国家 | 低强钛合金 | 中强钛合金 | 高强钛合金 | ||||||
牌号 | 合金成分 | σ0.2/MPa | 牌号 | 合金成分 | σ0.2/MPa | 牌号 | 合金成分 | σ0.2/MPa | |
俄 罗 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 | |
美国 | 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 |
分享:浅析钛及钛合金在海洋装备上的应用
- 摘要: 钛及钛合金在海洋工程装备领域应用非常广泛,如船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件、动力驱动装置中的推进器、冷凝器、冷却器、换热器、舰船声呐导流罩、螺旋桨等。本文在介绍钛及钛合金在海洋装备领域应用特点的基础上,总结了目前国内外形成的舰船用钛及钛合金体系和性能特征,分析了国内外钛及钛合金在海洋装备领域的应用现状及优势,展望了钛材在海洋装备的应用前景,以期对后续海洋工程装备设计选材提供参考,从而大幅度加速推动钛材在我国海洋装备领域的应用
钛具有质轻、比强度高、抗冲击性高、耐海水腐蚀性能优异、断裂韧性好、疲劳强度高、焊接性能好、无磁、透声性好、耐冷热性优异、抗放射性、减震抗噪等一系列优点[1-10],被誉为“海洋金属”,是一种理想的、具前景的海洋工程装备用结构材料。
钛在海洋工程装备领域应用非常广泛,如船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件等,动力驱动装置中的推进器和推进器轴,冷凝器、冷却器、换热器等,舰船声呐导流罩、螺旋桨等[2-7]。但目前国内仍未见有关海洋工程装备用钛材的选材手册的报道,未见有关完善的海洋工程装备用钛及钛合金使用评价体系的报道,这在很大程度上制约了钛材在海洋工程装备上的推广使用。
本文在介绍钛及钛合金在海洋装备领域应用特点的基础上,总结了目前国内外形成的舰船用钛及钛合金体系和性能特征,论述了国内外钛及钛合金在海洋装备领域的应用现状及优势,展望了钛材在海洋装备的应用前景,以期对后续海洋工程装备设计选材提供参考,从而大幅度加速推动钛材在我国海洋装备领域的应用。
1. 海洋工程装备用钛
为确保海洋装备的战技性能和航行的绝对安全可靠性,选择合适的装备材料至关重要。
钛及钛合金几乎具备海洋装备材料所需的全部特性,即钛及钛合金的诸多优点。
1.1 物理特性
①质轻。钛密度为4.5 g/cm3,仅为钢的57.7%,在舰船领域应用可减轻船体质量、增加载重、提高航速;②热膨胀系数低,焊接应力小,从而使部件焊接变形量小;③无磁性,在强磁场下也不会磁化,并可防电磁干扰,使装磁引信的水雷或鱼雷失效,避免磁性雷的攻击,从而提高水下潜艇的隐身技术水平和反侦察能力;④导热率与热传递速率匹配良好,是理想的热交换器材料;⑤透声性好,钛材透声系数大于0.85,甚至高达0.98,是舰船声呐导流罩最理想选材;⑥加工性良好,可通过多种加工方式如铸造、轧制、锻造、挤压等生产铸件、板材、丝材、型材、锻件、复杂的零部件等。
1.2 力学性能
钛及钛合金力学性能优异,其比强度高、塑性好,在−253~600 ℃范围内,它的屈强比和比强度在海洋装备用金属材料中最高;冲击韧性良好,在−60~20 ℃范围内,无明显韧-脆转变点;断裂韧性较高,在80~110 MPa·m1/2之间[2-3]。疲劳强度高,钛材低应力高周疲劳均在107周次以上。
1.3 腐蚀性能
钛在海洋环境介质中具有优异耐腐蚀性能。由于钛和氧亲和力极高,在空气或氧介质中,钛材表面极易快速形成一层薄、致密、坚固的氧化膜。钛的氧化膜具有很强的自愈性,当氧化膜受到破坏或划伤后,也会很快自愈或再生,形成新的氧化膜。这层氧化膜可使钛材几乎不被自然海水腐蚀。
