項(xiàng)目突破創(chuàng)新專題研討一、引 言
艦船是海軍最重要的裝備，是海上運(yùn)輸、戰(zhàn)斗的平臺(tái)，用于建造艦船的材料要能耐海水、海洋大氣的腐蝕，比強(qiáng)度高，塑韌性及加工工藝性好。由于艦船整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所使用的材料量大，且品種、規(guī)格多。選擇性能優(yōu)異的材料制作軍艦是保證海軍裝備完整性和先進(jìn)性的基礎(chǔ)。
鈦合金在艦船上得以應(yīng)用，主要是基于鈦合金的以下特性： 很寬的強(qiáng)度范圍，優(yōu)異的機(jī)械性能，獨(dú)特的物理性能（ 包括磁性能） ，較高的比強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)有效性，優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐沖刷腐蝕性能，優(yōu)良的抗沖擊性能，良好的可加工性和焊接性，合理的成本及有效性。大量船用管系材料使用經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，管路系統(tǒng)中傳統(tǒng)材料的使用壽命是有限的，其中，鋼管路系統(tǒng)使用 1. 2 ～ 2 年后會(huì)發(fā)生腐蝕，CuNi 管路系統(tǒng)使用壽命為 6 ～ 8 年，而鈦合金管路系統(tǒng)中的管、泵、閥、熱交換器等設(shè)備可服役 40 年以上。由于船用鈦合金需在海洋環(huán)境中長期服役，設(shè)計(jì)船用鈦合金時(shí)需綜合考慮合金的強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性、可焊性等。
二、國內(nèi)外船用鈦合金應(yīng)用
2. 1 俄羅斯船用鈦合金應(yīng)用
俄羅斯是世界上研制和使用船用鈦合金最早的國家，也是船用鈦合金使用范圍最廣泛、數(shù)量最多的國家。主要包括 PT-7M、PT-1M、PT-3V、37、5V 鈦合金及其相應(yīng)的焊絲，并形成了 490、585、686、785 MPa 等不同強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金產(chǎn)品。，鈦合金已被成功應(yīng)用于艦船上的以下部件及設(shè)備中：
深水立管、補(bǔ)給管、泵、過濾器、通海管路、飲用水管、鉆井管和地下水管路、熱交換器、柴油機(jī)獨(dú)立消防泵和滅火系統(tǒng)、深水設(shè)備殼體、外井系統(tǒng)柔性管、壓力容器、平臺(tái)緊固接頭的高強(qiáng)柔性拉伸部件、工藝溶液的管系和容器等，并相繼在前蘇聯(lián)系列核動(dòng)力破冰船“列寧號(hào)、”北極“號(hào)、”俄羅斯“號(hào)、”蘇聯(lián)“號(hào)和其他型號(hào)的艦船上使用。前蘇聯(lián)系列核動(dòng)力破冰船上的鈦制蒸汽發(fā)生器，已安全使用 20 ～ 40 年，并且未發(fā)生任何嚴(yán)重破損。
表 1 為俄羅斯船用鈦合金的具體應(yīng)用及產(chǎn)品形式。
2. 2 美國船用鈦合金及其應(yīng)用
美國船用鈦合金主要以航空用鈦合金為基礎(chǔ)，選取了在海水腐蝕環(huán)境下具有耐蝕性、可焊性和抗應(yīng)力腐蝕性的鈦合金，包括純鈦、Ti-0. 3Mo-0. 8Ni、Ti-3Al-2. 5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。此外，針對(duì)船用鈦合金的特點(diǎn)，還研制了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0. 8Mo-0. 1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0. 8Mo 等其他船用鈦合金。艦船上使用高性能鈦合金對(duì)于提高艦船的移動(dòng)性、穩(wěn)定性、有效性，減輕船體質(zhì)量等都具有顯著的作用。美國海軍在 20 世紀(jì) 90 年代曾對(duì)以下艦船進(jìn)行認(rèn)證考核，包括： 核動(dòng)力航母（ CVN） 、導(dǎo)彈巡洋艦 （ CG-47 ） 、 導(dǎo) 彈 護(hù) 衛(wèi) 艦 （ FFG-7 ） 、 探 測 船（ MCM） 、水陸 兩 棲 登 陸 艇 （ LSD41CV） 、登 陸 船、氣墊船 （ LVCA） 、水陸兩棲強(qiáng)擊登陸船（ LHD） 、快速作戰(zhàn)軍需品補(bǔ)給船 （ AOE-6） 、雙層殼體監(jiān)視船（ SWATH T-AGOS19） 、海岸探測船（ MHC-51） 、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（ DDG-51） 。這些艦船的海水冷卻系統(tǒng)、海水系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)件、推進(jìn)器、污水處理系統(tǒng)、電器元件、緊固件等，均已使用或即將使用高性能鈦合金。
表 2 為美國艦船用候選鈦合金的相關(guān)情況
2. 3 中國船用鈦合金及其應(yīng)用
