鈦合金及其在船舶領域的應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上鈦合金及其在船舶領域的應用船舶121 金偉摘要:在海洋環(huán)境測驗下,鈦及鈦合金有著非常廣闊的前景,也是船舶建造工業(yè)合適的材料.鈦合金應用,船舶建造工業(yè)領域鈦合金研究的發(fā)展,以及其前景發(fā)展將在本論文中。關鍵詞：鈦，船舶，應用，前景。 人類在陸地上活動發(fā)展至今， 面臨著人口劇增、 資源枯竭、 能源危機、 環(huán)境惡化等基本問題。而海洋占地球表面積的71%， 蘊藏著豐富的礦藏和能源， 因此海洋空間與資源不僅是世界軍事和經濟競爭日益激烈的重要領域， 而且將成為人類賴以生存、 社會藉以發(fā)展的戰(zhàn)略空間和基地。大力開發(fā)海洋是人類的必然選擇， 海洋在21世紀及未來必將成為激烈的國際競爭場所

2、。我國有18 000 km海岸線， 有300萬km 2 的專屬管轄海域， 資源豐富。因此開發(fā)海洋關系到國家經濟、 社會的發(fā)展， 關系到國家主權和權益， 是21世紀我國面臨的重大課題。隨著海洋意識的覺醒， 我國也開始并不斷重視海洋開發(fā)。十六大提出了 “實施海洋開發(fā)” ； 十七大五中全會把發(fā)展海洋經濟提高到國家戰(zhàn)略的高度； 十八大指出 “提高海洋資源開發(fā)能力， 發(fā)展海洋經濟， 保護海洋生態(tài)環(huán)境， 堅決維護國家海洋權益， 建設海洋強國” ， 并將海洋作為未來陸、 海、 空、 天四大戰(zhàn)略空間的首位。船舶是人類認知海洋、 開發(fā)海洋、 利用海洋、 維護海洋權益的基礎裝備與手段， 船舶技術對世界市場的形成、

3、 國際貿易的增長、 工業(yè)化的拓展、 刺激科學技術 （特別是軍事技術） 的發(fā)展， 起到了重要的牽引作用。因此， 我國要實現 “建設海洋強國” 的目的， 增強控制海洋、 維護海洋權益和疆土完整的綜合制海能力及開發(fā)利用海洋空間的能力， 必須大力發(fā)展先進船舶技術和材料。鈦及鈦合金具有重量輕、 比強度高、 耐蝕、 無磁、 透聲、 抗沖擊等特性， 尤其是在如海水、 海洋那樣的氯化物氣氛中具有優(yōu)異的耐蝕性。在船舶上應用可以減少艦船的維修成本和壽命周期成本， 減輕船體的重量、 增加有效載荷、 提高艦船的可靠性和戰(zhàn)術性， 是船舶工業(yè)的理想材料。11 鈦及鈦合金作為造船材料的優(yōu)點1.1 質輕， 比強度高比強度是指

4、材料強度與密度的比值。比強度越大， 以相同強度設計就能獲得更小的結構重量，反之相同結構質量下就能獲得更高的強度。根據需要， 就可實現減重或減體積。如表1 ， 在常用金屬材料中， 鈦及鈦合金具有最高的比強度， 這對實現船舶工業(yè)具有重要的意義， 如用鈦制造的潛艇， 不僅重量輕、 航速高、 攻擊力強， 而且可以潛入更大的深度。鈦制潛艇， 可潛入到4 500 m以下， 這是鋼制潛艇無法逾越的界限 2 1.2 耐蝕性好鈦在中性和氧化性氣氛及眾多惡劣環(huán)境中具有比其他常用金屬材料高得多的耐腐蝕性， 特別是對氯離子具有很強的抗腐蝕能力， 在海水中具有完全耐腐蝕的能力。用鈦制造軍艦、 輪船， 不用涂漆，在海水中

