?鈦合金的研究及應(yīng)用進展
鈦合金是以鈦元素為基材加入其他元素組成的合金，具有密度小、比強度大、耐腐蝕性好、耐熱耐低溫性好、無磁性、抗沖擊性好、焊接性能好等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于化工、航空航天、電力、體育休閑、船舶、海洋工程、醫(yī)藥、冶金等領(lǐng)域。在船舶和海洋工程領(lǐng)域，由于構(gòu)件要經(jīng)受嚴峻海洋環(huán)境的考驗，其制作船體構(gòu)件的材料應(yīng)具備良好的耐腐蝕性、耐熱耐低溫性和抗沖擊性，同時其焊接性能要好，而鈦合金材料在具備上述優(yōu)點的同時，其密度小、比強度大的特點，也大大提升了裝備的性能。
鈦合金在艦船上的應(yīng)用提高了艦船在海洋環(huán)境中的服役壽命和裝備的性能。因此，鈦及鈦合金被譽為“未來金屬”、“第3種金屬”、“海洋金屬”等。由于鈦合金的優(yōu)異性能及其在海洋工程和軍事領(lǐng)域中的重要應(yīng)用，俄羅斯、美國、中國、法國、日本等多國均對鈦合金的研究開發(fā)給予高度重視。
一、艦船用鈦合金的研究進展
艦船用鈦合金的研究主要集中在俄羅斯、美國、中國等國，經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，都形成了適應(yīng)本國發(fā)展需求和特色的船用鈦合金體系。
1.俄羅斯
俄羅斯是世界上最早開始研究艦船用鈦合金的國家，并具有長期的鈦合金實踐經(jīng)驗。經(jīng)過多年的積累，俄羅斯已經(jīng)研制出490MPa、585MPa、686MPa、785MPa等多強度級別的船用鈦合金，如鈦（Ti）-0.3鉬（Mo）-0.8鎳（Ni）、Ti-3鋁（Al）-2.5釩（V）、Ti-6Al-2鈮（Nb）-1鉭（Ta）-0.8Mo等。俄羅斯主要的船用鈦合金牌號有PT-3V、40、17,PT-7M、PT-1M、3M、5V,TL-3、TL-5、PT-7MW等。不同類別的鈦合金有不同的應(yīng)用形式，如PT-3V應(yīng)用于焊接件，而PT-7M則主要應(yīng)用于管路。多年的研發(fā)實踐讓俄羅斯在艦船用鈦合金的研究和應(yīng)用領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位。
俄羅斯的船用鈦合金體系是按照鈦合金在艦船上的用途進行構(gòu)建，主要分為船體用鈦合金、船舶機械用鈦合金、船舶動力工程用鈦合金等。如上述提到的PT-1M屬于船體用鈦合金，3M屬于船舶機械用鈦合金，鈦合金40屬于船舶動力工程用鈦合金。但是該分類方法也存在一定問題，一種鈦合金可能應(yīng)用于多個分類下的產(chǎn)品，存在交叉應(yīng)用。
2.美國
美國艦船用鈦合金是在航空航天用鈦合金的基礎(chǔ)上開始的。1950年，美國海軍開始意識到可以將鈦及鈦合金材料應(yīng)用于艦船，并開始進行嘗試研究，選取適用于海洋環(huán)境的鈦合金。1963年，美國對鈦及鈦合金材料應(yīng)用于船舶進行大規(guī)模的研發(fā)，并取得了成功，如在美國“阿爾文”號深潛器的殼體制備中就運用了鈦合金材料，將下潛深度由原來的1868m提高到3658m。
目前，美國主要應(yīng)用的鈦合金包括純鈦、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、
Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo等。美國將常用的鈦合金按照ASTMB265的等級進行劃分，包括Gr.1、Gr.2、Gr.3、Gr.5、Gr.9、Gr.12、Gr.20、Gr.32。Gr.1、Gr.2、Gr.3成分為工業(yè)純鈦1、2、3級，Gr.5成分為Ti-6Al-4V，Gr.9成分為Ti-3Al-2.5V，Gr.12成分為Ti-0.3Mo-0.8Ni，Gr.20成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo，Gr.32成分為Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si。不同等級的鈦及鈦合金的性能不同。純鈦制備成本比較低，但是強度沒有鈦合金高。鈦合金常用于制備艦船的結(jié)構(gòu)件、緊固件、管線、泵、閥等。Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si具有良好的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能，其可焊接性、抗沖擊性等性能都優(yōu)于其他等級的鈦合金，常被用于制備結(jié)構(gòu)件和緊固件。
3.中國
20世界60年代，中國開始進行船用鈦合金的研制工作。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的
鈦合金研發(fā)和應(yīng)用水平有了很大的提升，可滿足建造艦船時不同部位和不同強度級別的要求，能批量生產(chǎn)板、中厚板、鍛件、管、各種絲、環(huán)材鑄件等不同形式的產(chǎn)品。我國在從事船用鈦合金自主研發(fā)方面具有代表性的機構(gòu)分別是西北有色金屬研究院、上海鋼鐵研究所和寶雞鈦業(yè)股份有限公司。西北有色金屬研究院的研發(fā)成果有Ti-硼（B）19，合金成分為Ti-V-鉻（Cr）-Mo-鋯（Zr）-Al；Ti75合金，成分為Ti-3Al-2Mo-2Zr；Ti91合金，成分為Ti-Al-鐵（Fe）。上海鋼鐵研究所以Ti80為代表，成分為
Ti-6.0Al-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo，屈服強度達900MPa，是近α型高強鈦合金，耐腐蝕性強。寶雞鈦業(yè)股份有限公司具有代表性的鈦合金為Ti631，其成分為Ti-6Al-3Nb-1Mo，是785MPa級的船用鈦合金。
目前，我國已經(jīng)形成了具有本國特色的船用鈦合金體系，屈服強度范圍廣，最高屈服強度達1150MPa。在我國的船用鈦合金體系中，按照屈服強度將合金分為低強鈦合金、中強鈦合金金和高強鈦合金。屈服強度低于590MPa為低強鈦合金，主要有TA2（320MPa級），Ti31（490MPa級），ZTA5（490MPa級），TA5A（590MPa級）；屈服強度在590～725MPa之間的為中強鈦合金，主要有ZTi60（590MPa級），Ti70（590MPa級），Ti91（600MPa級），Ti75（630MPa級），ZTA7（725MPa級）；屈服強度高于785MPa為高強鈦合金，主要有Ti80（785MPa級），ZTC4（800MPa級），TC4（825MPa級），TC11（900MPa級），TiB19（1150MPa級）。
二、鈦合金在艦船上的應(yīng)用
