周文萌(大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧盤錦124221)

船用鈦合金裝備材料及制備技術(shù)研究進(jìn)展評述

周文萌(大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧盤錦124221)

發(fā)展先進(jìn)制造需要材料先行，海洋工程裝備材料，特別是艦船裝備材料的發(fā)展水平更是衡量一個國家海上工業(yè)實力的重要指標(biāo)。綜合性能指標(biāo)突出的鈦及鈦合金更是艦船裝備高性能材料的重中之重。文中將綜述國內(nèi)外船用鈦合金材料的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，探討我國發(fā)展高性能鈦合金材料目前遇到的技術(shù)難題和研究方向。

船用鈦合金；應(yīng)用問題；國內(nèi)外研究進(jìn)展

隨著對海洋權(quán)益的日益重視，各鄰海國家紛紛將艦船與海洋工程裝備的研發(fā)籌建提上日程，要提高我國的海洋資源開發(fā)利用能力和綜合制海能力，必須大力發(fā)展艦船裝備和海洋工程裝備。

材料性能的高低很大程度上影響著艦船裝備的服役安全性和技戰(zhàn)術(shù)水平，無論是航母還是一般艦船材料，選材都尤為重要。在保證安全性的基礎(chǔ)上，材料的經(jīng)濟(jì)型、耐久性、維修性都需要綜合考慮。鈦及鈦合金是目前相對理想的船用金屬結(jié)構(gòu)材料，主要優(yōu)勢在于其密度小、強(qiáng)度范圍廣、結(jié)構(gòu)可靠性和比強(qiáng)度較高、耐腐蝕和沖刷腐蝕性能良好、抗沖擊性和可加工性優(yōu)異，應(yīng)用于艦船中可以顯著減輕設(shè)備重量、延長設(shè)備使用壽命，從而使整體艦船的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能大幅提高。

1 原理

1.1 主要設(shè)計準(zhǔn)則

船用鈦合金需要在海洋環(huán)境中保持長期的服役時間，所以在設(shè)計時需要綜合考慮船用鈦合金的可焊性、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性、強(qiáng)度。

1.2 強(qiáng)化機(jī)制

近α型船用鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制為添加合金穩(wěn)定元素實現(xiàn)強(qiáng)化和變形后再結(jié)晶強(qiáng)化。俄羅斯、美國、中國船用鈦合金的主要添加元素為Al，V，Mo，Nb，Zr。此外，中國船用鈦合金的穩(wěn)定元素還包括Ni、Fe，Ni元素在合金中以TiNi相析出，用于提高合金的抗縫隙腐蝕能力。同時，為了保證船用鈦合金的高溫服役特性、工藝變形特性和焊接性能，一般對雜質(zhì)元素含量有著嚴(yán)格的要求，需對海綿鈦的品質(zhì)和熔煉工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1.3 主要問題

當(dāng)鈦合金應(yīng)用于實際海洋工程中，會由于環(huán)境的特殊性或者不同材料間使用匹配的問題，進(jìn)而引發(fā)腐蝕破壞，影響結(jié)構(gòu)的服役壽命。

1.3.1 縫隙腐蝕

海水環(huán)境下，在構(gòu)件縫隙或者缺陷處，由于電解質(zhì)的滯流構(gòu)成電化學(xué)電池而引起局部腐蝕現(xiàn)象，最終導(dǎo)致局部穿孔破壞。

1.3.2 電偶腐蝕

其他金屬與鈦合金接觸時，由于鈦合金的腐蝕電位為正，高于其他金屬，從而易產(chǎn)生電偶腐蝕，加速其他金屬的腐蝕，這個問題制約了鈦合金在實際工程中的應(yīng)用。

1.3.3 其他

目前我國對船用鈦合金材料的研究缺乏在服役海水環(huán)境下的大量追蹤評價數(shù)據(jù)，不利于船用鈦合金在海洋環(huán)境下的應(yīng)用推廣與優(yōu)化改進(jìn)。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展及評述

目前為止，世界上專門的船用鈦合金研究主要在俄羅斯、美國、日本和中國進(jìn)行，在此只談討俄羅斯、美國、中國的鈦合金研究現(xiàn)狀。

2.1 俄羅斯

早在1968年，前蘇聯(lián)就建造了世界上第一艘鈦合金多功能核潛艇。無論是使用規(guī)模、技術(shù)水平還是建造能力都在國際上處于領(lǐng)先地位。俄羅斯已經(jīng)成功將船用鈦合金大量應(yīng)用于艦船使用部件和設(shè)備中，包括船體、船機(jī)、動力裝置等。

2.2 美國

美國在航空用鈦合金的研發(fā)基礎(chǔ)上選用在海水環(huán)境下耐腐蝕、可焊性和抗沖擊性良好的中強(qiáng)可焊鈦合金材料應(yīng)用到艦船裝備乃至航母上，利用鈦合金代替鋼大大減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高了在海水腐蝕環(huán)境下的穩(wěn)定性。

2.3 中國

我國船用鈦合金的研究始于1962年，經(jīng)過50多年的努力，我國創(chuàng)新研制的不同強(qiáng)度級別船用鈦合金已基本形成具有中國特色的鈦合金體系，其變化強(qiáng)度范圍為320～1100Mpa，因而按照屈服強(qiáng)度等級可以劃分為低強(qiáng)、中強(qiáng)、高強(qiáng)鈦合金，目前我國船用鈦合金體系中包括中強(qiáng)高韌Ti75合金、中強(qiáng)高塑Ti31合金、高強(qiáng)高韌Ti—B19合金、中強(qiáng)Ti91和Ti70合金、高強(qiáng)Ti80合金等，基本可以滿足各種工程設(shè)備的不同需求。

3 我國船用鈦合金的研究展望

雖然目前已經(jīng)有基本的鈦合金體系，但我國的船用鈦合金應(yīng)用水平依然不高，且加工工藝和制備技術(shù)仍存在幾個技術(shù)難題：

(1)艦船裝備用Ti合金設(shè)計、驗證及評價技術(shù)；

(2)高性能Ti合金材料的低成本加工制造技術(shù)；

(3)穩(wěn)定化生產(chǎn)高性能Ti合金的技術(shù)；

(4)大型Ti合金部件的可靠焊接技術(shù)；

(5)超大規(guī)格Ti合金部件的成形制造技術(shù)；

(6)超大規(guī)格（外徑600mm，壁厚20～30mm，長度大于15m）Ti合金管材的加工生產(chǎn)技術(shù)；

(7)高效、穩(wěn)定、可靠的Ti合金接觸腐蝕、電偶腐蝕防護(hù)技術(shù)及海生物污損防護(hù)技術(shù)。

4 結(jié)語

鈦合金是目前相對理想的船用結(jié)構(gòu)材料，使用鈦合金對艦船的移動性、穩(wěn)定性、輕型化等綜合性能均有大幅度提高。經(jīng)過對國內(nèi)外技術(shù)對比不難看出，目前中國的船用鈦合金技術(shù)依然落后于西方先進(jìn)國家，但以Ti80為代表的我國自主研發(fā)的鈦合金體系正在逐步縮小與世界前沿的差距。未來船用鈦合金制備將在近凈成形技術(shù)、精密模具技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值分析和模擬技術(shù)實現(xiàn)重點研究，前景和市場十分廣闊，其應(yīng)用將帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]張文毓，鈦合金近凈成形技術(shù)研究進(jìn)展,《技術(shù)交流》, 2009.04(2).

[2]富招弟，李佐臣，黃張洪，兩種典型船用鈦合金的應(yīng)用，《材料熱處理技術(shù)》,2012.03(4).