鈦具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、抗沖擊性高、耐海水腐蝕性能優(yōu)異、斷裂韌性好、疲勞強(qiáng)度高、焊接性能好、無磁、透聲性好、耐冷熱性優(yōu)異、抗放射性、減震抗噪等一系列優(yōu)點(diǎn) [1-10] ，被譽(yù)為“海洋金屬”，是一種理想的、具前景的海洋工程裝備用結(jié)構(gòu)材料。
鈦在海洋工程裝備領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件、潛艇和深潛器的耐壓殼體、管件、閥及附件等，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸，冷凝器、冷卻器、換熱器等，艦船聲吶導(dǎo)流罩、螺旋槳等 。但目前國內(nèi)仍未見有關(guān)海洋工程裝備用鈦材的選材手冊(cè)的報(bào)道，未見有關(guān)完善的海洋工程裝備用鈦及鈦合金使用評(píng)價(jià)體系的報(bào)道，這在很大程度上制約了鈦材在海洋工程裝備上的推廣使用。
本文在介紹鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國內(nèi)外形成的艦船用鈦及鈦合金體系和性能特征，論述了國內(nèi)外鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)，展望了鈦材在海洋裝備的應(yīng)用前景，以期對(duì)后續(xù)海洋工程裝備設(shè)計(jì)選材提供參考，從而大幅度加速推動(dòng)鈦材在我國海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。
1、海洋工程裝備用鈦
為確保海洋裝備的戰(zhàn)技性能和航行的絕對(duì)安全可靠性，選擇合適的裝備材料至關(guān)重要。
鈦及鈦合金幾乎具備海洋裝備材料所需的全部特性，即鈦及鈦合金的諸多優(yōu)點(diǎn)。
物理特性
①質(zhì)輕。鈦密度為4.5 g/cm3 ，僅為鋼的57.7%，在艦船領(lǐng)域應(yīng)用可減輕船體質(zhì)量、增加載重、提高航速；②熱膨脹系數(shù)低，焊接應(yīng)力小，從而使部件焊接變形量小；③無磁性，在強(qiáng)磁場(chǎng)下也不會(huì)磁化，并可防電磁干擾，使裝磁引信的水雷或魚雷失效，避免磁性雷的攻擊，從而提高水下潛艇的隱身技術(shù)水平和反偵察能力；④導(dǎo)熱率與熱傳遞速率匹 配良好，是理想的熱交換器材料；⑤透聲性好，鈦材透聲系數(shù)大于 0.85，甚至高達(dá) 0.98，是艦船聲吶導(dǎo)流罩最理想選材；⑥加工性良好，可通過多種加工方式如鑄造、軋制、鍛造、擠壓等生產(chǎn)鑄件、板材、絲材、型材、鍛件、復(fù)雜的零部件等。
力學(xué)性能
鈦及鈦合金力學(xué)性能優(yōu)異，其比強(qiáng)度高、塑性好，在?253~600 ℃ 范圍內(nèi)，它的屈強(qiáng)比和比強(qiáng)度在海洋裝備用金屬材料中最高；沖擊韌性良好，在?60~20 ℃ 范圍內(nèi)，無明顯韌-脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)；斷裂韌性較高，在 80~110 MPa·m1/2之間。疲勞強(qiáng)度高，鈦材低應(yīng)力高周疲勞均在 107周次以上。
腐蝕性能
鈦在海洋環(huán)境介質(zhì)中具有優(yōu)異耐腐蝕性能。由于鈦和氧親和力極高，在空氣或氧介質(zhì)中，鈦材表面極易快速形成一層薄、致密、堅(jiān)固的氧化膜。鈦的氧化膜具有很強(qiáng)的自愈性，當(dāng)氧化膜受到破壞或劃傷后，也會(huì)很快自愈或再生，形成新的氧化膜。這層氧化膜可使鈦材幾乎不被自然海水腐蝕。
國內(nèi)外艦船用鈦材體系
鈦材是一種優(yōu)良的艦船材料，得到了各國海軍和造船業(yè)的青睞。近五十年來，俄羅斯、美國、中國和日本等先后都建立了適用于自己的艦船用鈦及鈦合金體系。