鈦及鈦合金材料在艦船上的應(yīng)用十分廣泛，除去船舶屬具與艙室設(shè)施以外的所有大的設(shè)備、零部件均可能使用到鈦及鈦合金材料，如電子信息系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、船體結(jié)構(gòu)件、推進系統(tǒng)等。國外鈦合金材料主要應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)材料，艦船泵、閥、管道及其他配件，動力驅(qū)動裝置，熱交換器、冷凝器、冷卻器、蒸發(fā)器，聲學(xué)裝置等；國內(nèi)鈦合金材料則主要應(yīng)用在深潛器，動力驅(qū)動裝置，艦載雷達、電子設(shè)備，緊固件等。
1.耐壓殼體
在艦船領(lǐng)域，主要應(yīng)用鈦合金耐壓殼體的是深潛器和潛艇。鈦合金比強度大、耐腐蝕性好、無磁性等特點使其成為制造深海設(shè)備耐壓殼體的優(yōu)質(zhì)材料。
俄羅斯是最早在核潛艇上使用鈦合金耐壓殼體的國家，也是世界技術(shù)領(lǐng)先者。從20世紀60年代開始，俄羅斯（前蘇聯(lián)）制造了一系列的鈦合金潛艇。最開始，俄羅斯制造了661號鈦合金巡航導(dǎo)彈核潛艇，這是一個試驗艇。后來，俄羅斯相繼制造了7艘“阿爾法”級鈦合金潛艇，1艘“麥克”級潛艇，4艘“塞拉”級潛艇。這幾艘核潛艇都是攻擊型，其中“阿爾法”級鈦合金潛艇鈦合金使用量達3000t。俄羅斯制造的“臺風(fēng)”級核潛艇是世界上最大體積和噸位的潛艇，其用鈦量達9000t。當前，俄羅斯最新一代的“北風(fēng)之神”級核潛艇也使用的是鈦合金耐壓殼體。
鈦合金的研究及應(yīng)用進展
鈦合金耐壓殼體的另一個重要應(yīng)用是深潛器?！膀札垺碧栞d人潛水器是我國自主研制的載人潛水器，設(shè)計的最大下潛深度為7000多米。“蛟龍”號載人潛水器的耐壓殼體使用的是鈦合金材料。目前，世界上主要的大深度載人潛水器中，多數(shù)選用鈦合金材料作為耐壓殼體的制備材料。例如美國的Alvin號和NewAlvin號，中國的“蛟龍?zhí)枴保▏腘autile號，日本Shinkai6500號等大深度載人潛水器的殼體材料都是鈦合金[9]。鈦合金成為深潛器耐壓殼體的首選材料。
2.動力推進裝置
艦船的螺旋槳由于受海水和海洋氣候的影響，螺旋槳材料需要有較高的腐蝕疲勞強度和抗空蝕能力。與銅合金、鋼相比，鈦合金在腐蝕疲勞強度和抗空蝕能力方面具有優(yōu)勢。此外，由于鈦合金的密度小，在制作同等規(guī)模的螺旋槳時，與其他常用材料相比，鈦合金螺旋槳的質(zhì)量小。因此，使用鈦合金螺旋槳的艦船的驅(qū)動效率更高。結(jié)合鈦合金螺旋槳的高腐蝕疲勞強度和抗空蝕能力，其維護和保養(yǎng)會更容易，延長了螺旋槳的服役壽命。鈦合金是理想的艦船螺旋槳材料。
俄羅斯、英國等早在20世紀60年代就開始嘗試在艦船上使用鈦合金螺旋槳。如俄羅斯在其“阿爾法”級和“麥克”級等核潛艇中都使用了鈦合金螺旋槳。美國也已經(jīng)在多艘艦船上使用鈦合金螺旋槳。例如，美國海軍在50t級的研究型獵潛艇使用的是直徑為812.8mm的，三葉片、可拆式、超空泡鈦合金螺旋槳?！鞍⑾＞S爾”號高速炮艇使用的是四葉片變螺距鈦合金螺旋槳。美國大型軍用水翼艇“普蘭維尤”號利用的是由Ti-6Al-4V材料制造的直徑為1.52m的，四葉片、可拆式、超空泡鈦合金螺旋槳。我國也已經(jīng)成功研制了多種鈦合金螺旋槳，并成功運用在多艘艦船上。例如，1972年研制成功Ti-5Al-2.5Sn和Ti-6Al-4V鈦合金水翼艇螺旋槳，到目前為止已經(jīng)在多艘艦船上使用。多年的使用結(jié)果顯示，鈦合金螺旋槳的耐腐蝕性強，其使用壽命是傳統(tǒng)銅合金螺旋槳的3倍之多。
