潘羅坤， 徐魯杰

(海軍駐洛陽四〇七廠軍事代表室, 洛陽 471039)

鈦合金因具有密度低、比強(qiáng)度高、優(yōu)良的耐蝕性、韌性好、形狀記憶、可焊、中溫性能好、無磁等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、艦船及海洋工程等軍用及民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

由于鈦合金對海水具有很強(qiáng)的抗蝕性和很高的比強(qiáng)度，是一種理想的艦船管路系統(tǒng)材料。各國對鈦合金在艦船上的應(yīng)用研究十分重視，并在艦船管路系統(tǒng)中大量采用鈦合金，以提高艦船設(shè)備運(yùn)行的可靠性和使用壽命，從而提高艦船的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能。

1 鈦合金管材的優(yōu)勢

鈦合金由于具有優(yōu)異的性能，特別適用于工作介質(zhì)為高壓、高流速、動(dòng)海水的通海管路系統(tǒng)和動(dòng)力裝置排氣管路系統(tǒng)。用鈦合金制造艦船的管路及附件（包括管子、彎頭、三通、閥門等），不但可以減少艦船管路系統(tǒng)管子的直徑和壁厚，而且可以減輕重量。

根據(jù)B10銅合金、雙相鋼和鈦合金三種材料的耐海水沖刷腐蝕的數(shù)據(jù)中可以看出：B10銅合金在流速大于5 mm/s時(shí)已經(jīng)有了較為明顯的腐蝕，所以只能用于海水流速小于5 mm/s的管路系統(tǒng)中；雙相不銹鋼是一種耐海水腐蝕的材料，但由于焊接工藝若控制不好，焊接接頭容易發(fā)生相變，大幅降低焊接接頭的耐蝕性；鈦合金是三種材料中是耐海水沖刷腐蝕性能最好的材料，在10～25 m/s的沖刷條件下不腐蝕，甚至在36 m/s的沖刷條件下腐蝕速度也僅為0.008 mm/a。

根據(jù)鈦合金管材和其他船用耐蝕材料管材的全壽期費(fèi)用可以看出：銅合金管道的平均服役期限為10年，而鈦合金的服役期限為3O年。如果按30年計(jì)算，則銅合金管材需要更換2次，全壽命內(nèi)銅合金管材投入的材料費(fèi)是鈦合金管材的近3倍，還沒有把檢修和更換期間所引起的損失費(fèi)用考慮進(jìn)去，包括設(shè)備加工費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、安裝費(fèi)，以及由于設(shè)備更換而導(dǎo)致艦船在役時(shí)間的縮短等。

美、俄等國早在上世紀(jì)60年代初就已開始用鈦合金逐步代替銅合金、不銹鋼等常規(guī)耐海水腐蝕材料，應(yīng)用范圍包括海水冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、熱交換器設(shè)備、管系、噴水推進(jìn)裝置等。俄羅斯核潛艇二回路和通海管系已全部采用鈦合金制造，僅二回路系統(tǒng)減重效果達(dá)到40%以上，且服役期限達(dá)到了與艇體同壽命，實(shí)現(xiàn)了全壽命周期的低成本。

在2004年，美國推出了NGMTI計(jì)劃（Next Generation Manufacturing Technology Initiative），新興工藝技術(shù)是該計(jì)劃的首要重點(diǎn)領(lǐng)域。在該計(jì)劃中，將低成本鈦生產(chǎn)列為該領(lǐng)域的第二大方向。隨著美國低成本鈦生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，鈦在艦艇上的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

2 海綿鈦市場價(jià)格分析

圖1 海綿鈦價(jià)格走勢圖

圖1 為2006年10月～2014年6月海綿鈦價(jià)格走勢圖。由圖1可以看出，2006年海綿鈦價(jià)格處于20萬元/ t以上的高位，但隨后震蕩下行，由于產(chǎn)能過剩等原因，至2014年6月，已跌至 4.6萬元/ t左右，。

隨著經(jīng)營壓力的增大，生產(chǎn)企業(yè)不得不挖潛增效、改進(jìn)工藝、提高技術(shù)、降低成本，更加優(yōu)良的冶煉工藝和技術(shù)，必將對海綿鈦市場價(jià)格穩(wěn)定起到支撐作用。

3 鈦合金管材和管路附件價(jià)格分析

鈦合金管材價(jià)格由材料費(fèi)和制造費(fèi)兩大部分組成。

工業(yè)純鈦由海綿鈦直接真空熔煉而成，其原材料費(fèi)較低。而鈦合金由于添加了合金元素，材料費(fèi)相應(yīng)提高，特別是添加了稀貴合金元素的鈦合金材料費(fèi)將大幅提升。

鈦合金管分為無縫管和焊接管。鈦合金在高溫下容易吸氧和吸氫，熔煉需要在真空環(huán)境中進(jìn)行。當(dāng)合金元素含量較高時(shí)，為保證成分均勻，熔煉次數(shù)一般不低于三次。鈦合金鑄錠一般要經(jīng)過切除冒口和扒皮之后才能進(jìn)行后續(xù)的開坯鍛造工序，這導(dǎo)致材料存在一定量的損失，鑄錠熔煉工序的材料收得率約為80%～95%。