國外艦船用鈦材體系
俄羅斯、美國是最早研究艦船用鈦及鈦合金的國家，并各自形成艦船用鈦及鈦合金體系，日本相對(duì)較晚，艦船用鈦材體系較簡單。俄、美、日各國常見的艦船用鈦及鈦合金牌號(hào)及屈服強(qiáng)度 σ 0.2 按低、中、高強(qiáng)度級(jí)別劃分見表 1 。
表1俄羅斯、美國、日本常見艦船用鈦及鈦合金牌號(hào)及屈服強(qiáng)度
| 國家 | 低強(qiáng)鈦合金 | 中強(qiáng)鈦合金 | 高強(qiáng)鈦合金 | ||||||
| 牌號(hào) | 合金成分 | σ0.2/MPa | 牌號(hào) | 合金成分 | σ0.2/MPa | 牌號(hào) | 合金成分 | σ0.2/MPa | |
| 俄羅斯 | ПT-1M | — | ≥390 | ПT-3B | Ti-4Al-2V | ≥590 | BT6 | Ti-6Al-4V | ≥850 |
| TL3 | Ti-3.5Al-0.4V | ≥440 | 37 | — | ≥690 | BT8 | Ti-6.5Al-3.3Mo-0.3Si | ≥900 | |
| ПT-7M | Ti-2Al-2.5Zr | ≥490 | 5B | — | ≥690 | BT14 | Ti-5Al-3Mo-1V | ≥900 | |
| TL5 | Ti-3.5Al-2V | ≥490 | — | — | — | 23a | — | ≥1050 | |
| 美國 | Gr1 | Cp-Ti | ≥165 | Gr.32 | Ti-5Al-1Zr-1Sn- 1V-0.8Mo-0.1Si | ≥586 | Gr.23 | Ti-6Al-4VELI | ≥795 |
| Gr2 | Cp-Ti | ≥275 | — | Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo | ≥655 | Gr.5 | Ti-6Al-4V | ≥820 | |
| Gr12 | Ti-0.3Mo-0.8Ni | ≥345 | — | — | — | Ti38644(βc) | Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr | ≥1100 | |
| Gr9 | Ti-3Al-2.5V | ≥485 | — | — | — | — | — | — | |
| 日本 | CP-Ti | — | ≥280 | — | — | — | SAT-64 | Ti-6Al-4V | ≥830 |
| — | — | — | — | — | — | SAT-64ELI | Ti-6Al-4VELI | ≥795 | |
俄羅斯艦船用鈦及鈦合金研究及應(yīng)用水平居世界前列，是最早擁有專用艦船用鈦合金體系的國家，如船體鈦合金ПT-1M，船機(jī)用鈦合金ПT-7M、3M、 37， 動(dòng) 力 工 程 用 鈦 合 金 ПT-3B、 40、 5B、23a 等。幾十年來，俄羅斯在核潛艇、常規(guī)潛艇、水面艦艇、航空母艦、深潛器等艦船領(lǐng)域都大量采用了鈦材。
美國海軍自 1963 年開始對(duì)艦船用鈦材進(jìn)行大量的工程應(yīng)用研究，主要的船用鈦及鈦合金有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等，現(xiàn)已成功將鈦材應(yīng)用于各種水面艦艇、動(dòng)力潛艇、民船等。
日本的船用鈦及鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，集中應(yīng)用于深潛器耐壓殼體、民用漁船、游船等。
國內(nèi)艦船用鈦材體系