除艦船的螺旋槳外，鈦合金材料還應(yīng)用在艦船的發(fā)動機上。如俄羅斯制造的原子動力破冰船使用了含鈦合金材料的蒸汽發(fā)動機。使用鈦合金動力推進裝置，能夠使艦船在航行時不受因切割地球磁力線而產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流的影響。此外，一些艦船的噴水推進裝置也使用了鈦合金材料，如美國SES-100A試驗艇和日本的“PT-10”號魚雷艇。他們的噴水推進裝置使用了工業(yè)純鈦和鈦合金鍛件，減輕了裝置的質(zhì)量，提高了噴水推進裝置的效率。
3.泵、閥、管道和其他配件
俄羅斯對艦船管道系統(tǒng)運行的要求是結(jié)構(gòu)材料應(yīng)該保證在第一次進船塢修理前有8～9年的使用壽命，系統(tǒng)完全更換前的使用壽命不應(yīng)少于15年。該要求能夠保障所有級別的船舶可以有效服役25～30年。而艦船在海上進行作業(yè)，因此艦船上的泵、閥、管道和其他配件面臨著嚴峻的海洋環(huán)境的考驗。
俄羅斯民用船舶的管道系統(tǒng)一般根據(jù)水流的速度而選用M3C銅管，MH-5-1銅合金管，而閥門、泵、熱交換器則使用銅合金。如果艦船的管道使用銅合金材料，其在第2年就有可能已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕破壞，難以滿足上述所提的使用要求。為了滿足使用要求，可能需要加厚管道的厚度，同時為保障水流速度，需要擴大管道的直徑。船舶的整體管道系統(tǒng)的重量和造價增加了。
然而，俄羅斯軍艦的泵、閥、管道等較多使用鈦合金材料。軍艦的服役時間較長，其使用實踐證明，鈦合金管道、閥門、泵、熱交換器等產(chǎn)品的抗海水腐蝕性強，具有較長的使用壽命。如果全部使用鈦材制造艦船取水系統(tǒng)時，可顯著延長系統(tǒng)壽命并提高使用可靠性。
美國海軍在艦船上使用鈦合金管道系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的銅鎳合金管道相比，鈦合金抗腐蝕能力強，即使在高速流動的海水中（流速為13m/s的情況下），也不會被海水沖刷腐蝕，特別適用于工作介質(zhì)為動海水、高流速、高壓的管路。因此，在保證同樣海水流量情況下，鈦合金的高抗腐蝕性允許管道設(shè)計得更薄，管道的直徑變小，其所占艦船的空間變小，布置的靈活性增強，維護成本也有所降低。此外，鈦合金的密度小，約為銅鎳合金的一半，其制造的管路質(zhì)量小，從而使得用于輔助支撐管路的設(shè)備減少。艦船的負載變少，油耗降低。
4.聲學(xué)裝置
艦船上的聲學(xué)裝置也可使用鈦合金材料，如聲吶導(dǎo)流罩、水聲換能部件、傳聲器、電話零件等的制造。聲吶是艦船在水下進行目標探測的最有效設(shè)備。我國多使用不銹鋼和纖維增強的玻璃鋼，但是與鈦合金材料相比，其透聲性能和耐撞性能相對較弱。俄羅斯已經(jīng)將鈦合金制聲吶導(dǎo)流罩應(yīng)用于“庫爾斯克號”核潛艇、“明斯克”航母、“基輔”號航母等，實際聲吶探測效果較好。
艦船是國家海軍力量的重要組成部分，為艦船制造選擇優(yōu)異的材料十分關(guān)鍵。鈦合金材料擁有眾多優(yōu)異的性能，可廣泛應(yīng)用于艦船制造。世界上的軍事強國關(guān)于艦船用鈦合金的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在艦船殼體、動力推進裝置、管路、聲吶等方面擁有眾多的成功案例。當前，這些國家依舊將鈦合金視為具有戰(zhàn)略意義的新材料，重視鈦合金的研究和應(yīng)用。未來將會出現(xiàn)更多種性能優(yōu)異的鈦合金材料和成功的應(yīng)用案例。
