摘要：闡述鈦及鈦合金特性，以及其在船舶中應(yīng)用的優(yōu)越性。介紹鈦合金在船舶中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了鈦合金在船舶中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。
船舶的服役環(huán)境為苛刻的海洋性氣候，由于長(zhǎng)時(shí)間接觸海水，船體及其設(shè)備、構(gòu)件（如高溫排氣管、海水閥和泵、螺旋槳等）很容易被腐蝕，對(duì)其采取防護(hù)措施又極其繁瑣和困難，因此就對(duì)船舶用材料提出了特殊的技術(shù)性要求：①耐海水腐蝕性好。②高、低溫環(huán)境下穩(wěn)定性好。③安全可靠，大承載、維修少或維修便捷，彎曲、焊接等可加工性好。
1、鈦及鈦合金作為船舶用材料的優(yōu)點(diǎn)
鈦及鈦合金以其自身具備的優(yōu)良特性，幾乎滿足船舶用材料的全部要求，堪稱一種接近完美的船舶用材料。其優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）質(zhì)輕，比強(qiáng)度高。鈦的密度為4.5g/cm3，比鋁2.7g/cm3的密度高，比鐵7.9g/cm3的密度低，僅為鐵的57%。鈦的密度雖比鋁大不到2倍，但是強(qiáng)度是鋁的3倍。在工業(yè)工程應(yīng)用中，選取比強(qiáng)度高的金屬時(shí)，鈦合金可作為首選材料。同種條件下，用鈦制造的深潛器下潛深度可達(dá)萬(wàn)米，而鋼制深潛器下潛深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到。此外，鈦磁性為零，在任何強(qiáng)度的磁場(chǎng)中都不會(huì)受到干擾，因此在海上作戰(zhàn)時(shí)，采用水雷、魚(yú)雷等磁性雷攻擊武器，對(duì)于鈦合金制造的船體外殼毫無(wú)攻擊性，具有較好的反監(jiān)護(hù)作用，這一特性深受軍事工程應(yīng)用的青睞。
（2）海洋性氣候環(huán)境下的耐腐蝕性好。當(dāng)鈦合金處于空氣和一些含氧介質(zhì)中時(shí)，由于鈦和氧具有較強(qiáng)的親和力，表面能迅速形成一層致密、附著力強(qiáng)和穩(wěn)定性好的氧化膜，在很多介質(zhì)中不易被破壞，從而對(duì)鈦基體起到保護(hù)作用。有研究表明：無(wú)論是在全浸區(qū)、潮差區(qū)、飛濺區(qū)還是海洋性氣候環(huán)境下，鈦及鈦合金分別在南海、北海、東海三個(gè)水域16年的腐蝕速率幾乎接近零。因此船舶采用鈦合金制造一方面可以延長(zhǎng)使用壽命，另一方面可以減少后期由于表面發(fā)生腐蝕而采取防護(hù)處理等的費(fèi)用。
（3）優(yōu)異的綜合性能。鈦合金可進(jìn)行冷熱成形、自由鍛造、擠壓及焊接等各種加工，具有良好的加工適應(yīng)性。資料研究表明，鈦合金在-60～20℃范圍內(nèi)進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，本身不存在脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。此外，與鋁合金和鋼鐵相比，鈦合金的耐熱、耐低溫性能和斷裂韌性最好。
2、鈦合金在船舶中的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，對(duì)船用鈦合金進(jìn)行專門(mén)研究并形成體系的國(guó)家主要有俄羅斯、美國(guó)、日本和中國(guó)。附表所示為國(guó)內(nèi)外船舶上用鈦部位及常采用的合金。
國(guó)內(nèi)外船舶上用鈦部位及常采用的合金
俄羅斯是世界上最早對(duì)鈦合金在船舶上的應(yīng)用進(jìn)行研究的國(guó)家，擁有可供工程應(yīng)用參考（有關(guān)設(shè)計(jì)、選材和工藝等）的成套體系文件。前蘇聯(lián)專家通過(guò)“帕帕”級(jí)全鈦合金巡航導(dǎo)彈試驗(yàn)艇向世界展示了采用鈦合金制造攻擊型核潛艇的可行性。此后，俄羅斯相繼研究制造了“梭魚(yú)”級(jí)和“禿鷹”級(jí)鈦合金潛艇。對(duì)俄羅斯船用鈦合金進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)：俄羅斯船用鈦合金牌號(hào)多、成分簡(jiǎn)單，多注重合金系列與應(yīng)用設(shè)計(jì)的統(tǒng)籌研究。
美國(guó)最先對(duì)航空用鈦合金進(jìn)行研究，后來(lái)在航空用鈦合金的基礎(chǔ)上，根據(jù)船舶服役環(huán)境，形成了船用鈦合金體系，并成功地將鈦合金應(yīng)用于各種動(dòng)力的潛艇、海水管路系統(tǒng)及深潛器的耐壓殼體等，如Aivin號(hào)、Sea-Cliff號(hào)深潛器等。美國(guó)船用鈦合金牌號(hào)不及俄羅斯多，更重視應(yīng)用如耐蝕性能的提高等研究。
日本對(duì)船用鈦合金的研究應(yīng)用發(fā)展迅速，目前主要應(yīng)用的牌號(hào)有純鈦、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4VELI，主要應(yīng)用于深潛器的耐壓殼體、配管等。
