艦艇用鈦合金技術應用分析

田 非 楊雄輝

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

艦艇用鈦合金技術應用分析

田 非 楊雄輝

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

鈦合金以其高比強度、耐腐蝕性能好、透聲性好等綜合性能優越特性，越來越廣泛應用于航空航天、石油化工、船舶等行業。本文概述了艦船用鈦合金的一般特點并給出了艦船用鈦合金的類型特性，闡述了俄羅斯、美國艦船用鈦合金材料的應用發展情況；給出了國內艦船鈦合金應用現狀，并結合我國艦艇發展特點，提出了我國艦船用鈦合金發展方向以及建議，并提出了發展艦船鈦合金結構件需開展的相關工作。

艦船；鈦合金；應用

1 引言

鈦及鈦合金作為一種優秀的艦船材料，具有以下特點：

1）密度小，重量輕，在具有高比強度的同時，具有良好的韌性及抗脆性斷裂強度；

2）鈦在中性和氧化性氣氛及眾多惡劣環境中，具有比其它常用金屬高得多的耐腐蝕性能，在長期處于高溫、高濕及海水飛濺的海洋氣氛中能具有良好的抗腐蝕能力；

3）同時它還具備低磁性、透聲性能好以及抗沖擊振動、耐熱耐低溫、加工性能好等優良綜合性能。

正因為鈦及其合金具有以上諸多優點，使得鈦合金在船體結構件、潛艇耐壓殼體、管道、閥及配件、動力裝置中的推進器和推進器軸、熱交換器、冷凝器、冷卻器、聲納導流罩等領域有廣泛的應用。

鈦合金最早應用于航空工業，并于20世紀60年代開始應用于船舶行業，經過近50年的發展已形成較完備的船用鈦合金產品及配套體系。

2 國內外鈦合金材料技術發展現狀

俄羅斯、美國、中國是最早從事艦船用鈦合金材料研究的國家。

2.1 歐美國家船用鈦合金材料研究現狀

俄羅斯船用鈦合金的研究和實際應用水平居世界前列，形成490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa等強度級別的船用鈦合金系列產品，研究開發的船用鈦合金牌號有：船體用鈦合金ПT－1M，船機用鈦合金ПT－7M，動力工程用鈦合金ОT4－1B、40、5B、23а等［1］。

美國對船用鈦合金也進行了大量的工程研究，成功地將鈦合金用于潛艇、水面艦艇、民用船，主要應用的鈦合金有：Ti－0.3Mo－0.8Ni、Ti－3A1－2.5V、Ti－6Al－4V、Ti－6Al－4V ELI、Ti－6A1－2Nb－1Ta－0.8Mo、Ti－3Al－8V－6Cr－4Mo－4Zr［2］。

2.2 我國船用鈦合金材料研究進展

我國船用鈦合金工業起步于20世紀60年代，經過幾十年的發展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用鈦合金體系，且已能生產板、管、棒、餅、環、絲和鑄件等多種形式產品，能滿足不同強度級別和不同部位的要求［3］。主要船用鈦合金牌號有：Ti31、TA5、Ti75、Ti80、Ti－6AI－3Nb－1Mo合金等，能滿足水面艦艇、潛艇和深潛器的使用需求。雖然我國的船用鈦合金從強度級別到使用部位與國外有對應的合金，但品種、規格不完善，加工和制造技術與國外比也相對落后。

表1列出了常用鈦合金類型使用特性對比，從使用價格、工程通用化以及強度適用等級來考慮，α型鈦合金已滿足了造船業的使用需求，因此α型以及近α型鈦合金材料在艦船上應用較多。

表1 常用鈦合金類型特性

3 國內外艦船鈦合金應用現狀

隨著船用鈦合金技術的發展，鈦合金已廣泛應用于各型艦艇的船體結構及動力、管路等設備，應用范圍也在不斷擴大。

3.1 俄羅斯艦船鈦合金應用現狀

幾十年來，俄羅斯在核潛艇、水面艦船、常規潛艇、航空母艦、深潛器中都大量采用了鈦材，如圖1所示為前蘇聯1968年12月下水的K166號全鈦殼體核潛艇。該艇應用了大量的鈦合金板材、管材、鍛件，其結構殼體、管路系統以及大量裝置和機器設備均用鈦合金制造。經過近40年航行并承受不同的載荷和海洋環境變化，各種裝置及設備均未出現重大問題［4］。