5、航行幾年也不會生銹， 能避免涂油漆等產生的維修費用和船舶自重， 使用年限長。1.3 無磁性鈦不是鐵磁體物質， 在很強的磁場中也不會被磁化， 因此鈦制外殼的艦艇不易被對方磁探儀發(fā)現， 可使裝磁引信的水雷或魚雷失效， 可以避免磁性雷的攻擊， 具有很好的反監(jiān)護作用， 這在軍事上特別重要。 1.4 優(yōu)良的耐熱和耐低溫性能鈦的耐熱性和耐低溫性能良好。目前的熱強鈦合金最高使用溫度可達500 600 ， 結構鈦合金的使用溫度也可達到300 400 ， 同其它輕質材料如鋁、 鎂合金比較， 在300 時， 鈦的強度要高1個數量級， 而超過400 ， 鋁、 鎂合金已喪失工作能力， 而鈦合金卻能繼續(xù)保持足夠的使用強

6、度， 具有明顯的性能優(yōu)勢。鈦的耐低溫能力很突出， 采用低間隙元素的鈦合金可以耐-253 的低溫， 在此溫度下， 合金強度比室溫提高了1倍, 而塑性則保持室溫狀態(tài)下的水平。 由于鈦及其合金具有的以上優(yōu)良特性， 使其成為海洋工程， 尤其是海洋軍事工程中的重要材料，在艦船領域大有潛力可為。 鈦管與其它冷凝器管材腐蝕性能的相對比較3腐蝕種類 鈦 海軍黃銅 鋁黃銅全面腐 6 2 3沖蝕 6 2 2孔蝕 6 4 4應力腐蝕 6 1 1Cl -1 腐蝕 6 3 5NH 3 浸蝕 6 2 2 注： 數字表示相對耐腐蝕性， 6為最優(yōu)， 1為最差。2 船舶用鈦的要求及部位2.1 船舶用鈦的要求 由于使用環(huán)境和工況

7、不同， 船舶用鈦的要求有： （1） 良好的機械性能、 中強、 高韌、 低周疲勞性能好； （2） 良好的加工性能， 可焊性好、 成形性好、 機加工性好； （3） 良好的耐海水腐蝕性能； （4） 注重利用鈦合金的無磁性、 透聲性； （5） 產品批量小、 品種多、規(guī)格大， 幾乎含蓋了鈦合金的所有產品類型： 鑄件、鍛件、 板材、 管材、 棒材、 絲材等 。2.2 船舶用鈦的部位鈦及其合金在艦船領域的主要應用有： 耐壓殼體、 船體結構、 管道、 閥及配件、 動力驅動裝置、 熱交換器、 冷卻器/冷凝器、 聲吶導流罩等。船舶上用鈦部位及采用的合金。4 我國艦船用鈦合金除了一般的工業(yè)合金 TA5、TA7 等外

8、， 還進行了專門的船用合金的研究。研制出了具有不同強度級別的近 型船用耐蝕鈦合金，包括 TA22 (Ti- 3Al- 1Zr- 1Mo- 1Ni)、 TA23 (Ti- 2 5Al-2Zr- 1Fe)、 TA24 (Ti- 3Al- 2Mo- 2Zr) 和 TA31 (Ti- 6Al-3Nb- 2Zr- 1Mo)及近 型鈦合金 Ti- B19。TA22 合金集中等強度、 高的塑性、 良好的易加工性和成型性、 優(yōu)異的耐蝕性、 可焊性于一體， 適于鍛造、 軋制、 拉伸等加工， 產品形式多樣化， 可加工成板材、 棒材、 管材、 鍛件、 型材和絲材等形式， 同時還具有良好的工藝性， 在艦船、 化工、

9、海洋工程等領域獲得較廣泛的應用。TA23 合金是我國研制旳聲吶導流罩用的鈦合金。該合金具有中等強度， 高的塑性， 良好的透聲性能， 冷、 熱成型性能優(yōu)異， 還具有很好的焊接性能。TA23 鈦合金生產的半成品有板材、 棒材等。TA24 為 730MPa 級的中強鈦合金，其主要性能特點是比 TA5 高的使用強度和很好的工藝塑性。該合金還具有良好的焊接性能和耐腐蝕性能。TA24鈦合金最適合制造形狀復雜的板材沖壓及焊接的零部件， 在艦船行業(yè)已得了廣泛應用。TA31 是一種高強、 可焊的 型鈦合金， 其拉伸性能、 斷裂韌性、 應力腐蝕抗力和低周疲勞性能均優(yōu)于 Ti- 6Al- 4VELI。主要用于深潛器

