我國創新研制的主要船用鈦合金及其應用

趙永慶

(西北有色金屬研究院, 陜西 西安, 710016)

1 前 言

鈦合金因密度小、比強度高、耐海水腐蝕及海洋大氣腐蝕、無磁、透聲、抗沖擊震動、可加工性好等綜合性能而成為理想的船用金屬結構材料。鈦及鈦合金在艦船中的使用大大延長了設備的使用壽命，減輕了重量，減少了設備，提高了整體艦船的技術戰術性能。

到目前為止，世界上只有俄羅斯、美國和中國進行專門的船用鈦合金研究，并有自己的船用鈦合金體系。俄羅斯船用鈦合金的研究和實際應用水平居世界前列，擁有490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa強度級別的系列船用鈦合金。為便于設計選材，俄羅斯把船用鈦合金按其在船舶上的用途分類，如船體用鈦合金ПТ-1M，船舶機械用鈦合金ПТ-7M、ПТ3、3M、37，船舶動力工程用鈦合金40、ПТ-3B、5B、37、23等。但這種分類對于設計選材也不方便，如船舶機械用鈦合金ПТ-7M，多用于核動力裝置一回路設備，動力工程用的ПТ-3B，也用于船舶球鼻艏。美國海軍于1950年開始注意到鈦及鈦合金用于艦船工業的可能性，1963年開始進行大量的工程化研究，成功地將鈦用于各類動力的航母、潛艇、水面艇、民用船。主要應用的合金有：純鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。鈦合金主要用于耐壓殼體、海水管路系統、冷凝器和熱交換器、排風扇的葉片、推進器和軸、彈簧、航母上的消防設備等。

中國船用鈦合金的研究與應用始于20世紀60年代，幾十年來，船用鈦合金的研究及應用水平有了很大提高，已形成較完整的船用鈦合金系列，能滿足不同船只和艦艇等對不同強度級別的要求并適用于其不同部位。我國船用鈦合金體系，屈服強度從320 MPa～1 100 MPa，變化范圍大。屈服強度從320 MPa～490 MPa為低強鈦合金，主要有TA2、Ti31、ZTA5等；屈服強度從590 MPa～785 MPa為中強鈦合金，主要有TA5、ZTi60、Ti75、Ti80等；屈服強度在800 MPa以上為高強鈦合金，主要有TC4、TC11、Ti-B19等。本文針對我國創新研制的主要船用鈦合金Ti31、Ti75、Ti-B19、Ti91、Ti70、Ti80等做了簡要介紹, 同時也簡要介紹了可能用于海洋工程的其他創新研制的鈦合金。

2 Ti31合金

鈦的熱中子吸收截面為56×10-28m2，大約是鋯的30倍、鉿的1/2。鈦合金的核性能也比較穩定，在3～20×10-19慢中子流輻射下，布氏硬度、屈服強度略有增加，延伸率、電阻率略有下降，但沖擊韌性沒有改變，合金的密度及產品的尺寸形狀均無改變。這種穩定的核性能及其他優異性能使Ti31合金在核動力裝置中的高溫高壓、常溫常壓部位使用[1-2]。

Ti31合金是西北有色金屬研究院“七五”、“八五”期間自行設計研制的新型耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆Ti-Al-Zr-Mo-Ni系鈦合金[1]，洛陽725所負責該合金的應用研究。該合金集中了多種鈦合金的優點，與同等強度的其他鈦合金相比，具有高的塑韌性、中溫熱強性、高溫持久性、良好的耐蝕性及可焊性；可采用常規鍛造、擠壓、軋制、冷成型等方法加工成各種板、棒、鍛件、管和餅等產品，合金可在300 ℃～400 ℃的高溫環境下使用。