國內(nèi)艦船用鈦材的研究始于 1962 年，五十多年來，我國從研發(fā)到應(yīng)用已逐漸形成了較完整的艦船用鈦及鈦合金體系[1-3,6-9] ，其屈服強(qiáng)度在 320~1130MPa 之間。業(yè)界通常按材料屈服強(qiáng)度大小對(duì)其分類，即屈服強(qiáng)度在 500 MPa 以下為低強(qiáng)鈦合金，500~790 MPa 為中強(qiáng)鈦合金，高于 790 MPa 為高強(qiáng)鈦合金。上述強(qiáng)度級(jí)別材料基本可滿足國內(nèi)艦船、潛艇、深潛器及深?？臻g站用結(jié)構(gòu)材料的指標(biāo)要求。現(xiàn)階段我國已制定了艦船用鈦及鈦合金板材、棒材、鍛件、無縫管材及鑄件的相關(guān)規(guī)范，具體艦船用鈦及鈦合金體系、性能、應(yīng)用及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)號(hào)見表2。
與俄羅斯、美國相比，中國艦船用鈦及鈦合金體系還不夠完善，且應(yīng)用數(shù)據(jù)較少，無準(zhǔn)確、高效的艦船用鈦材的評(píng)價(jià)體系。
表2 我國艦船用鈦及鈦合金體系、性能及應(yīng)用
| 類別 | 牌號(hào) | 合金成分 | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | KV2/J | 性能特點(diǎn) | 應(yīng)用 |
| 低強(qiáng) | TA2 | Cp-Ti | ≥400 | 275~450 | ≥25 | — | — | 成型、焊接性能好，耐海水腐蝕 | 非耐壓鑄件、冷成型件、管 路等 |
| TA3 | Cp-Ti | ≥500 | 380~550 | ≥20 | — | — | 成型、焊接性能好，耐海水腐蝕 | 非耐壓鑄件、冷成型件、管 路等 | |
| TA4 | Cp-Ti | ≥580 | 485~655 | ≥20 | — | — | 成型、焊接性能好，耐海水腐蝕 | 低強(qiáng)度承壓殼體、冷成型 件、結(jié)構(gòu)件等 | |
| Ti- 31(TA22) | Ti-3Al-1Mo-1Zr- 0.8Ni | >637 | >490 | ≥18 | ≥35 | ≥47 | 成型、焊接性好，耐180 ℃ 海水腐蝕 | 換熱器、冷凝器、泵體、管路、閥門、壓力容器、承載 焊接結(jié)構(gòu)件等 | |
| ZTA5 | Ti-4Al-0.005B | ≥590 | ≥490 | ≥10 | ≥25 | ≥24 | 鑄造性能好 | 船舶推進(jìn)、電子及輔助系統(tǒng) 的泵、閥等 | |
| 中強(qiáng) | TA18 M | Ti-3Al-2.5V | ≥620 | ≥515 | ≥15 | — | — | 冷成型性、焊接性優(yōu)異 | 艦船排氣管、噴氣偏導(dǎo)裝 置，艙蓋、艙門等 |
| TA17 | Ti-4Al-2V | 685~835 | ≥560 | ≥10 | — | — | 良好焊接性能、抗腐蝕性能、 沖擊韌性高 | 封頭、聲吶導(dǎo)流罩骨架、結(jié) 構(gòu)件等 | |
| TA5 | Ti-4Al-0.005B | ≥685 | ≥585 | ≥12 | — | — | 耐蝕、可焊性好 | 魚雷發(fā)射裝置、框架結(jié)構(gòu) 件、船舶各類機(jī)械部件等 | |
| ZTi60 | Ti-5.5Al-4Sn- 2Zr-1Mo-1.0Ta- 0.5Nd-0.5Si | ≥670 | ≥590 | ≥10 | ≥20 | ≥43 | 鑄造性能好、耐蝕、可焊 | 各種耐壓系統(tǒng)鑄件等 | |
| Ti70(TA23) | Ti-2.5Al-2Zr-1Fe | ≥700 | ≥590 | ≥10 | — | — | 耐蝕性、透聲性、冷成型、 焊接性好 | 透聲罩、聲吶導(dǎo)流罩、桅 桿、冷成型件等 | |
| Ti75(TA24) | Ti-3Al-2Mo-2Zr | ≥730 | ≥630 | ≥13 | ≥25 | — | 耐蝕性、焊接性、成型性優(yōu)異， 斷裂韌性、沖擊韌性高 | 船舶結(jié)構(gòu)、壓力容器、耐高 壓管路、推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)件等 | |