中國船用鈦合金的研究與應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成較完整的船用鈦合金體系，能夠滿足艦艇、潛艇和深潛器對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別的要求。應(yīng)用領(lǐng)域涉及船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、特種裝置等。按屈服強(qiáng)度等級(jí)劃分，即屈服強(qiáng)度在 490 MPa 以下為低強(qiáng)鈦合金，具有優(yōu)異的塑性；490 ～ 790 MPa 為中強(qiáng)鈦合金，高于 790 MPa 為高強(qiáng)鈦合金，主要用于船舶動(dòng)力工程中的耐熱耐蝕部件和船舶特種機(jī)械等。
表 3為我國船用鈦合金及其具體應(yīng)用。
2. 4 日本船用鈦合金及其應(yīng)用
日本船 用 鈦 合 金 主 要 有 純 鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI，主要被應(yīng)用于深潛器的耐壓殼體及各種民用游船、漁船。
三、使用中存在問題及解決方法
3. 1 縫隙腐蝕
腐蝕問題：艦船中使用的可拆卸連接件（ 法蘭、螺紋連接等） 等部件存在較小縫隙，縫隙內(nèi)會(huì)存在具有侵蝕性的高濃度氯離子和氟離子，這就要求鈦合金在海水環(huán)境中具有良好的抗高溫縫隙腐蝕能力。鈦合金熱交換器和海水淡化設(shè)備內(nèi)，工況環(huán)境為 90～250℃ 、介質(zhì) pH 值為1.5～4.0（ 尤其是在鹽和煤油狀沉積物處） ，其縫隙腐蝕是非常致命的。
防腐措施：
（1）在鈦合金中添加Pd、Ｒu 元素可有效改善鈦合金的耐縫隙腐蝕性能。
（2）在鈦合金表面進(jìn)行含 Ru/Pd 的表面處理，例如在鈦合金表面滲入 Ru/Pd 元素或者進(jìn)行微弧氧化在鈦合金表面形成含 Ru/Pd元素的氧化物。為減少表面處理的成本，也可以在鈦合金表面制備含Ru/Pd元素的梯度涂層。
（3）采用陰極保護(hù)技術(shù)保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，電位在－800 mV ～－1050 mV 之間，避免產(chǎn)生氫過飽和導(dǎo)致鈦合金出現(xiàn)氫致開裂。
3. 2 電偶腐蝕
鈦與鋼、銅連接時(shí)極易出現(xiàn)電偶腐蝕，防護(hù)措施包括：
1、管材進(jìn)行熱氧化、微弧氧化、陽極氧化，在金屬表面形成氧化層或陶瓷層以實(shí)現(xiàn)絕緣。對(duì)鈦管進(jìn)行氧化處理，形成的氧化膜可降低鈦合金陰極極化效應(yīng) 80%～ 90% ，氧化膜壽命等同于鈦管壽命。
2、在管材、閥嘴與鋼、銅設(shè)備接觸的界面處用瀝青質(zhì)橡膠進(jìn)行絕緣處理；
3、在鈦管與不銹鋼噴嘴連接處進(jìn)行中間凸緣保護(hù)。
3. 3 大型結(jié)構(gòu)件的焊接腐蝕
防護(hù)措施包括：
1、艦船上使用的殼體、高壓壓力容器、拉伸部件等大型結(jié)構(gòu)件基于耐壓性能要求需要使用高強(qiáng)鈦合金，并且要求高強(qiáng)鈦合金厚壁焊接件的連接在海水中要有極好的可操作性，焊后無須進(jìn)行熱處理。
2、美國和歐洲采用 TC4 鈦合金和低間隙 TC4 鈦合金（氧含量控制在 0. 13%以內(nèi)）； 俄羅斯普羅米修斯結(jié)構(gòu)材料中央研究 院 研 發(fā) 了 PT-3V、37、5V 船 用 鈦 合金； 中國研發(fā)了 TA24、TA31 鈦合金。
3、對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件，焊接后不能進(jìn)行熱處理，而表面存在拉伸應(yīng)力，大大降低鈦合金構(gòu)件耐腐蝕和抗疲勞性能?？蓪?duì)焊接件表面進(jìn)行超聲沖擊處理，將焊接件表面拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變成為壓應(yīng)力，以利于疲勞性能的提高。
四、 中國船用鈦合金的發(fā)展展望
對(duì)于材料研究來說，中國船用鈦合金還需開展鈦合金在海洋環(huán)境中的性能研究，包括：
①工況環(huán)境（
溫度、pH 值、溶液成分）
、受力方式 （ 自由狀態(tài)、反向彎曲、扭轉(zhuǎn)） 、交變載荷對(duì)鈦合金在空氣和海水中腐蝕疲勞、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性的影響研究；
②加工工藝對(duì)鈦合金管材織構(gòu)類型（
徑向織構(gòu)、軸向織構(gòu)）
以及織構(gòu)類型對(duì)管材加工工藝（
擴(kuò)口、壓扁、爆破）
性能的影響；
③Pd、Ru微量元素對(duì)鈦合金在H2S、Cl-環(huán)境中耐蝕機(jī)理的研究；
④鈦合金在輻照環(huán)境下的拉伸、疲勞性能評(píng)價(jià)；
⑤耐蝕鈦合金不同焊接形式的焊接變形控制和矯正研究；
⑥耐蝕鈦合金新型近凈成形技術(shù)的研究與評(píng)價(jià)。
責(zé)任編輯：周婭
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