鈦合金屬于難變形材料，成形工藝窗口窄，且微觀組織對工藝參數(shù)特別敏感，而微觀組織形貌又直接決定了鈦合金管件的機(jī)械性能。鑄錠開坯鍛造和方坯改鍛階段一般要進(jìn)行5～10火次鍛造，嚴(yán)格控制每火次變形溫度、變形量和應(yīng)變速率，以達(dá)到破碎粗大魏氏組織、細(xì)化晶粒和調(diào)控性能的目的。目前，單火次鍛造費(fèi)用約為5～10元/kg。在鍛造過程中邊角部位容易開裂，要對開裂部位進(jìn)行切除打磨處理，另外還會(huì)出現(xiàn)表面氧化形成氧化皮。這些因素都會(huì)導(dǎo)致材料損失，在開坯鍛造和方坯改鍛環(huán)節(jié)材料的收得率約為75%～85%。

圖2給出了25×2和25×0.7兩種鈦合金無縫管2013年市場價(jià)格波動(dòng)情況。2014年1月海綿鈦價(jià)格同比下降25%，而25×2和25×0.7兩種管價(jià)格分別同比降低10%和15%，市場價(jià)格分別是海綿鈦價(jià)格的2.8倍和2.9倍。這是因?yàn)樵牧蟽r(jià)格在鈦管價(jià)格中所占比例僅為34%-36%，海綿鈦價(jià)格下降但鈦管制造費(fèi)用并沒有降低，這導(dǎo)致鈦無縫管價(jià)格降幅較小。鈦合金無縫管制造費(fèi)用更高，這是由于鈦合金相比純鈦來說變形抗力大、成形溫度高、各工藝流程中材料收得率較低等因素導(dǎo)致。

圖2 海綿鈦和工業(yè)純鈦無縫管（TA1/TA2）價(jià)格走勢

合金化程度高或口徑較大的鈦合金管材及管路附件只能采用焊接結(jié)構(gòu)。焊接管制造工藝流程中的有些工序和無縫管相同，但方坯改鍛之后要進(jìn)行板材的軋制，鈦合金一般采用熱軋成形，軋制成本較高。軋板一般需要3～5火次，每火次軋制費(fèi)用約為15～20元/kg。每火次軋制后板坯尺寸要進(jìn)行修整，這使得軋制過程中材料的收得率在70%-80%之間。

軋制板材經(jīng)噴砂和酸洗等輔助工序后進(jìn)行坡口加工、卷板、焊接等工序。鈦合金在焊接過程中會(huì)與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如處理不當(dāng)就會(huì)吸收空氣中的雜質(zhì)，使鈦合金材料變脆。為避免出現(xiàn)這樣的情況，在焊接鈦合金管過程中需采取一系列控制措施，如使用輔助氬氣保護(hù)拖罩或采用側(cè)面氬氣保護(hù)等措施。這些保護(hù)措施會(huì)降低鈦合金管焊接的生產(chǎn)效率，增大氬氣等耗材的使用量，這些因素?zé)o疑會(huì)增加鈦合金管的焊接成本。

艦船管路附件一般包括彎頭、三通和變徑管等，是在管材的基礎(chǔ)上進(jìn)行深加工制造的。與銅合金管件室溫成型不同，鈦合金管件往往需要在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行高溫成型，這就造成鈦合金管件制造成本高，一般為銅合金的3倍以上。

4 金屬鈦價(jià)格與鈦管路采購價(jià)格關(guān)系研究

鈦合金管路一般由鈦合金管材與管路附件焊接而成的。因此鈦合金管路采購價(jià)格由材料費(fèi)和各環(huán)節(jié)的制造費(fèi)用組成，即

式中：F為焊接管路的采購價(jià)格（元/kg）；a為海綿鈦市場價(jià)格（元/kg）；b為海綿鈦添加合金元素費(fèi)（元/kg）；g1為鑄錠熔煉費(fèi)（10～15元/kg）；g2為鍛造費(fèi)（5～10元/kg）；g3為板材軋制費(fèi)（15～20元/kg）；n1、n2、n3分別為熔煉、鍛造和軋制火次（次）；k1、k2、k3分別是分別為熔煉、鍛造和軋制過程的材料收得率（%）；Σ為焊接費(fèi)用和其他輔助工序費(fèi)用（元/kg）；μ為管路附件附加費(fèi)（（元/kg））。

由上述分析可知，鈦合金屬于難變形材料，制造過程中各工序費(fèi)用較高、材料收得率較低，雖然近年來海綿鈦價(jià)格處于低位，但管路系統(tǒng)采購價(jià)格并不會(huì)有明顯的降低。

5 結(jié)論

鈦合金管路系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性具有顯著的優(yōu)勢，鈦合金管路系統(tǒng)在國外艦船通海管路和排煙管路等管路系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用。海綿鈦近兩年價(jià)格持續(xù)走低，隨著海綿鈦生產(chǎn)工藝的提高和生產(chǎn)企業(yè)的競爭，海綿鈦價(jià)格將長期處于低位，鈦合金管路系統(tǒng)的采購價(jià)格將不會(huì)有較大的波動(dòng)，這為我國造船及海洋工程選用鈦合金提供了更大的空間。

[1]王向東，逯福生，賈翃，郝斌.2013年中國鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)告[J].中國鈦業(yè)，2013,(1).

[2]威爾德[譯].美國海軍采用艦船管系新材料 [J].中外船舶科技.2003(4).