| Bti431 | Ti-5Al-3Mo-1V | ≥770 | ≥650 | ≥9 | ≥25 | — | 焊接性、鑄造性良好 | 管材結(jié)構(gòu)、緊固件、氣瓶等 耐壓罐體等 | |
| Ti91 | Ti-3Al-1V-1Zr- 1Fe | ≥700 | ≥660 | ≥20 | ≥35 | — | 冷成型性、焊接性、耐蝕性、透 聲性優(yōu)異 | 透聲罩、聲吶導(dǎo)流罩等 | |
| ZTC4 | Ti-6Al-4V | ≥835 | ≥765 | ≥5 | ≥12 | — | 抗裂紋擴(kuò)展、抗疲勞、 鑄造性能好 | 螺旋槳、可承受重載荷的殼 體等高強(qiáng)鑄件 | |
| Ti80(TA31) | Ti-6Al-3Nb-2Zr- 1Mo | ≥880 | ≥785 | ≥10 | ≥40 | — | 耐蝕、可焊 | 緊固件、結(jié)構(gòu)件、殼體等 | |
| 高強(qiáng) | TC4ELI | Ti-6Al-4VELI | ≥860 | ≥795 | ≥10 | ≥25 | ≥24 | 抗裂紋擴(kuò)展、抗疲勞、耐腐蝕、 焊接性好 | 耐壓殼體、高壓容器、結(jié)構(gòu) 件、船舶部件、緊固件等 |
| TC4 | Ti-6Al-4V | ≥895 | ≥830 | ≥10 | — | — | 抗裂紋擴(kuò)展、抗疲勞、耐腐蝕、焊接性好 | 耐壓殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、蒸汽透平機(jī)葉片、蓄電器、船 舶部件、緊固件等 | |
| TB8 | Ti-15Mo- 3Al- 2.7Nb-0.25Si | 825~1000 | 795~965 | ≥6 | — | — | 高強(qiáng)、塑性、韌性，耐蝕 | 高強(qiáng)緊固件、海水管路、彈 簧、彈射裝置等 | |
| TB9 | Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo-4Zr | — | — | — | — | — | 塑性好、強(qiáng)度和彈性高、 淬透性好、耐蝕性和抗鹽應(yīng)力 腐蝕性能優(yōu)異 | 彈簧、緊固件等 | |
| TC11 | Ti-6.5V-3.5Mo- 1.5Zr-0.3Si | ≥1010 | ≥910 | ≥8 | ≥23 | ≥24 | 高強(qiáng)、高韌、耐高溫 | 高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、低壓壓氣 機(jī)葉片及輪盤等 | |
| TiB19 | Ti-3Al-1Mo-5V- 4Cr-2Zr | ≥1175 | ≥1130 | ≥5 | ≥10 | — | 強(qiáng)度高、塑韌性好、焊接性好 | 船舶高壓容器、筒體、機(jī)械 部件等 | |
| Ti62A | Ti-6Al-2Sn-2Zr- 3Mo-1Cr-1V | ≥1010 | ≥930 | ≥9 | ≥18 | ≥20 | 高強(qiáng)、高韌、耐沖擊 | 大深度耐壓殼體、耐壓罐 體、緊固件等 | |
| 注：1)艦船用鈦合金鍛件規(guī)范 GJB 943A—2018；2)艦船用鈦及鈦合金板材規(guī)范 GJB 944A—2018；3)艦船用鈦及鈦合金棒材規(guī)范 GJB 9571—2018；4)艦船用鈦及鈦合金鑄件規(guī)范 GJB 9574—2018；5)艦船用鈦及鈦合金無縫管材規(guī)范 GJB 9579—2018。 | |||||||||
低強(qiáng)
| TA2 | Cp-Ti | ≥400 | 275~450 | ≥25 | — | — | 成型、焊接性能好，耐海水腐蝕 | 非耐壓鑄件、冷成型件、管 路等 | |
| TA3 | Cp-Ti | ≥500 | 380~550 | ≥20 | — | — | 成型、焊接性能好，耐海水腐蝕 | 非耐壓鑄件、冷成型件、管 路等 | |