圖1 K166核潛艇

俄羅斯“阿爾法”級核潛艇耐壓殼體也是用鈦合金制造的，其鈦合金用量達3 000 t；俄“臺風”級戰略核潛艇鈦合金用量達9 000 t，首艇水下排水量為26 500 t。俄羅斯同樣在深潛器上也大量使用了鈦合金［5］。鈦合金由于透聲性能好，被大量應用在聲納系統中，國外許多大型戰斗艦艇如俄羅斯現代級，其聲納導流罩采用鈦合金制造。

俄羅斯除了在潛艇耐壓殼體結構上使用鈦合金，在其破冰船的核動力裝置中也大量使用了鈦及鈦合金；同時針對鈦合金耐腐蝕的優點，鈦合金管道、閥門、泵、熱交換器等也在艦艇設計中大量采用。

3.2 美國艦船鈦合金應用現狀

在美國，鈦合金也大量應用于各類動力的潛艇、水面艦艇、民用船舶的耐壓殼體、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。

通過前期開展的相關研究工作，美國海軍也計劃在CVN－78中部分采用鈦合金結構，并計劃在開工建造之前做好較低成本的Ti合金部件的技術準備工作［6］。但目前存在的主要問題是部件制造成本較高以及船廠缺乏制造經驗等，其設計部門正在開展鈦合金的焊接及其制造工藝 （彎曲和成型）等關鍵技術研究工作。

盡管鈦合金管系的前期投入比Cu－Ni合金材料管系高，但美國還是在LPD－17船的海水管系設計中選用了鈦合金管路及閥門［7］，Avondale公司采用手工或自動GTAW（鎢極氬弧焊）方法來制造鈦合金材料管系，并使用特殊機械來完成管道接頭焊接，并在焊接過程中嚴格控制層間溫度；焊接時還嚴格控制所使用的填充金屬材料，同時將填充金屬材料的端部時刻處于氬氣的良好保護之中，以避免空氣中雜質的污染，同時采用超聲波、硬度計來評定焊縫質量等級。

3.3 我國艦船鈦合金應用現狀

在我國，鈦合金在艦船應用領域也非常廣，包括船體結構、推進系統、電力系統、電子信息系統、輔助系統到特種裝置等。

近十年來，我國在深潛器用鈦合金、聲納導流罩用鈦合金等專用結構及其合金的應用研究中，取得較大的進步。我國自行研制生產、下潛深度達7 000 m的載人深潛器，其主要結構均采用鈦合金制造；新型鈦合金球鼻艏目前已經應用，該高性能鈦合金球鼻艏具有強度高、剛性好、透聲性能優異、內部噪音低、質量可靠、維修費用低等優點，受到專家的高度評價，填補了國內高性能鈦合金球鼻艏研制的空白。同時針對鈦合金透聲性能好的優點，在試驗船上采用了舷側鈦合金透聲窗結構，并成功解決了大型平面薄壁鈦合金結構的焊接縱向收縮和平面扭曲失穩變形、大面積鈦合金雙曲面成形、鈦合金與鋼結構連接部分的結構水密性和電絕緣、焊接過程密封橡膠的隔熱等關鍵技術，圖2為該試驗船舷側陣鈦合金透聲窗外觀。

圖2 某型試驗船鈦合金舷側陣透聲窗外觀

此外鈦合金也應用在鞭狀天線、潛望鏡部件及雷達天線支座、各類熱交換器、冷卻器、管系、泵、閥等部位，同時在聲吶導流罩、聲掃雷具以及螺旋槳等部位也應用了鈦合金，均取得較好的效果。

4 我國鈦合金在艦船上的發展方向

針對國內外艦艇用鈦合金材料應用、發展現狀，在此提出了我國鈦合金材料在艦艇上應用方向，如下：

1）全鈦合金船體是艦艇船體結構的一個重要發展方向。鑒于我國目前無相關的實際建造經驗，可開展全鈦合金艦艇的研究設計工作，例如：

a）針對鈦合金高比強度，開展全鈦合金高速、超高速戰斗艦艇的設計、建造方法研究；

b）針對鈦合金低磁性的特點，開展全鈦合金掃雷艇的設計、建造方法研究。

2）潛艇的下潛深度及航行性能直接影響其生存能力及海上作戰性能。正是由于鈦合金具有優異的綜合性能，故潛艇的耐壓殼體、魚雷艙等部位是鈦合金材料發展方向之一，通過降低鈦材成本，開發新工藝、新技術，加快鈦合金在大潛深潛艇的大量應用。

