船用鈦合金材料焊接中的常見問題與對策

肖偉星

（大連航運職業技術學院，遼寧 大連 116041）

鈦合金材料不但機械性能優良，強度范圍寬，物理性能獨特，而且結構的有效性和強度比都很高，耐腐蝕性能和抗沖擊性能都非常優良。在船舶上有效應用鈦合金材料，能夠將有效性和可靠性得到有效提升，維護和維修的費用減少，從而使增載和減重得以實現。

1 我國船用鈦合金材料的應用現狀

21世紀以后，我國在鈦合金的應用發展很快。結合船舶整體設計的要求，生產和研究各材料的企業與船重工專業材料研究所密切配合，以及研究船用鈦合金的應用成果有機地結合，將焊接工藝技術的難題和整體制備有效地進行解決，將船用鈦合金裝備成功地進行了開發，并成功地進行多項應用。

最近幾年，我國在應用鈦合金結構制造方面已經有了很大的進步。另外，將鈦合金在鞭狀天線、回路系統排污，還有潛望鏡部件、安全設備、各類冷卻器、熱交換器等相關部位進行應用，效果都非常好，還將記憶合金管接頭NiTiNb進行了研制，并且已通過工程應用的考核。鈦合金應用系統是典型代表。

1.1 鈦合金排出余熱冷卻器

采用的高韌合金管Ti31、中強、各種規格鍛件以及板成型以后，通過組焊將鈦合金排出余熱冷卻器制備而成。

1.2 鈦合金的特點

鈦合金既具有無磁和高比強度以及高電阻率的特點，又具有很強的耐海水腐蝕的性能。

1.3 鈦合金泵和閥以及管系

船舶上泵和閥以及管材在海水中長期工作，條件相對比較惡劣，有效運用鈦合金進行制造，具有非常好的效果。當前已經將許多種鈦合金管系制造出來，在排煙系統和通海系統中進行應用。

1.4 船用燃氣機系統

為了提升發動機的出口溫度，與壓比相適應，高壓燃氣機的1～7級輪盤和低壓燃氣機的0～8級輪盤，運用鈦合金TC11進行制造，燃氣機輪機裝機的試車考核已經通過，取得了非常好的效果，并已正式應用。運用鈦合金TC11制造動葉片，高壓燃氣機8．9級動葉片耐壓水平和長壽命的要求都很高，采用鈦合金BT8；夾板運用鈦合金TC6；底架運用鈦合金BT14，在燃氣機輪機上也已經應用鈦合金。

1.5 鈦合金雷達天線支座和天線以及雷達基座

為了解決海水腐蝕雷達天線系統的問題，雷達天線支座和基座利用鈦合金制造，有效利用鈦合金高質量管材將雷達天線制造，已經在船舶上成功地應用，不但將海水腐蝕的問題解決了，而且，還將船的重量減輕了，技術性能也有效地提升了。

1.6 鈦合金聲納導流罩

鈦合金Ti70既可冷成型，又具有很好的透聲性能，已經攻克組焊和雙曲成型等相關的技術難題，將鈦合金聲納導流罩成功研制，并且已經得到進一步應用。

1.7 鈦合金螺旋槳和緊固件

鈦合金抗縫隙腐蝕性能和抗空泡剝蝕性能都非常強，是最好的選擇材料。1972年，我國開始對水翼快艇螺旋槳進行研制，各種鈦合螺旋槳都已經生產，單支固定螺旋槳最重的可達130kg左右。實踐使用可以了解到，鈦合金螺旋槳的重量只是銅質量的1/2，而使用壽命則是銅合槳的5倍。

1.8 推進噴水裝置

1985年，我國對推進噴水裝置進行研制，經過實踐使用以后，將海水腐蝕的問題徹底解決了。在噴翼艇上運用該裝置，能夠將噴翼艇的壽命和使用性能實現很大程度地提升。

2 船用鈦合金材料焊接中存在的常見問題及對策

鈦合金與銅和鋼等其它金屬接觸時，其它金屬的腐蝕電位比較低，而鈦合金腐蝕的電位高，電偶腐蝕就容易產生，使其它金屬的腐蝕速度加快，導致鈦合金在船舶上的應用受到了制約。