| TA4 | Cp-Ti | ≥580 | 485~655 | ≥20 | — | — | 成型、焊接性能好，耐海水腐蝕 | 低強(qiáng)度承壓殼體、冷成型 件、結(jié)構(gòu)件等 | |
| Ti- 31(TA22) | Ti-3Al-1Mo-1Zr- 0.8Ni | >637 | >490 | ≥18 | ≥35 | ≥47 | 成型、焊接性好，耐180 ℃ 海水腐蝕 | 換熱器、冷凝器、泵體、管路、閥門、壓力容器、承載 焊接結(jié)構(gòu)件等 | |
| ZTA5 | Ti-4Al-0.005B | ≥590 | ≥490 | ≥10 | ≥25 | ≥24 | 鑄造性能好 | 船舶推進(jìn)、電子及輔助系統(tǒng) 的泵、閥等 | |
| 中強(qiáng) | TA18 M | Ti-3Al-2.5V | ≥620 | ≥515 | ≥15 | — | — | 冷成型性、焊接性優(yōu)異 | 艦船排氣管、噴氣偏導(dǎo)裝 置，艙蓋、艙門等 |
| TA17 | Ti-4Al-2V | 685~835 | ≥560 | ≥10 | — | — | 良好焊接性能、抗腐蝕性能、 沖擊韌性高 | 封頭、聲吶導(dǎo)流罩骨架、結(jié) 構(gòu)件等 | |
| TA5 | Ti-4Al-0.005B | ≥685 | ≥585 | ≥12 | — | — | 耐蝕、可焊性好 | 魚雷發(fā)射裝置、框架結(jié)構(gòu) 件、船舶各類機(jī)械部件等 | |
| ZTi60 | Ti-5.5Al-4Sn- 2Zr-1Mo-1.0Ta- 0.5Nd-0.5Si | ≥670 | ≥590 | ≥10 | ≥20 | ≥43 | 鑄造性能好、耐蝕、可焊 | 各種耐壓系統(tǒng)鑄件等 | |
| Ti70(TA23) | Ti-2.5Al-2Zr-1Fe | ≥700 | ≥590 | ≥10 | — | — | 耐蝕性、透聲性、冷成型、 焊接性好 | 透聲罩、聲吶導(dǎo)流罩、桅 桿、冷成型件等 | |
| Ti75(TA24) | Ti-3Al-2Mo-2Zr | ≥730 | ≥630 | ≥13 | ≥25 | — | 耐蝕性、焊接性、成型性優(yōu)異， 斷裂韌性、沖擊韌性高 | 船舶結(jié)構(gòu)、壓力容器、耐高 壓管路、推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)件等 | |
| Bti431 | Ti-5Al-3Mo-1V | ≥770 | ≥650 | ≥9 | ≥25 | — | 焊接性、鑄造性良好 | 管材結(jié)構(gòu)、緊固件、氣瓶等 耐壓罐體等 | |
| Ti91 | Ti-3Al-1V-1Zr- 1Fe | ≥700 | ≥660 | ≥20 | ≥35 | — | 冷成型性、焊接性、耐蝕性、透 聲性優(yōu)異 | 透聲罩、聲吶導(dǎo)流罩等 | |
| ZTC4 | Ti-6Al-4V | ≥835 | ≥765 | ≥5 | ≥12 | — | 抗裂紋擴(kuò)展、抗疲勞、 鑄造性能好 | 螺旋槳、可承受重載荷的殼 體等高強(qiáng)鑄件 | |
| Ti80(TA31) | Ti-6Al-3Nb-2Zr- 1Mo | ≥880 | ≥785 | ≥10 | ≥40 | — | 耐蝕、可焊 | 緊固件、結(jié)構(gòu)件、殼體等 | |
| 高強(qiáng) | TC4ELI | Ti-6Al-4VELI | ≥860 | ≥795 | ≥10 | ≥25 | ≥24 | 抗裂紋擴(kuò)展、抗疲勞、耐腐蝕、 焊接性好 | 耐壓殼體、高壓容器、結(jié)構(gòu) 件、船舶部件、緊固件等 |
| TC4 | Ti-6Al-4V | ≥895 | ≥830 | ≥10 | — | — | 抗裂紋擴(kuò)展、抗疲勞、耐腐蝕、焊接性好 | 耐壓殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、蒸汽透平機(jī)葉片、蓄電器、船 舶部件、緊固件等 | |