我國(guó)最早于1962年對(duì)船舶用鈦合金進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，研究、制造水平均有了很大提高，已從最初的仿制國(guó)外牌號(hào)合金，到現(xiàn)在的自主研發(fā)船用鈦合金體系，如TA2、TA5、Ti31、TiB19、Ti70和Ti631等。目前，由中船重工725所與寶雞鈦業(yè)、701所共同研制的Ti70合金已成功應(yīng)用在船舶導(dǎo)流罩上。其中值得驕傲的是，我國(guó)高溫鈦鋁合金材料于2016年6月20日取得重大跨域性突破，其壽命優(yōu)于美國(guó)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
3、我國(guó)鈦合金在船舶中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的船用鈦合金研究、應(yīng)用均存在一定的差距。目前，我國(guó)船舶用鈦量占總質(zhì)量的比例還不足1%，而俄羅斯船舶用鈦量已接近18%。隨著我國(guó)藍(lán)色海洋戰(zhàn)略的提出，海洋工程裝備勢(shì)必得到大力發(fā)展，那么被稱作“海洋金屬”的鈦合金也將迎來(lái)快速發(fā)展期。下面主要從5個(gè)方面對(duì)鈦合金在船舶中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述：
（1）我國(guó)船用鈦合金體系雖然已形成，但是在船用鈦合金設(shè)計(jì)、選材和工藝等方面間的有效協(xié)調(diào)合作機(jī)制還不完善，材料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較缺乏，造成目前的應(yīng)用水平處于分散、零星狀態(tài)，因此我們要整合現(xiàn)有資源，完善并優(yōu)化鈦合金性能；建立系統(tǒng)的船用鈦合金評(píng)價(jià)體系和數(shù)據(jù)庫(kù)，促進(jìn)其在船舶上穩(wěn)定、高效地使用。
（2）研究開(kāi)發(fā)新的技術(shù)和工藝，并將計(jì)算機(jī)信息模擬技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用，盡量縮短制造周期，提高成材率。如3D打印技術(shù)、激光快速成形技術(shù)等。
（3）各行業(yè)人員改變對(duì)鈦合金高成本、高投入的觀念。近十年來(lái)，從原材料價(jià)格分析來(lái)看，海綿鈦的價(jià)格處于較低期，為鈦合金市場(chǎng)的擴(kuò)大提供了保障。按傳統(tǒng)材料的服役周期為2～10年計(jì)算，在苛刻的海洋性氣候環(huán)境下，服役期間的傳統(tǒng)材料必須進(jìn)行防腐處理、維修，甚至更換，后期費(fèi)用將大大增加。而鈦合金只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單維護(hù)即可。此外，還可以通過(guò)以下途徑降低鈦及鈦合金的生產(chǎn)成本，來(lái)擴(kuò)大其在船舶行業(yè)的應(yīng)用：①探索新的鈦提煉方法，或者通過(guò)添加一定量生產(chǎn)過(guò)程中的殘料，實(shí)現(xiàn)資源二次利用，并降低原材料成本。②設(shè)計(jì)新型合金時(shí)盡量使用低價(jià)格合金元素，研制低成本合金等。
（4）由于船用結(jié)構(gòu)件多為焊接件，一般尺寸較大，因此開(kāi)發(fā)船用結(jié)構(gòu)件相關(guān)的焊接工藝技術(shù)與焊接材料就顯得尤為重要。
（5）目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鈦粉多為中低檔產(chǎn)品，不能滿足高端客戶要求，高質(zhì)量鈦粉仍需進(jìn)口，大大增加了成本價(jià)格。應(yīng)組建專家團(tuán)隊(duì)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，自主研發(fā)高質(zhì)量鈦粉。
4、結(jié)語(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，鈦合金成本逐漸降低，在國(guó)家一系列政策的推動(dòng)下，鈦及鈦合金在船舶中的應(yīng)用顯現(xiàn)出設(shè)備的輕量化、高速度及高的安全可靠性等諸多優(yōu)勢(shì)，船用鈦合金必將迎來(lái)快速的發(fā)展。
本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2016年第19期40-41頁(yè)
作者：中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所夏申琳等
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