2. 国内外舰船用钛材体系
钛材是一种优良的舰船材料,得到了各国海军和造船业的青睐。近五十年来,俄罗斯、美国、中国和日本等先后都建立了适用于自己的舰船用钛及钛合金体系。
2.1 国外舰船用钛材体系
俄罗斯、美国是最早研究舰船用钛及钛合金的国家,并各自形成舰船用钛及钛合金体系,日本相对较晚,舰船用钛材体系较简单。俄、美、日各国常见的舰船用钛及钛合金牌号及屈服强度σ0.2按低、中、高强度级别划分见表1[1-3,6-10]。
俄罗斯舰船用钛及钛合金研究及应用水平居世界前列,是最早拥有专用舰船用钛合金体系的国家,如船体钛合金ПT-1M,船机用钛合金ПT-7M、3M、37,动力工程用钛合金ПT-3B、40、5B、23a等。几十年来,俄罗斯在核潜艇、常规潜艇、水面舰艇、航空母舰、深潜器等舰船领域都大量采用了钛材。
美国海军自1963年开始对舰船用钛材进行大量的工程应用研究,主要的船用钛及钛合金有纯钛、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,现已成功将钛材应用于各种水面舰艇、动力潜艇、民船等。
日本的船用钛及钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI,集中应用于深潜器耐压壳体、民用渔船、游船等。
2.2 国内舰船用钛材体系
国内舰船用钛材的研究始于1962年,五十多年来,我国从研发到应用已逐渐形成了较完整的舰船用钛及钛合金体系[1-3,6-9],其屈服强度在320~1130 MPa之间。业界通常按材料屈服强度大小对其分类,即屈服强度在500 MPa以下为低强钛合金,500~790 MPa为中强钛合金,高于790 MPa为高强钛合金。上述强度级别材料基本可满足国内舰船、潜艇、深潜器及深海空间站用结构材料的指标要求。现阶段我国已制定了舰船用钛及钛合金板材、棒材、锻件、无缝管材及铸件的相关规范,具体舰船用钛及钛合金体系、性能、应用及规范标准号见表2。
类别 | 牌号 | 合金成分 | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% | KV2/J | 性能特点 | 应用 |
低强 | TA2 | Cp-Ti | ≥400 | 275~450 | ≥25 | — | — | 成型、焊接性能好,耐海水腐蚀 | 非耐压铸件、冷成型件、管路等 |
TA3 | Cp-Ti | ≥500 | 380~550 | ≥20 | — | — | 成型、焊接性能好,耐海水腐蚀 | 非耐压铸件、冷成型件、管路等 | |
TA4 | Cp-Ti | ≥580 | 485~655 | ≥20 | — | — | 成型、焊接性能好,耐海水腐蚀 | 低强度承压壳体、冷成型件、结构件等 | |
Ti-31(TA22) | Ti-3Al-1Mo-1Zr-0.8Ni | >637 | >490 | ≥18 | ≥35 | ≥47 |
成型、焊接性好,耐180 ℃ 海水腐蚀 |
换热器、冷凝器、泵体、管路、阀门、压力容器、承载焊接结构件等 | |
ZTA5 | Ti-4Al-0.005B | ≥590 | ≥490 | ≥10 | ≥25 | ≥24 | 铸造性能好 | 船舶推进、电子及辅助系统的泵、阀等 | |
中强 | TA18 M | Ti-3Al-2.5V | ≥620 | ≥515 | ≥15 | — | — | 冷成型性、焊接性优异 | 舰船排气管、喷气偏导装置,舱盖、舱门等 |
TA17 | Ti-4Al-2V | 685~835 | ≥560 | ≥10 | — | — |
良好焊接性能、抗腐蚀性能、 冲击韧性高 |
封头、声呐导流罩骨架、结构件等 | |