2.1 縫隙腐蝕

船舶中有些可以拆卸的螺紋和法蘭等連接件，都有比較小的縫隙，侵蝕性比較強的高濃度氟離子和氯離子容易存留在內部，這就需要在海水環境中，鈦合金抗高溫縫隙的腐蝕能力必須要強。在淡化海水設備和鈦合金熱交換器中，1．5～4的介質PH值和90～250℃的工況環境，縫隙腐蝕非常嚴重。將Ru和Pd元素加到鈦合金中，能夠將鈦合金耐縫隙腐蝕的性能有效地改善。從當前來看，鈦合金含有Ru和Pd元素的表面處理是最有效處理表面的方法，例如，將Ru和Pd元素滲入到鈦合金的表面，或者利用微弧氧化，將含有Ru和Pd元素的氧化物在鈦合金的表面形成。為了降低處理表面的成本，在鈦合金的表面，也可以將含有Ru和Pd元素的梯度涂層進行制備。鋼結構利用陰極進行保護時，鈦合金容易出現氫致開裂的現象。但是，鋁與鈦合金接觸，利用陰極進行保護，-800～-1050mV之間的電位，氫過飽和就不會發生。

2.2 焊接大型結構件

船上使用的高壓力容器和殼體以及拉伸部件等相關的大量結構件，為了滿足耐壓性能的要求，必須要采用高強鈦合金，高強鈦合金的厚壁焊接件連接必須在海水中的操作性非常強，焊接以后，不需要再進行熱處理。當前此類的鈦合金已經大量地進行發展，歐洲和美國采用低間隙鈦合金TC4和鈦合金TC4，低間隙鈦合金TC4，就是控制鈦合金TC4氧含量在0．14%之內；俄羅斯將5V、37以及PT-3V近α 型的船用鈦合金進行了研發。大型結構件因為焊接以后，不可熱處理，拉伸應力為焊接表面的應力，會影響疲勞性能的產生，很危險的結果就會產生。所以，需要超聲沖擊處理焊接表面，焊接表面的拉伸應力應該轉為壓應力，以便有效提升抗疲勞的性能。

2.3 電偶腐蝕

銅和鋼與鈦合金連接以后，電偶腐蝕的現象就會出現。為了避免這種電偶腐蝕，采取以下防護措施：其一，采用瀝青質橡膠對閥嘴和管材與銅和鋼設備所接觸的界面進行絕緣處理。其二，利用微弧氧化和熱氧化以及陽極氧化，對管材進行處理，在金屬表面將陶瓷層或者氧化層形成，來進行絕緣。其三，在不銹鋼噴嘴與鈦管連接的部位，利用中間凸緣進行保護。氧化處理鈦管，將氧化膜形成，致使鈦合金陰極降低極化效應，達到80%～90%，氧化膜壽命與鈦管壽命相等。

3 我國船用鈦合金發展的前景

從當前來看，已經應用的船用鈦合金有純鈦、鈦合金TA16、鈦合金TA17、鈦合金TA24、鈦合金TA22以及鈦合金TA31，管材、板材、鍛件、棒材、鑄件以及絲材等是主要的形成產品，在船舶上這些鈦合金也被大量地應用。研究這些鈦合金的性能方面，主要對沖擊和拉伸以及基本腐蝕等相關性能進行研究，相對于國外研究船用鈦合金上，我國鈦合金應用在海洋環境中深入的評價數據比較欠缺。若想將海洋工程上應用鈦合金并進行推廣，必須要研究海洋環境下的試驗，將使用鈦合金的數據更多地進行積累。針對于研究材料而言，分析和研究海洋環境中鈦合金的性能。

其一，受力方式、工況環境、鈦合金在海水中受交變載荷的腐蝕疲勞、應力腐蝕斷裂韌性以及疲勞裂紋的擴展速率等，這些影響都要分析和研究。

其二，研究氯化環境和H2S中Ru和Pd元素對鈦合金的耐腐蝕機理。

其三，無論是鈦合金管材受加工工藝的影響，還是管材加工工藝受鈦合金管材結構類型的影響，都要進行分析和研究。

其四，在輻照環境下，對鈦合金的疲勞性能和拉伸的評價。

其五，研究和評價新型耐腐蝕鈦合金近凈成形的技術。

其六，分析和研究耐腐蝕鈦合金的各種焊接形式的矯正和控制焊接變形。