| TB8 | Ti-15Mo- 3Al- 2.7Nb-0.25Si | 825~1000 | 795~965 | ≥6 | — | — | 高強(qiáng)、塑性、韌性，耐蝕 | 高強(qiáng)緊固件、海水管路、彈 簧、彈射裝置等 | |
| TB9 | Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo-4Zr | — | — | — | — | — | 塑性好、強(qiáng)度和彈性高、 淬透性好、耐蝕性和抗鹽應(yīng)力 腐蝕性能優(yōu)異 | 彈簧、緊固件等 | |
| TC11 | Ti-6.5V-3.5Mo- 1.5Zr-0.3Si | ≥1010 | ≥910 | ≥8 | ≥23 | ≥24 | 高強(qiáng)、高韌、耐高溫 | 高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、低壓壓氣 機(jī)葉片及輪盤等 | |
| TiB19 | Ti-3Al-1Mo-5V- 4Cr-2Zr | ≥1175 | ≥1130 | ≥5 | ≥10 | — | 強(qiáng)度高、塑韌性好、焊接性好 | 船舶高壓容器、筒體、機(jī)械 部件等 | |
| Ti62A | Ti-6Al-2Sn-2Zr- 3Mo-1Cr-1V | ≥1010 | ≥930 | ≥9 | ≥18 | ≥20 | 高強(qiáng)、高韌、耐沖擊 | 大深度耐壓殼體、耐壓罐 體、緊固件等 | |
| 注：1)艦船用鈦合金鍛件規(guī)范 GJB 943A—2018；2)艦船用鈦及鈦合金板材規(guī)范 GJB 944A—2018；3)艦船用鈦及鈦合金棒材規(guī)范 GJB 9571—2018；4)艦船用鈦及鈦合金鑄件規(guī)范 GJB 9574—2018；5)艦船用鈦及鈦合金無縫管材規(guī)范 GJB 9579—2018。 | |||||||||
2、鈦材在海洋裝備上的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)
鈦材是海洋環(huán)境中最理想的材料，使用鈦材可使海軍艦船及裝備大大提高戰(zhàn)斗力、降低維護(hù)成本、延長使用壽命、提高隱蔽性[1,10] 。俄、美、中國海軍已將鈦材廣泛應(yīng)用于深潛器、水下潛艇、水面艦艇、艦船等裝備的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、上層建筑及其他部件等[9-11] 。
耐壓殼體
國內(nèi)外選用鈦材作為耐壓殼體的實(shí)例較多，主要用于深潛器載人球殼、潛艇殼體[11] ，具體典型應(yīng)用所選用鈦材的牌號(hào)及拉伸性能見表 3。
表 3 國內(nèi)外載人球艙和潛艇耐壓殼體材質(zhì)、制備工藝及材料性能
| 牌號(hào) | 成型、焊接工藝 | 拉伸性能 | 潛艇名稱 | 設(shè)計(jì)深度/mm | 使用年份 | ||||
| σ0.2/MPa | σb/MPa | A/% | Z/% | ||||||
| 俄羅斯 | BT6 | 瓜瓣/拼焊 手工TIG焊接 | ≥800 | ≥850 | ≥10 | ≥20 | “和平”號(hào) | 6000 | 1987 |
| 美國 | Ti-6Al-4VELI | 整半球沖壓成型 赤道縫電子束焊接 螺栓連接 | ≥760 | ≥825 | ≥8 | ≥15 | 新“阿爾文”號(hào) Triton 36000/2 | 6500 11000 | 1994 2019 |
| 法國 | Ti-6AL-4VELI | 整半球沖壓成型 螺栓連接 | ≥795 | ≥860 | ≥10 | — | “鸚鵡螺”號(hào) | 6000 | 1985 |
| 中國 | TC4 ELI | 整半球沖壓成型 赤道縫電子束焊接 | ≥795 | ≥860 | ≥10 | — | “深海勇士”號(hào) | 4500 | 2017 |