TA5 | Ti-4Al-0.005B | ≥685 | ≥585 | ≥12 | — | — | 耐蚀、可焊性好 | 鱼雷发射装置、框架结构件、船舶各类机械部件等 | |
ZTi60 | Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-1.0Ta-0.5Nd-0.5Si | ≥670 | ≥590 | ≥10 | ≥20 | ≥43 | 铸造性能好、耐蚀、可焊 | 各种耐压系统铸件等 | |
Ti70(TA23) | Ti-2.5Al-2Zr-1Fe | ≥700 | ≥590 | ≥10 | — | — |
耐蚀性、透声性、冷成型、 焊接性好 |
透声罩、声呐导流罩、桅杆、冷成型件等 | |
Ti75(TA24) | Ti-3Al-2Mo-2Zr | ≥730 | ≥630 | ≥13 | ≥25 | — | 耐蚀性、焊接性、成型性优异,断裂韧性、冲击韧性高 | 船舶结构、压力容器、耐高压管路、推进系统构件等 | |
Bti431 | Ti-5Al-3Mo-1V | ≥770 | ≥650 | ≥9 | ≥25 | — | 焊接性、铸造性良好 | 管材结构、紧固件、气瓶等耐压罐体等 | |
Ti91 | Ti-3Al-1V-1Zr-1Fe | ≥700 | ≥660 | ≥20 | ≥35 | — | 冷成型性、焊接性、耐蚀性、透声性优异 | 透声罩、声呐导流罩等 | |
ZTC4 | Ti-6Al-4V | ≥835 | ≥765 | ≥5 | ≥12 | — |
抗裂纹扩展、抗疲劳、 铸造性能好 |
螺旋桨、可承受重载荷的壳体等高强铸件 | |
Ti80(TA31) | Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo | ≥880 | ≥785 | ≥10 | ≥40 | — | 耐蚀、可焊 | 紧固件、结构件、壳体等 | |
高强 | TC4ELI | Ti-6Al-4VELI | ≥860 | ≥795 | ≥10 | ≥25 | ≥24 | 抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、焊接性好 | 耐压壳体、高压容器、结构件、船舶部件、紧固件等 |
TC4 | Ti-6Al-4V | ≥895 | ≥830 | ≥10 | — | — | 抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、焊接性好 | 耐压壳体、发动机外壳、蒸汽透平机叶片、蓄电器、船舶部件、紧固件等 | |
TB8 | Ti-15Mo- 3Al-2.7Nb-0.25Si | 825~1000 | 795~965 | ≥6 | — | — | 高强、塑性、韧性,耐蚀 | 高强紧固件、海水管路、弹簧、弹射装置等 | |
TB9 | Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr | — | — | — | — | — |
塑性好、强度和弹性高、 淬透性好、耐蚀性和抗盐应力 腐蚀性能优异 |
弹簧、紧固件等 | |
TC11 | Ti-6.5V-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si | ≥1010 | ≥910 | ≥8 | ≥23 | ≥24 | 高强、高韧、耐高温 | 高压压气机转子、低压压气机叶片及轮盘等 | |
TiB19 | Ti-3Al-1Mo-5V-4Cr-2Zr | ≥1175 | ≥1130 | ≥5 | ≥10 | — | 强度高、塑韧性好、焊接性好 | 船舶高压容器、筒体、机械部件等 | |
