前言

艦船材料作為海洋環境下的結構材料，必須具有良好的強度、韌性和耐海水、海洋大氣腐蝕能力。由于施工建造要求，必須具備良好的加工性和可焊接性。而鈦合金由于具有良好的耐海水腐蝕性能、高強度比和無磁性等性能，在船舶材料中具有較好的發展前景。但是鈦合金成本高、冶煉難度大，對鈦及其合金失效研究還不夠充分等問題制約了鈦合金在艦船上的發展應用。本文主要介紹鈦棒、鈦板、鈦鍛件等鈦合金的材料特性，國內外鈦合金在艦艇中的應用，分析我國船舶用鈦合金與國外的差距，并簡要論述艦船鈦合金材料的應用發展方向。

1、艦船用鈦合金材料特性

鈦合金，具有比強度高，耐蝕、耐高溫，透聲、無磁，抗彈性等優良特性。根據使用部位不同，鈦及其合金可分為：艦船殼體用鈦合金、動力工程用鈦合金和船機用鈦合金。按現有鈦合金性能特性可分為：可焊結構鈦合金、高強度鈦合金、耐熱鈦合金、特型鑄造鈦合金、耐蝕鈦合金、冷成型鈦合金等。簡要介紹一下鈦合金有關性能。

1.1鈦合金比強度高，望性好

鈦合金強度范圍變化很大，屈服強度從320MPa至1IOOMPa以上。表1為船體鋼與船用鈦合金強度、塑性比較：

表1幾種船體鋼、船用鈦合金的強度與塑性比較材料

可知，Ti75合金的比強度高于HY-130鋼，而塑性與其基本相當。

1.2 鈦合金的沖擊韌性和疲勞強度高

沖擊韌性通常由測量材料在室溫到較低溫度(如-60℃)時的脆性轉變點及沖擊功來表征材料的沖擊韌性。現有艦船鈦合金，在室溫條件下，沖擊值均大于590KJ/m2在一60℃條件下，沖擊值大于390KJ/m2，隨著溫度的下降，并無明顯的脆性轉變點。

1.3耐海水腐蝕

鈦具有較高的活性，在海洋中易被氧化而形成薄而堅固的氧化膜，具有良好的耐海水腐蝕效果。

1.4鈦合金其他物理特性

無磁性及抗核輻射。鈦及鈦合金無磁性，磁導率僅為3.2×10^-6厘米3/克。鈦的熱中子吸收截面為56×10^-28m2，在3~20×1019慢中子流輻射下，布氏硬度和屈服強度略有增加，延伸率、電阻率稍有下降，合金密度、幾何尺寸無變化。

抗沖擊震動特性沖擊震動包括高的加速度運動對設備的沖擊，外力突然施加與設備引起的沖擊等。

1.5鈦合金的缺點

1.5.1材料剛性較低，冷成型時材料回彈大，使設備制造難度大。

1.5.2焊接工藝要求高，由于鈦在400℃以上易氧化，焊接易產生氣孔及冷裂紋等缺陷。

2、鈦合金在船舶上的使用

鈦合金材料用于艦船上始于20世紀60年代。俄羅斯、鈦制耐壓殼體主要用在深海潛水器上。如制造美美國、日本及中國是最早開展鈦合金在艦船上應用研究的國家。

2.1深海潛水器

鈦制耐壓殼體主要用在深海潛水器上。如制造美國Aivin號、Sea-Cliff號深潛器的殼體； Ti-6Al-4VELI合金用于法國SM 97號、日本“深海2000”號、美國海軍深海救援艇(DSRV) 的殼體、浮力球等。我國自主設計建造的載人潛水器“蛟龍”號也由鈦合金制造。

2.2聲納導流罩[2]

鈦合金聲納導流罩綜合性能優越，應用于俄羅斯“庫爾斯克號”、“明斯克”、“基輔”等航空母艦。

2.3螺旋槳

鈦合金螺旋槳材料強度高，在海水中抗疲勞性能好、能耐沖刷和空泡腐蝕。美國海軍在水翼艇上使用直徑為1500mm、四葉可拆式鈦合金螺旋槳。

2.4艦船泵、閥及管系

由于溫度和濕度的影響，船舶上的泵、閥和管使用銅、不銹鋼制造管路，壽命只有2~5年；而鈦合金制造的各種泵等，使用壽命遠超銅或不銹鋼制品。

經過近50年的研究，我國也已獨立研制出Ti31、Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等一批具有自主知識產權的船用鈦合金。

3、制約鈦合金發展應用的因素

3.1鈦合金材料成本高，制約了其在船舶上的應用。船舶材料金屬用量大，種類多。首要的條件是成本問題131只有降低鈦合金成本才能拓展鈦合金在船舶領域的應用。

3.2鈦合金材料強度等級配套性有待提高。從表7可以看到， 我國鈦合金屈服強度從320MPa至590MPa間， 只有一個490MPa的鑄造合金和一個耐高溫海水縫隙腐蝕的特型合金，而俄羅斯在此強度內有兩個強度為390MPa、490MPa變形合金和一個強度為400MPa的

鑄造鈦合金。在尺寸和重量上，我國也與其他國家有一定的差距。俄羅斯鈦材厚度達150mm，鑄造重量2.5噸，尺寸達2.5米。我國鑄件單件重量小于800公斤，尺寸厚度也較小。

4、我國船舶鈦合金材料應用研究發展方向

開展艦船低成本鈦合金優化設計與制備基礎技術研究；低成本海綿鈦、低成本合金成分的設計與制備技術研究，開發出高性能低成本的鈦合金材料[4]。進行工程化系統研究，先進的成形技術的應用；中厚板與厚截面鍛件、鑄件的快速焊接成形及質量控制技術等。

5、結語

本文介紹了船舶鈦合金的性能特點及目前應用情況，并結合我國鈦合金的制備、鑄造和工程化運用提出相應的看法。隨著鈦合金科技的發展進步，在鈦合金冶煉技術、制造工藝和體系建設方面將會出現較大的飛躍，鈦合金材料將在船舶工業上得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]艦船材料1973年3期 p30-35。

[2]稀有金屬材料加工手冊冶金工業出版社1994

[3]鄒武裝鈦手冊化學工業出版社2012

[4]中國冶金百科全書，冶金工業出版社，北京、2001

相關鏈接