3）由于全壽命期間費用低于目前采用的動力及管路系統用材料，鈦合金材料在動力及管路系統的大量應用將成為我國艦艇工業發展趨勢。通過開發特殊性能、高強度鈦合金材料并進行新工藝、新技術研究，擴大鈦合金在各種高溫、高壓、耐腐蝕管路及熱交換器、海水淡化器、冷卻器、冷凝器等設備的應用。

4）通過開發新材料并結合結構設計技術如超塑性成型工藝［8］，將鈦合金運用于艦船防護結構中。如美國西北大學開發出氮化鈦顆粒強化的Blast Alloy 160，其抗拉強度達1 100 MPa，在低達－40℃低溫下任能保持較好塑性，該多層桁架板材結構能起到關鍵部位的爆炸防護作用［9］。

5 后期需開展的工作

鑒于以上分析，可以看出我國船用鈦合金的生產與船舶產品的建造工藝技術已基本成熟，但鈦合金材料在艦艇上的使用過程中也發現了一些問題，制約了艦船用鈦合金的進一步使用，為此今后還需開展以下幾個方面的研究工作：

1）開展特殊性能鈦合金研究工作，研制高強度鈦合金；

2）開展大厚板以及配套焊材的新工藝、新技術研究，解決焊接等制造技術方面的問題并改進其性能及工藝，使其滿足艦船用要求；

3）在不明顯降低其強度及韌性指標的情況下，通過工藝，降低鈦及鈦合金成本，從而有助于鈦及鈦合金在艦船上的推廣應用；

4）我國鈦合金產品工程化程度不高且材料成熟度不高，無批量化生產，從而造成工作不深入、不系統，不能形成全套的工藝文件和檢驗技術文件。可通過加大投入，進行應用研究，以加速艦船用鈦合金工程化應用進程；

5）開展大型模擬件實驗驗證工作，研究鈦合金結構設計及計算、工藝性能分析、壽命及失效模式分析以及產品質量檢測等相關技術，為裝備的制造、使用提供指導性文件。

6）由于我國目前無全船鈦合金設計、建造經驗，建議開展全船鈦合金的實船驗證工作。

［1］ 孫建科，孟祥軍，陳春和，等.我國船用鈦合金研究、應用及發展［J］.金屬學報，2002，38（21）：33-36.

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［3］ 陳軍，趙永慶，常輝.中國船用鈦合金的研究和發展［J］.材料導報，2005，19（6）：67-70.

［4］ 周佳宇，哈軍.鈦合金材料在艦船管系上的應用［J］.材料開發與應用，2006，21（3）：40-42.

［5］ 寧興龍.俄羅斯艦船用鈦［J］.鈦工業進展，2003（6）：28-31.

［6］ 姚潤剛.新材料技術對CVN－21航空母艦的有利影響［J］.艦船工程研究，2007（3）：11-17.

［7］ Zhao Feng（趙 峰）et al.Rare Metal Material and Engineering［J］.稀有金屬材料與工程，2005，34（S）：346.

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［9］ 楊英惠.抗沖擊波鋼可防止海軍艦只船體損壞［J］.現代材料動態，2005（6）：7-9.

Application of Titanium Alloys in Ship Building

Tian Fei Yang Xiong－hui
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Due to the advantages of high strength－to－weight ratio，anticorrosion and sound transmission，titanium and its alloys are widely used in many fields such as aerospace and aircraft，petroleum and chemistry，and ship building.This paper summarizes the major features and types of those titanium alloys that are applicable to build ships，reviews the advancement and development in Russia and the U.S.Besides，the current usage of such alloys in China is presented.Considering the developing characteristics of ship in China，the trend of employing titanium alloys is predicted，suggestions are made，and related works are proposed as to how to use such alloys for ship building.

ship；titanium alloy；application

U668.2

A

1673－3185（2009）03－77－04

2008-05-15

田 非（1977－），男，助理工程師，碩士。研究方向：艦船結構設計。E-mail：tianfei0008＠163.com

楊雄輝（1969－），男，高級工程師。研究方向：艦船結構設計