Ti62A | Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-1V | ≥1010 | ≥930 | ≥9 | ≥18 | ≥20 | 高强、高韧、耐冲击 | 大深度耐压壳体、耐压罐体、紧固件等 | |
注:1)舰船用钛合金锻件规范 GJB 943A—2018;2)舰船用钛及钛合金板材规范 GJB 944A—2018;3)舰船用钛及钛合金棒材规范 GJB 9571—2018;4)舰船用钛及钛合金铸件规范 GJB 9574—2018;5)舰船用钛及钛合金无缝管材规范 GJB 9579—2018。 |
与俄罗斯、美国相比,中国舰船用钛及钛合金体系还不够完善,且应用数据较少,无准确、高效的舰船用钛材的评价体系。
3. 钛材在海洋装备上的应用现状及优势
钛材是海洋环境中最理想的材料,使用钛材可使海军舰船及装备大大提高战斗力、降低维护成本、延长使用寿命、提高隐蔽性[1,10]。俄、美、中国海军已将钛材广泛应用于深潜器、水下潜艇、水面舰艇、舰船等装备的耐压壳体、海水管路系统、上层建筑及其他部件等[9-11]。
3.1 耐压壳体
国内外选用钛材作为耐压壳体的实例较多,主要用于深潜器载人球壳、潜艇壳体[11],具体典型应用所选用钛材的牌号及拉伸性能见表3。
国家 | 牌号 | 成型、焊接工艺 | 拉伸性能 | 潜艇名称 | 设计深度/mm |
使用 年份 |
|||
σ0.2/MPa | σb/MPa | A/% | Z/% | ||||||
俄罗斯 | BT6 |
瓜瓣/拼焊 手工TIG焊接 |
≥800 | ≥850 | ≥10 | ≥20 | “和平”号 | 6000 | 1987 |
美国 | Ti-6Al-4VELI |
整半球冲压成型 赤道缝电子束焊接 螺栓连接 |
≥760 | ≥825 | ≥8 | ≥15 |
新“阿尔文”号 Triton 36000/2 |
6500 11000 |
1994 2019 |
法国 | Ti-6AL-4VELI |
整半球冲压成型 螺栓连接 |
≥795 | ≥860 | ≥10 | — | “鹦鹉螺”号 | 6000 | 1985 |
中国 | TC4 ELI |
整半球冲压成型 赤道缝电子束焊接 |
≥795 | ≥860 | ≥10 | — | “深海勇士”号 | 4500 | 2017 |
TC4 |
瓜瓣/拼焊 手工TIG焊接 |
≥825 | ≥895 | ≥10 | — | “蛟龙”号 | 7000 | 2009 | |
日本 | Ti-6Al-4VELI |
整半球冲压成型 赤道缝电子束焊接 |
≥810 | — | — | — | 深海“6500”号 | 6500 | 1989 |
俄罗斯 |
ΠT-3B (对应国内TA17) |
— | 640~835 | ≥590 | ≥9 | ≥15 | 核潜艇 | — | 1960 |
国内外深潜器载人球壳选用钛材牌号主要有Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI(对应国内牌号TC4、TC4ELI)。很多深潜器载人球壳前期选用钢材,但后期都采用钛材替代,既可以减轻重量,增加下潜深度,又可以提高使用寿命。例如:①美国Alvin深潜器,1964年建造时采用的是HYl00高强钢(板厚33.8 mm),下潜深度为2000 m,1973年改建时将耐压壳体换成钛合金(板厚49 mm),下潜深度增加到3600 m,其辅助箱及高压气器也采用Ti-6Al-4VELI;②日本的“深海2000”载人球壳采用钢材制备,后续在建造“深海6500”时选用钛材制备载人球壳以增加下潜深度。