| TC4 | 瓜瓣/拼焊 手工TIG焊接 | ≥825 | ≥895 | ≥10 | — | “蛟龍”號(hào) | 7000 | 2009 | |
| 日本 | Ti-6Al-4VELI | 整半球沖壓成型 赤道縫電子束焊接 | ≥810 | — | — | — | 深海“6500”號(hào) | 6500 | 1989 |
| 俄羅斯 | ΠT-3B (對(duì)應(yīng)國內(nèi)TA17) | — | 640~835 | ≥590 | ≥9 | ≥15 | 核潛艇 | — | 1960 |
國內(nèi)外深潛器載人球殼選用鈦材牌號(hào)主要有 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI(對(duì)應(yīng)國內(nèi)牌號(hào)TC4、TC4ELI)。
很多深潛器載人球殼前期選用鋼材，但后期都采用鈦材替代，既可以減輕重量，增加下潛深度，又可以提高使用壽命。例如：①美國 Alvin 深潛器，1964 年建造時(shí)采用的是 HYl00 高強(qiáng)鋼 (板厚33.8 mm)，下潛深度為 2000 m，1973 年改建時(shí)將耐壓殼體換成鈦合金 (板厚 49 mm)，下潛深度增加到3600 m， 其 輔 助 箱 及 高 壓 氣 器 也 采 用 Ti-6Al-4VELI；②日本的“深海 2000”載人球殼采用鋼材制，后續(xù)在建造“深海 6500”時(shí)選用鈦材制備載人球殼以增加下潛深度。
在潛艇耐壓殼體應(yīng)用方面，俄羅斯最早選用鈦材，是目前世界上使用鈦材制造耐壓殼體技術(shù)最先進(jìn)最成熟的國家，其全鈦核潛艇制造選用的惟一的鈦材牌號(hào)為 IIT-3B 鈦合金 (對(duì)應(yīng)國內(nèi)牌號(hào) TA17)。近年來，國內(nèi)在建造潛艇時(shí)也更青睞于選用鈦材，牌號(hào)主要集中于 TA17、TC4、TC4ELI、TC11、純鈦等。
除此之外，目前許多國家都正在建造大深度載人潛水器和大深度全鈦武器裝備。國內(nèi)建造的“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器已于 2020 年 11 月 10 日成功挑戰(zhàn)全球海洋最深處——馬里亞納海溝，深度達(dá)10909 m，實(shí)現(xiàn)了中國人的深海夢(mèng)，該深潛器的載人球殼材料為高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，由寶鈦股份制造；國內(nèi)已開始建造全鈦的大深度裝備。
海水管路系統(tǒng)
海水管路系統(tǒng)復(fù)雜、通徑規(guī)格多，所選材料要求具有耐海水腐蝕、強(qiáng)度高、疲勞性能好等特點(diǎn)，鈦材均可滿足，采用鈦合金制造的管道較傳統(tǒng)材料(碳鋼、不銹鋼、銅合金) 優(yōu)勢(shì)顯著。
(1) 提高服役壽命，與艦船本體同壽命。俄羅斯對(duì)比研究了傳統(tǒng)材料和鈦材制造的管道系統(tǒng)服役壽命。結(jié)果表明，鈦材與艦船同壽命，只需投入一次，且在使用過程中僅需簡單維護(hù)即可；傳統(tǒng)材料服役期限約 2~10 a，服役期內(nèi)必須定期維修，甚至更換，尤其是在高速推動(dòng)環(huán)境作用下，各種接頭均會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕。美國海軍艦船應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，鈦
制管系壽命為 40 a，銅鎳合金管系壽命只有 6~8 a。