Ti31合金性能如表1所示。合金板材、鍛件、管材典型的力學性能為：Rm>590 MPa,Rp0.2>490 MPa,A>16%,Z>35%,ak≥59 J/cm2。Ti31強度約為純鈦的1.5倍，但工藝塑性與純鈦相當，具有良好的彎曲、壓扁、擴口性能。采用2d(d：管子直徑)和2t(t：管子壁厚)彎心，管材及板材彎曲可達180°；采用60°錐頭，管材擴口量大于50%；最小壓扁板間距可達4.5t不出現裂紋。在反復塑性應變中合金不發生循環軟化現象。耐海水腐蝕性能優異：在榆林港天然海水全浸腐蝕速率為0 mm/a，在180±5 ℃以下天然海水介質中無縫隙腐蝕，動海水腐蝕(流速為3 m/s)腐蝕率為0 mm/a，與船體鋼電偶腐蝕效果為1.25。焊接性能良好，焊接接頭Rm>590 MPa,ak≥58.8 J/cm2, 焊接系數大于0.9。應用的產品有板、棒、餅及管材和各種功能的機加件，如法蘭、異徑三通管、管座等，使用的環境有高溫氯化物、高溫海水、常溫高速海水，用該合金制造各類熱交換器、管路、泵體、閥門等，并取得了成功應用。“九五”之后，開展了該合金的工業化生產。Ti31合金已成功用于余熱排出冷卻器，它是我國首臺全鈦合金焊接結構管式換熱器，是一回路余熱排出系統的主要設備。

表1 Ti31合金主要性能Table 1 The main mechanical properties of Ti31 alloy

3 Ti75合金

Ti75合金是西北有色金屬研究院在“七五”、“八五”期間自行設計研制的中強耐高溫耐腐蝕抗氫脆Ti-Al-Zr-Mo系鈦合金[3]，洛陽725所負責該合金的應用研究。Ti75合金強度、塑韌性、耐蝕性、加工性能等綜合性能優于TA5，它是動力裝置設備、船舶焊接結構件的重要材料[1]。合金性能如表2所示。其板材、棒材、鍛件等的典型力學性能為：Rm>730 MPa,Rp0.2>630 MPa,A>13%,Z>25%,KIC≥80 MPa·m1/2,ak≥580 kJ/m2,KISCC≥75 MPa·m1/2。Ti75合金耐海水腐蝕性優異：海水浸泡腐蝕、縫隙腐蝕、動海水腐蝕(流速為3 m/s)腐蝕速率為0 mm/a；與船體鋼電偶腐蝕效果為1.33。焊接性能：焊接系數大于0.9。

與TA5鈦合金相比，Ti75合金在保證良好的綜合性能前提下，強度高出50 MPa，沖擊韌性和斷裂韌性是TA5的1.4倍和1.2倍，KISCC為TA5的2倍，并且具有比TA5合金優異的冷、熱加工性、低的雜質敏感性。該合金填補了國內730 MPa級船用鈦合金空白，達到國際先進水平。目前已能夠批量生產Ti75合金的板材、棒材、管材、環材、鍛餅、絲材、鑄件以及寬厚板和大環鍛件，也已試制成功Ti75合金外徑為φ650 mm的無縫彎管和φ350 mm的無縫直管等。

表2 Ti75合金典型產品及性能Table 2 Typical products and main mechanical properties of Ti75 alloy

由Ti75合金制作的零部件已成功應用于某工程的往復式鹽水泵、通海系統、海水四通、接管和舷側雙座雙球閥閥桿等，并且已有15個Ti75合金零件于1993年安裝到某艇上進行裝艇使用，正常運行至今。Ti75合金在艇上的成功應用，開創了鈦合金在某潛艇二回路系統中實艇應用的先例，綜合水平居20世紀90年代國際領先水平。目前, Ti75合金已被指定用于某工程,是我國主要的一種船用耐蝕鈦合金。Ti75合金也已用于制作我國永磁推進電機所需的鈦合金轉子支架(直徑約3 m，壁厚約100 mm)。