在潜艇耐压壳体应用方面,俄罗斯最早选用钛材,是目前世界上使用钛材制造耐压壳体技术最先进最成熟的国家,其全钛核潜艇制造选用的惟一的钛材牌号为IIT-3B钛合金(对应国内牌号TA17)。近年来,国内在建造潜艇时也更青睐于选用钛材,牌号主要集中于TA17、TC4、TC4ELI、TC11、纯钛等。
除此之外,目前许多国家都正在建造大深度载人潜水器和大深度全钛武器装备。国内建造的“奋斗者”号全海深载人潜水器已于2020年11月10日成功挑战全球海洋最深处——马里亚纳海沟,深度达10909 m,实现了中国人的深海梦,该深潜器的载人球壳材料为高强高韧损伤容限型钛合金,由宝钛股份制造;国内已开始建造全钛的大深度装备。
3.2 海水管路系统
海水管路系统复杂、通径规格多,所选材料要求具有耐海水腐蚀、强度高、疲劳性能好等特点,钛材均可满足,采用钛合金制造的管道较传统材料(碳钢、不锈钢、铜合金)优势显著[1,9-10]。
(1)提高服役寿命,与舰船本体同寿命。俄罗斯对比研究了传统材料和钛材制造的管道系统服役寿命。结果表明,钛材与舰船同寿命,只需投入一次,且在使用过程中仅需简单维护即可;传统材料服役期限约2~10 a,服役期内必须定期维修,甚至更换,尤其是在高速推动环境作用下,各种接头均会产生局部腐蚀。美国海军舰船应用数据显示,钛制管系寿命为40 a,铜镍合金管系寿命只有6~8 a。国内开展了采用“钛合金”替代“铜合金”制造海水管路系统的验证考核试验,宝钛提供的TA2钛无缝管材、配套管件和钛法兰在整套试验系统运行近3 a后,拆解检验管路及配套材料,均未发现有裂纹、孔洞和腐蚀等异常情况。
(2)降低成本。采用钛合金部件,虽一次投入成本较高,但一次投入即可满足全寿命使用,使用过程中仅需简单维护保养,大量节省维修和维护费用。美海军舰船热交换器用的铜镍合金管每年大约需更换97 km,而在LPD17两栖船坞运输舰的2个主海水配管系统上选用了Gr.2纯钛管材,约1000多个管件,总长度3350 m以上,全寿命期节省成本达1700万美元。
综上所述,钛材在管路系统的使用,既可以减重、又可以实现与本体同寿命,同时,降低成本。近几年,国内已在022艇等多型号海洋装备上批量应用。
3.3 上层建筑
目前,在国内舰船上层建筑中也已有钛材应用实例,如:桅杆用Ti70(TA23)、雷达天线用TA5和TA7棒材、机库蒙皮和框架结构用TA2和TA5板材。
美海军在LPD17两栖船坞运输舰的关键部位上层建筑区也大量使用了钛,使其质量减轻约50%,大大提高了该舰的稳定性[10]。
3.4 其他领域应用
除上述耐压壳体、管路系统和上层建筑大量用钛材外,国内外海洋装备上还有其他部件也有用钛,应用实例见表4。
序号 | 用途 | 常用牌号 | 产品类型 |
1 | 泵、阀 | 纯钛、ZTC4、ZTA5、ZTi60 | 铸件 |
2 | 螺旋桨 | ZTC4 | 铸件 |
3 | 声呐导流罩、透声罩 | Ti70、ΠT-3B | 板材 |
4 | 框架结构 | TA2、TA5、TC4 | 板材、型材 |
5 | 气瓶、耐压罐体 | Bti341、TC4、TC4ELI、Ti62A | 棒材、板材 |
6 | 冷却器/管/水套、冷凝器等 | TA2、TA16、Ti75、Ti31 | 管材 |
7 | 紧固件、弹簧、销 | TC4、TC4ELI、TC11、TB8、TB9(Ti38644) | 棒材、丝材 |
4. 结束语
钛合金不仅使海洋装备实现向“深、大、远、高、低”的方向发展,也可完全实现与海洋装备本体同寿命,是海洋装备的最佳选材[11-14]。目前,我国对钛材在海洋装备上的应用也越来越重视,用钛量也在不断的增加。深海耐压壳体、海水管路、气瓶、上层建筑、框架等将成为海洋用钛的重点发展方向。
现阶段国内外钛材在船舶领域应用实例较多,但相关规范中材料体系并不完善。希望相关单位组织讨论并完善现行“钛制压力容器”、“材料与焊接”等相关规范中的材料体系,以便于设计人员参考。
来源:金属世界