國內(nèi)開展了采用“鈦合金”替代“銅合金”制造海水管路系統(tǒng)的驗(yàn)證考核試驗(yàn)，寶鈦提供的 TA2 鈦無縫管材、配套管件和鈦法蘭在整套試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行近 3a 后，拆解檢驗(yàn)管路及配套材料，均未發(fā)現(xiàn)有裂紋、孔洞和腐蝕等異常情況。(2) 降低成本。采用鈦合金部件，雖一次投入成本較高，但一次投入即可滿足全壽命使用，使用過程中僅需簡單維護(hù)保養(yǎng)，大量節(jié)省維修和維護(hù)費(fèi)
用。美海軍艦船熱交換器用的銅鎳合金管每年大約需更換 97 km，而在 LPD17 兩棲船塢運(yùn)輸艦的 2 個(gè)海水配管系統(tǒng)上選用了 Gr.2 純鈦管材，約 1000 多個(gè)管件，總長度 3350 m 以上，全壽命期節(jié)省成本達(dá)1700萬美元。
綜上所述，鈦材在管路系統(tǒng)的使用，既可以減重、又可以實(shí)現(xiàn)與本體同壽命，同時(shí)，降低成本。
近幾年，國內(nèi)已在 022 艇等多型號(hào)海洋裝備上批量應(yīng)用。
上層建筑
目前，在國內(nèi)艦船上層建筑中也已有鈦材應(yīng)用實(shí)例，如：桅桿用 Ti70(TA23)、雷達(dá)天線用 TA5 和TA7 棒材、機(jī)庫蒙皮和框架結(jié)構(gòu)用 TA2 和 TA5 板材。美海軍在 LPD17 兩棲船塢運(yùn)輸艦的關(guān)鍵部位上層建筑區(qū)也大量使用了鈦，使其質(zhì)量減輕約 50%，大大提高了該艦的穩(wěn)定性。
其他領(lǐng)域應(yīng)用
除上述耐壓殼體、管路系統(tǒng)和上層建筑大量用鈦材外，國內(nèi)外海洋裝備上還有其他部件也有用鈦，應(yīng)用實(shí)例見表 4。
表4 國內(nèi)外海洋裝備其他部件用常見鈦材
| 序號(hào) | 用途 | 常用牌號(hào) | 產(chǎn)品類型 |
| 1 | 泵、閥 | 純鈦、ZTC4、ZTA5、ZTi60 | 鑄件 |
| 2 | 螺旋槳 | ZTC4 | 鑄件 |
| 3 | 聲吶導(dǎo)流罩、透聲罩 | Ti70、ΠT-3B | 板材 |
| 4 | 框架結(jié)構(gòu) | TA2、TA5、TC4 | 板材、型材 |
| 5 | 氣瓶、耐壓罐體 | Bti341、TC4、TC4ELI、Ti62A | 棒材、板材 |
| 6 | 冷卻器/管/水套、冷凝器等 | TA2、TA16、Ti75、Ti31 | 管材 |
| 7 | 緊固件、彈簧、銷 | TC4、TC4ELI、TC11、TB8、TB9(Ti38644) | 棒材、絲材 |
結(jié)束語
鈦合金不僅使海洋裝備實(shí)現(xiàn)向“深、大、遠(yuǎn)、高、低”的方向發(fā)展，也可完全實(shí)現(xiàn)與海洋裝備本體同壽命，是海洋裝備的最佳選材。目前，我國對(duì)鈦材在海洋裝備上的應(yīng)用也越來越重視，用鈦量也在不斷的增加。深海耐壓殼體、海水管路、氣瓶、上層建筑、框架等將成為海洋用鈦的重點(diǎn)發(fā)展方向。
現(xiàn)階段國內(nèi)外鈦材在船舶領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例較多，但相關(guān)規(guī)范中材料體系并不完善。希望相關(guān)單位組織討論并完善現(xiàn)行“鈦制壓力容器”、“材料與焊接”等相關(guān)規(guī)范中的材料體系，以便于設(shè)計(jì)人員參考。
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作者簡介：海敏娜 (1987—)，女，陜西寶雞人，工程師，碩士，2015 年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，工作于寶雞鈦業(yè)股份有限公司，主要從事與海洋裝備領(lǐng)域用鈦相關(guān)的研究。通信地址：721013 陜西省寶雞市渭濱區(qū)高新大道 88 號(hào)，E-mail：haiminna@126.com。
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