4 Ti-B19合金

“九五”期間，西北有色金屬研究院設計、研制成功一種新型高強高韌耐蝕鈦合金——近β鈦合金Ti-B19[4]，

洛陽725所為該合金的應用研究單位。Ti-B19合金具有較高的強度，良好的塑性，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，可生產各種規格的棒、板、絲、餅等，并且焊接性能、工藝性能良好。“九五”期間完成高強鈦合金Ti-B19筒體的研制，并通過了壓力試驗，其筒體尺寸為：φ450/φ215×2 008 mm，主要力學性能達標，它是我國當前高強β鈦合金最大的鍛件。

Ti-B19合金在600 ℃、3.5%NaCl溶液中無腐蝕發生，腐蝕率為0 mm/a。在10 m/s流速下，沖刷腐蝕率為2.9×10-4mm/a, 具有良好的抗沖刷性能。Ti-B19合金在3.5%NaCl溶液中的應力腐蝕斷裂韌性KISCC為69 MPa·m1/2，KISCC/KIC≥0.8。Ti-B19 合金的典型力學性能如表3所示。

表3 Ti-B19 合金典型力學性能Table 3 Typical mechanical properties of Ti-B19 alloy

5 Ti91和 Ti70 合金

由于海水中聲波比光波、無線電波、電磁波的衰減小，人們將聲納作為探測和搜索的工具。一般將船舶聲納安裝在流線型聲納導流罩內，其目的是減小艦船運動時產生的水動力噪音，保證水聲設備有效和正常工作，從而提高聲納的作用距離。聲納導流罩必須有良好的透聲性能，使水聲信號通過時只有很小的損耗和畸變。另外，聲納導流罩又是船體的一部分，它必須有足夠的強度和剛度，以經受得住艦船航行時作用在它上面的流體壓力。制作導流罩的材料要求具有中等強度(Rm≥700 MPa)、良好的塑性(A≥20%)、冷成型性、易焊接、耐海水腐蝕、透聲等特點，并適合于各種冷成型產品的加工和生產。

聲納導流罩材料包括不銹鋼、玻璃鋼、橡膠、鈦合金等。我國現役海軍在役艦艇聲納導流罩所選用的殼板透聲材料基本有兩種：一種是不銹鋼，另一種是纖維增強的復合材料——玻璃鋼。俄羅斯過去也選用玻璃鋼，但后來大多采用近α鈦合金ПТ-3B，并取得了良好的效果。

我國于20世紀90年代開始研制聲納導流罩鈦合金。目前，我國有兩種聲納導流罩鈦合金：近α的Ti91[5]和Ti70[2]合金，合金分別屬于Ti-Al-Fe系和Ti-Al-Fe-Zr系。兩種合金均已軋制成4×900～1 000×Lmm和6×900～1 000×Lmm板材。

Ti91鈦合金是西北有色金屬研究院于1994年開始設計、研制的一種新型中強透聲近α型鈦合金[5]。眾所周知，純鈦和β鈦合金冷成型性良好，但純鈦的拉伸性能較低，而β鈦合金的合金元素則較多，需添加成本較高的中間合金，且加工成本也高于α鈦合金，使合金總體成本高。另外，β鈦合金的焊接性能不如α型鈦合金。因此兩種類型合金均不能滿足要求。由于β穩定元素Fe的加入，使Ti91合金的加工性能得到改善，同時也為通過熱處理調整性能提供了有利條件。該合金具有中等強度、高的塑性、良好的透聲性能、冷成形性能、可焊性及耐海水腐蝕等性能的良好匹配，明顯優于船用TA5鈦合金。

Ti91合金典型的性能如表4所示。關鍵力學性能達到Rm≥700 MPa,A≥20%；在60 ℃海水中浸泡，均勻腐蝕率≤0.001 mm/a；冷成型性：R/t≤2.5。Ti91合金與其他鈦合金的強度、塑性、冷彎性等性能綜合比較，Ti91合金綜合性能明顯優于等強度合金TC1和TA5。Ti91合金焊接接頭性能達到基材的0.9。合金聲學性能良好：1～4 mm厚度板材的透聲系數大于96%。

