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工程材料

钛及钛合金在船舶制造中的应用

时间:2016-10-16 20:29:09   作者:未知   来源:网络文摘   阅读:168   评论:0

  船舶的服役环境为苛刻的海洋性气候,由于长时间接触海水,船体及其设备、构件(如高温排气管、海水阀和泵、螺旋桨等)很容易被腐蚀,对其采取防护措施又极其繁琐和困难,因此就对船舶用材料提出了特殊的技术性要求:①耐海水腐蚀性好。②高、低温环境下稳定性好。③安全可靠,大承载、维修少或维修便捷,弯曲、焊接等可加工性好。

 

1.钛及钛合金作为船舶用材料的优点

 

  钛及钛合金以其自身具备的优良特性,几乎满足船舶用材料的全部要求,堪称一种接近完美的船舶用材料。其优点如下:

 

  (1)质轻,比强度高。钛的密度为4.5g/cm3,比铝2.7g/cm3的密度高,比铁7.9g/cm3的密度低,仅为铁的57%。钛的密度虽比铝大不到2倍,但是强度是铝的3倍。在工业工程应用中,选取比强度高的金属时,钛合金可作为首选材料。同种条件下,用钛制造的深潜器下潜深度可达万米,而钢制深潜器下潜深度远远达不到。此外,钛磁性为零,在任何强度的磁场中都不会受到干扰,因此在海上作战时,采用水雷、鱼雷等磁性雷攻击武器,对于钛合金制造的船体外壳毫无攻击性,具有较好的反监护作用,这一特性深受军事工程应用的青睐。

 

  (2)海洋性气候环境下的耐腐蚀性好。当钛合金处于空气和一些含氧介质中时,由于钛和氧具有较强的亲和力,表面能迅速形成一层致密、附着力强和稳定性好的氧化膜,在很多介质中不易被破坏,从而对钛基体起到保护作用。有研究表明:无论是在全浸区、潮差区、飞溅区还是海洋性气候环境下,钛及钛合金分别在南海、北海、东海三个水域16年的腐蚀速率几乎接近零。因此船舶采用钛合金制造一方面可以延长使用寿命,另一方面可以减少后期由于表面发生腐蚀而采取防护处理等的费用。

 

  (3)优异的综合性能。钛合金可进行冷热成形、自由锻造、挤压及焊接等各种加工,具有良好的加工适应性。资料研究表明,钛合金在-60~20℃范围内进行冲击韧性试验,本身不存在脆性转变点。此外,与铝合金和钢铁相比,钛合金的耐热、耐低温性能和断裂韧性最好。

 

2.钛合金在船舶中的应用现状

 

  目前,对船用钛合金进行专门研究并形成体系的国家主要有俄罗斯、美国、日本和中国。附表所示为国内外船舶上用钛部位及常采用的合金。

 

国内外船舶上用钛部位及常采用的合金

钛及钛合金在船舶制造中的应用

 

  俄罗斯是世界上最早对钛合金在船舶上的应用进行研究的国家,拥有可供工程应用参考(有关设计、选材和工艺等)的成套体系文件。前苏联专家通过“帕帕”级全钛合金巡航导弹试验艇向世界展示了采用钛合金制造攻击型核潜艇的可行性。此后,俄罗斯相继研究制造了“梭鱼”级和“秃鹰”级钛合金潜艇。对俄罗斯船用钛合金进行梳理发现:俄罗斯船用钛合金牌号多、成分简单,多注重合金系列与应用设计的统筹研究。

 

  美国最先对航空用钛合金进行研究,后来在航空用钛合金的基础上,根据船舶服役环境,形成了船用钛合金体系,并成功地将钛合金应用于各种动力的潜艇、海水管路系统及深潜器的耐压壳体等,如Aivin号、Sea-Cliff号深潜器等。美国船用钛合金牌号不及俄罗斯多,更重视应用如耐蚀性能的提高等研究。

 

  日本对船用钛合金的研究应用发展迅速,目前主要应用的牌号有纯钛、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4VELI,主要应用于深潜器的耐压壳体、配管等。

 

  我国最早于1962年对船舶用钛合金进行研究开发。经过数十年的发展,研究、制造水平均有了很大提高,已从最初的仿制国外牌号合金,到现在的自主研发船用钛合金体系,如TA2、TA5、Ti31、TiB19、Ti70和Ti631等。目前,由中船重工725所与宝鸡钛业、701所共同研制的Ti70合金已成功应用在船舶导流罩上。其中值得骄傲的是,我国高温钛铝合金材料于2016年6月20日取得重大跨域性突破,其寿命优于美国1~2个数量级。

 

3.我国钛合金在船舶中应用的发展趋势

 

  与发达国家相比,我国的船用钛合金研究、应用均存在一定的差距。目前,我国船舶用钛量占总质量的比例还不足1%,而俄罗斯船舶用钛量已接近18%。随着我国蓝色海洋战略的提出,海洋工程装备势必得到大力发展,那么被称作“海洋金属”的钛合金也将迎来快速发展期。下面主要从5个方面对钛合金在船舶中的应用发展趋势进行阐述:

 

  (1)我国船用钛合金体系虽然已形成,但是在船用钛合金设计、选材和工艺等方面间的有效协调合作机制还不完善,材料评价标准比较缺乏,造成目前的应用水平处于分散、零星状态,因此我们要整合现有资源,完善并优化钛合金性能;建立系统的船用钛合金评价体系和数据库,促进其在船舶上稳定、高效地使用。

 

  (2)研究开发新的技术和工艺,并将计算机信息模拟技术逐渐推广应用,尽量缩短制造周期,提高成材率。如3D打印技术、激光快速成形技术等。

 

  (3)各行业人员改变对钛合金高成本、高投入的观念。近十年来,从原材料价格分析来看,海绵钛的价格处于较低期,为钛合金市场的扩大提供了保障。按传统材料的服役周期为2~10年计算,在苛刻的海洋性气候环境下,服役期间的传统材料必须进行防腐处理、维修,甚至更换,后期费用将大大增加。而钛合金只需要进行简单维护即可。此外,还可以通过以下途径降低钛及钛合金的生产成本,来扩大其在船舶行业的应用:①探索新的钛提炼方法,或者通过添加一定量生产过程中的残料,实现资源二次利用,并降低原材料成本。②设计新型合金时尽量使用低价格合金元素,研制低成本合金等。

 

  (4)由于船用结构件多为焊接件,一般尺寸较大,因此开发船用结构件相关的焊接工艺技术与焊接材料就显得尤为重要。

 

  (5)目前国内生产的钛粉多为中低档产品,不能满足高端客户要求,高质量钛粉仍需进口,大大增加了成本价格。应组建专家团队对此项技术进行攻关,自主研发高质量钛粉。

 

4.结语

 

  随着科学技术的飞速发展,钛合金成本逐渐降低,在国家一系列政策的推动下,钛及钛合金在船舶中的应用显现出设备的轻量化、高速度及高的安全可靠性等诸多优势,船用钛合金必将迎来快速的发展。

 

本文发表于《金属加工(冷加工)》2016年第19期40-41页

作者:中国船舶重工集团公司第七二五研究所夏申琳等


标签:钛合金 

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