)也是用鈦合金，我國(guó)目前也在用鈦合金研制深潛器的耐壓艙和浮力球等部件。

4.2 換熱器

在海洋工程中．熱交換器的應(yīng)用最廣泛的采用鈦合金。俄羅斯自1962年以來(lái)各種類型的熱交換器建造并成功運(yùn)行六千多臺(tái)，已經(jīng)達(dá)到了完全商業(yè)化的水平。我國(guó)也成功的運(yùn)用鈦合金生產(chǎn)了多臺(tái)船用熱交換器，并成功的運(yùn)行在船上。

4.3 閥門

船上的泵、閥及管子，由于工作介質(zhì)為海水，對(duì)材料要求耐海水腐蝕性能好。有的泵，工作條件非常惡劣，如造水系統(tǒng)的往復(fù)式鹽水泵，介質(zhì)為高度濃縮的鹽水。以前泵內(nèi)的柱塞、閥、閥座等采用1Crl3不銹鋼制造，并在表面鍍鉻。使用時(shí)間不長(zhǎng)，就銹蝕嚴(yán)重，須經(jīng)常更換。用鈦合金更換后不再存在維修問(wèn)題。

4.4 緊固件

緊固件是機(jī)械基礎(chǔ)件的重要組成部分，俗稱”工業(yè)之米”，在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，緊固件包括螺釘、螺栓、螺母、墊圈、銷、鍵、擋圈等產(chǎn)品。隨著鈦合金設(shè)備、結(jié)構(gòu)、管系、法蘭，各型泵、閥等在海洋工程上的廣泛應(yīng)用，鈦合金緊固件在海洋工程上的應(yīng)用也有較大提高，特別是在艦船上的應(yīng)用更為廣泛。如我國(guó)某艇通海管道用螺栓已采用Ti80合金和TC4合金，螺母采用TA5合金，墊片采用TA2。我國(guó)近幾年引進(jìn)的多條各型艦船，其上面的鈦設(shè)備用緊固件大都采用鈦合金，從實(shí)船考察發(fā)現(xiàn)鈦合金緊固件經(jīng)過(guò)幾十年的海水浸泡，其表面沒(méi)有產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。所以采用鈦合金緊固件可以解決耐海水腐蝕、異種材料間的電化學(xué)腐蝕等問(wèn)題，并可大大提高螺栓的使用壽命、并減輕設(shè)備重量，

5、結(jié)論

鈦合金由于比強(qiáng)度高，比韌性好、耐海水腐蝕特別是耐海水中的氯離子腐蝕，是海洋工程應(yīng)用中的優(yōu)秀材料，又被譽(yù)為“海洋金屬”，應(yīng)該在海洋工程中大力推廣應(yīng)用。

我國(guó)多年來(lái)自行開發(fā)與研制的Ti31、Ti75、Ti80、TC4四種海洋工程用鈦合金材料的物理、力學(xué)、耐海水腐蝕性能，以及其可成形性、可焊接性非常良好，部分材料已經(jīng)在船上成功應(yīng)用，可以進(jìn)一步推廣。