Ti70合金是Ti-2.5Al-2Zr-1Fe系近α鈦合金[2]。板材力學性能：Rm>700 MPa,Rp0.2>600 MPa,A>20%。耐海水腐蝕性：在60 ℃海水中浸泡均勻腐蝕率為0 mm/a。焊接性能：Rm>630 MPa，D=7 a，冷彎角180°。與船體鋼電偶腐蝕效果為1.43。成功研制了Ti70透聲鈦合金實船鈦合金聲納導流罩，并已成功應用于多條水面艦艇。

表4 Ti91 合金主要性能Table 4 The main mechanical properties of Ti91 alloy

6 Ti80合金

Ti80合金是上海鋼研所于20世紀80年代研制的一種新型的Ti-6.0Al-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo系近α鈦合金[2]，具有高強、高韌、可焊、耐蝕等綜合性能，主要用于深潛器和艦船的耐壓殼體。其配套焊絲為Ti531合金，成份為Ti-5Al-3Nb-0.5Mo。Ti80已進行工業性試驗，軋制出22×1 000 mm及48×2 400×2 700 mm板材。Ti80合金的拉伸性能、斷裂韌性與Ti-6Al-4V ELI的對比如表5所示。合金采用焊接+熱處理焊接工藝可使接頭性能達到焊接系數0.9，焊接性優于Ti-6Al-4V ELI。Ti80合金主要用于大通徑壓力管道及承受較大載荷的結構件中, 如法蘭、承壓結構的耐壓殼體、耐高壓管路、緊固件、鑄件等，是目前較多使用的船用鈦合金之一。

表5 Ti80合金與Ti-6Al-4V ELI的拉伸性能、斷裂韌性的對比(厚30～48 mm板)Table 5 Comparison between Ti80 and Ti-6Al-4V ELI alloys for tensile properties and fracture toughness (plate：thickness 30～80 mm)

7 其它有可能用于海洋工程的創新研制的鈦合金

7.1 中強高韌損傷容限型鈦合金TC4-DT

TC4-DT是針對航空長壽命結構件研發的一種中強高韌損傷容限型鈦合金[6-7]，物理性能和力學性能與TC4 ELI一致，差異主要在于合金成分的控制、鍛造工藝及熱處理工藝。TC4 ELI是海洋工程用鈦合金的一種重要選擇，在美國艦船上已獲得成功應用。中國研制的TC4-DT合金已在我國航空飛機上獲得成功應用，也應獲得海洋工程方面的應用。表6為TC4-DT合金不同規格棒材的力學性能，不同規格棒材的性能穩定，一致性好[8]。同時該合金具有良好的工藝性能和焊接性能。

TC4-DT由西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院在2005年研制成功，之后得到高度重視和快速發展。TC4-DT合金研制規模已由2005年的1 t鑄錠擴大到2009年的5 t以上規模鑄錠，西部超導公司已成功批量生產出TC4-DT合金φ200～φ500 mm棒材，也已試制成功φ600 mm超大規格棒材。同時，西部鈦業公司也研制出TC4-DT合金40～100×2 500×Lmm的厚板和1～10×1 500×Lmm的薄板，合金板材的性能達到技術指標要求。

表6 TC4-DT合金不同規格棒材的力學性能Table 6 The mechanical properties of TC4-DT alloy bars with different size

7.2 高強高韌損傷容限型鈦合金TC21

TC21合金是我國研制的第一個高強高韌損傷容限型鈦合金，由西北有色金屬研究院于2003年研制成功[9-10]，北京航空材料研究院負責該合金的應用研究。2005年以后得到高度重視和快速發展。TC21合金研制規模已由2005年的1 t鑄錠擴大到2009年的5 t以上規模鑄錠，研制的合金棒材有φ20 mm、φ90 mm、φ130 mm、φ180 mm、φ300 mm、φ500 mm，目前西部超導公司已能批量生產TC21合金φ300 mm以上大規格棒材。TC21合金棒材的典型性能如表7所示，合金不同規格棒材的性能穩定，一致性好[8]。同時，也試制出TC21合金厚度為2 mm和12 mm的板材。