10、和艦船的耐壓殼體， 已進行工業(yè)性試驗。Ti- B19 合金是一種高強高韌耐蝕近 鈦合金，具有較高的強度、 良好塑性、 較高的斷裂韌性、 可焊性及耐海水腐蝕、 沖刷腐蝕和應力腐蝕等綜合性能。該合金具有良好的加工性， 可生產各種規(guī)格的棒、板、 絲、 餅等， 并且焊接性能、 工藝性能良好。53 世界各國船舶工業(yè)用鈦概況鈦合金用于艦船工業(yè)始于上世紀60年代， 目前美國、 俄羅斯、 日本、 中國、 英國、 法國和德國等國家均有廣泛應用。3.1 國外船舶用鈦情況俄羅斯在船用鈦合金的研究和實際應用方面是全世界最先進的， 擁有專門的船用鈦合金體系，已形成系列強度級別的船用鈦合金產品。有船體用鈦合金-1， 船機

11、用-7， 動力裝置用鈦合金4-1和-3等， 強度級別 （ b ） 分別為 490MPa、 585MPa、 700MPa、 835MPa， 各種規(guī)格材的生產工藝成熟。 美國對艦船用鈦合金也進行了大量的工程研究， 成功地將鈦用于各種動力的潛艇、 水面艇、 民用船的耐壓殼體、 海水管路系統、 冷凝器和熱交換器、 排風扇的葉片、 推進器、 彈簧以及消防設備。 日本船用鈦合金主要有純鈦、 Ti-6Al-4V （ELI）等， 應用于民用漁船、 深潛器的耐壓殼體等。1981年開始的系列深海潛水調查船 “深海2000” 、 “深海4000” 、 “深海6500” 的外殼骨架、 均壓容器、 配管等采用了鈦合金，

12、 目的是為了增加下潛深度。 3.2 中國船舶用鈦情況我國船用鈦合金的研究與應用始于60年代， 幾乎與國外同步發(fā)展。幾十年來， 船用鈦合金的研究及應用水平有了很大提高， 已經形成了較完整的船用 鈦 合 金 系 列 包 括 635MPa、 685MPa、 730MPa、785MPa強度級別的合金。 “蛟龍?zhí)枴?深潛器的耐壓殼體就是TC4鈦合金。PVC, 鈦合金但與國外相比, 我國船用鈦合金的應用還有較大的差距： 應用部位少、 用量少， 國外用鈦達到13%， 我國僅在一些零星部件上應用， 比例不足1%。品種、 規(guī)格不完善， 我國之前鈦材在專業(yè)化工廠生產， 受裝備能力限制， 生產的品種、 規(guī)格有限，“

13、蛟龍?zhí)枴?所需的鈦合金也只能從俄羅斯進口。加工與制造技術也相對落后。涉及到鈦合金的材料規(guī)格有: 鑄件、 鍛件、 板材、 棒材、 管材、 絲材; 涉及到的鈦合金制備工藝有: 鑄造工藝、 鍛造工藝、 焊接工藝、 冷成型工藝、 熱成型工藝、 熱處理工藝、 機械加工工藝、 表面處理工藝、 異種金屬絕緣處理工藝等。4 前景展望近年來， 為了提高我國海軍裝備水平， 國家對艦船領域的投資開始增加， 許多新項目正在研制之中，比如潛艇、 新型驅逐艦等， 其用鈦量潛力巨大。鈦及其合金作為理想的艦船用材料， 預計未來市場前景十分廣闊， 船舶制造業(yè)有望成為繼航空航天領域之后鈦的又一個較大的應用市場。參考文獻:1王懷柳. 鈦及鈦合金在船舶工業(yè)的應用現狀及發(fā)展. 特鋼技術.第19卷 總第77期,201