TC21合金已成功應用于我國航空飛機，在海洋工程方面可用于要求屈服強度為1 000 MPa的承力結構件，該合金在具有高強度、高韌性同時，還具有良好的焊接性能。

表7 TC21合金不同規格棒材的力學性能Table 7 The mechanical properties of TC21 alloy bars with different size

7.3 超高強鈦合金Ti-1300

Ti-1300是西北有色金屬研究院在2005年研制成功的一種1 350 MPa級別的新型超高強鈦合金[11-12]。合金研制的規模已達到1 000 kg鑄錠，研制的棒材規格已由φ20 mm擴大至φ200 mm。棒材的典型性能見表8，不同規格棒材的性能穩定。該合金制造的零部件已在航空、航天等部門獲得應用，在海洋工程方面，Ti-1300可用于要求屈服強度為1 200 MPa的鈦合金承力結構件。

表8 Ti-1300合金不同規格棒材的力學性能Table 8 The mechanical properties of Ti-1300 alloy bars with different size

7.4 CT20低溫鈦合金

西北有色金屬研究院根據航天火箭發動機管路系統的需求，自主開發了一種Ti-Al-Mo-Zr系近α型中強低溫CT20鈦合金[13]。表9為CT20合金室溫和20 K下的力學性能，該合金具有優良的超低溫物理性能，減少了熱量傳遞，改善熱漏，替代鋼制管路后可減輕1/3重量。CT20合金制造的液氫管路用彎管、接管嘴、連接法蘭等零部件，已被組裝到發動機上進行試車試驗并獲得成功，獲得了實際應用，發動機管路重量減輕約1/3，提高了發動機的性能。該合金同時具有良好的工藝性能和焊接性能。西北有色金屬研究院先后生產了CT20鈦合金管材、棒材、絲材幾十噸，并且制造出了CT20鈦合金螺旋彎管、異徑三通和直角三通等復雜產品，增加了該合金產品的品種。CT20鈦合金在海洋工程方面應有較好的應用前景。

7.5 定量設計的超高強鈦合金

以往，鈦合金成分設計主要采用經驗方法、Al當量、Mo當量及電子濃度理論進行定性設計。近幾年在發明鈦合金定量設計方法[14-17]的基礎上，針對兩個不同強度級別要求的目標合金，開展定量計算，定量設計了兩種合金成分。針對定量設計的兩種新合金, 按照鈦合金制備的常規方法，采用0級海綿鈦、Al-Mo、Al-V、Al-Sn等中間合金及原子能級Zr、高純電解Cr，Fe等，采用真空自耗電弧熔煉方法，制備了25 kg鑄錠。經鑄錠開坯鍛造及棒材軋制后得到φ22 mm的棒材，熱處理后測試了合金的室溫力學性能。性能測試結果如表10所示，可以看出，設計合金的強度準確度超過98%，延伸率準確度超過93%。這說明兩種新合金(Ti-1500、Ti-1600)的合金成分定量設計是成功的。

表9 CT20合金4種規格棒材室溫及20 K下拉伸性能和沖擊性能Table 9 The mechanical properties of CT20 alloy bars with different size

在海洋工程領域，新合金可用于要求屈服強度1 300 MPa的承力結構件。

表10 定量設計的兩種合金試驗驗證的力學性能Table 10 The mechanical properties of two quantitative designed titanium alloys

8 結 語

艦船用鈦合金是我國鈦合金研究開發的重要方向之一。經過近50年的努力，創新研制的船用鈦合金和仿制的船用鈦合金已形成我國船用鈦合金體系，利用我國鈦合金工業化生產設備，可以生產出鈦合金板、管、棒、餅、環、絲和鑄件等產品, 通過研究合金的物理、力學性能，為艦船及海洋工程構件的設計、制造和使用提供了依據。創新研制的部分鈦合金在艦船上已裝艇使用，為擴大鈦合金在海洋工程方面的應用奠定了基礎，同時可以推廣針對航空、航天等研制的鈦合金到艦船上應用，為艦船應用選材提供更寬廣的材料基礎。

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