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摘要:鈦及鈦合金在海洋工程裝備領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件、潛艇和深潛器的耐壓殼體、管件、閥及附件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器、冷凝器、冷卻器、換熱器、艦船聲吶導(dǎo)流罩、螺旋槳等。本文在介紹鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外形成的艦船用鈦及鈦合金體系和性能特征，分析了國(guó)內(nèi)外鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)，展望了鈦材在海洋裝備的應(yīng)用前景，以期對(duì)后續(xù)海洋工程裝備設(shè)計(jì)選材提供參考，從而大幅度加速推動(dòng)鈦材在我國(guó)海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。

鈦具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、抗沖擊性高、耐海水腐蝕性能優(yōu)異、斷裂韌性好、疲勞強(qiáng)度高、焊接性能好、無(wú)磁、透聲性好、耐冷熱性優(yōu)異、抗放射性、減震抗噪等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-10]，被譽(yù)為“海洋金屬”，是一種理想的、具前景的海洋工程裝備用結(jié)構(gòu)材料。

鈦在海洋工程裝備領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件、潛艇和深潛器的耐壓殼體、管件、閥及附件等，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸，冷凝器、冷卻器、換熱器等，艦船聲吶導(dǎo)流罩、螺旋槳等[2-7]。但目前國(guó)內(nèi)仍未見(jiàn)有關(guān)海洋工程裝備用鈦材的選材手冊(cè)的報(bào)道，未見(jiàn)有關(guān)完善的海洋工程裝備用鈦及鈦合金使用評(píng)價(jià)體系的報(bào)道，這在很大程度上制約了鈦材在海洋工程裝備上的推廣使用。

本文在介紹鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外形成的艦船用鈦及鈦合金體系和性能特征，論述了國(guó)內(nèi)外鈦及鈦合金在海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)，展望了鈦材在海洋裝備的應(yīng)用前景，以期對(duì)后續(xù)海洋工程裝備設(shè)計(jì)選材提供參考，從而大幅度加速推動(dòng)鈦材在我國(guó)海洋裝備領(lǐng)域的應(yīng)用。

1. 海洋工程裝備用鈦

為確保海洋裝備的戰(zhàn)技性能和航行的絕對(duì)安全可靠性，選擇合適的裝備材料至關(guān)重要。

鈦及鈦合金幾乎具備海洋裝備材料所需的全部特性，即鈦及鈦合金的諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 物理特性

①質(zhì)輕。鈦密度為4.5 g/cm3，僅為鋼的57.7%，在艦船領(lǐng)域應(yīng)用可減輕船體質(zhì)量、增加載重、提高航速；②熱膨脹系數(shù)低，焊接應(yīng)力小，從而使部件焊接變形量??；③無(wú)磁性，在強(qiáng)磁場(chǎng)下也不會(huì)磁化，并可防電磁干擾，使裝磁引信的水雷或魚(yú)雷失效，避免磁性雷的攻擊，從而提高水下潛艇的隱身技術(shù)水平和反偵察能力；④導(dǎo)熱率與熱傳遞速率匹配良好，是理想的熱交換器材料；⑤透聲性好，鈦材透聲系數(shù)大于0.85，甚至高達(dá)0.98，是艦船聲吶導(dǎo)流罩最理想選材；⑥加工性良好，可通過(guò)多種加工方式如鑄造、軋制、鍛造、擠壓等生產(chǎn)鑄件、板材、絲材、型材、鍛件、復(fù)雜的零部件等。

1.2 力學(xué)性能

鈦及鈦合金力學(xué)性能優(yōu)異，其比強(qiáng)度高、塑性好，在−253~600 ℃范圍內(nèi)，它的屈強(qiáng)比和比強(qiáng)度在海洋裝備用金屬材料中最高；沖擊韌性良好，在−60~20 ℃范圍內(nèi)，無(wú)明顯韌-脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)；斷裂韌性較高，在80~110 MPa·m1/2之間[2-3]。疲勞強(qiáng)度高，鈦材低應(yīng)力高周疲勞均在107周次以上。

1.3 腐蝕性能

鈦在海洋環(huán)境介質(zhì)中具有優(yōu)異耐腐蝕性能。由于鈦和氧親和力極高，在空氣或氧介質(zhì)中，鈦材表面極易快速形成一層薄、致密、堅(jiān)固的氧化膜。鈦的氧化膜具有很強(qiáng)的自愈性，當(dāng)氧化膜受到破壞或劃傷后，也會(huì)很快自愈或再生，形成新的氧化膜。這層氧化膜可使鈦材幾乎不被自然海水腐蝕。

2. 國(guó)內(nèi)外艦船用鈦材體系

鈦材是一種優(yōu)良的艦船材料，得到了各國(guó)海軍和造船業(yè)的青睞。近五十年來(lái)，俄羅斯、美國(guó)、中國(guó)和日本等先后都建立了適用于自己的艦船用鈦及鈦合金體系。

2.1 國(guó)外艦船用鈦材體系

俄羅斯、美國(guó)是最早研究艦船用鈦及鈦合金的國(guó)家，并各自形成艦船用鈦及鈦合金體系，日本相對(duì)較晚，艦船用鈦材體系較簡(jiǎn)單。俄、美、日各國(guó)常見(jiàn)的艦船用鈦及鈦合金牌號(hào)及屈服強(qiáng)度σ0.2按低、中、高強(qiáng)度級(jí)別劃分見(jiàn)表1[1-3,6-10]。

俄羅斯艦船用鈦及鈦合金研究及應(yīng)用水平居世界前列，是最早擁有專用艦船用鈦合金體系的國(guó)家，如船體鈦合金ПT-1M，船機(jī)用鈦合金ПT-7M、3M、37，動(dòng)力工程用鈦合金ПT-3B、40、5B、23a等。幾十年來(lái)，俄羅斯在核潛艇、常規(guī)潛艇、水面艦艇、航空母艦、深潛器等艦船領(lǐng)域都大量采用了鈦材。

表 1俄羅斯、美國(guó)、日本常見(jiàn)艦船用鈦及鈦合金牌號(hào)及屈服強(qiáng)度[1-3，6-10]

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美國(guó)海軍自1963年開(kāi)始對(duì)艦船用鈦材進(jìn)行大量的工程應(yīng)用研究，主要的船用鈦及鈦合金有純鈦、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，現(xiàn)已成功將鈦材應(yīng)用于各種水面艦艇、動(dòng)力潛艇、民船等。

日本的船用鈦及鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，集中應(yīng)用于深潛器耐壓殼體、民用漁船、游船等。

2.2 國(guó)內(nèi)艦船用鈦材體系

國(guó)內(nèi)艦船用鈦材的研究始于1962年，五十多年來(lái)，我國(guó)從研發(fā)到應(yīng)用已逐漸形成了較完整的艦船用鈦及鈦合金體系[1-3,6-9]，其屈服強(qiáng)度在320~1130 MPa之間。業(yè)界通常按材料屈服強(qiáng)度大小對(duì)其分類，即屈服強(qiáng)度在500 MPa以下為低強(qiáng)鈦合金，500~790 MPa為中強(qiáng)鈦合金，高于790 MPa為高強(qiáng)鈦合金。上述強(qiáng)度級(jí)別材料基本可滿足國(guó)內(nèi)艦船、潛艇、深潛器及深?？臻g站用結(jié)構(gòu)材料的指標(biāo)要求?，F(xiàn)階段我國(guó)已制定了艦船用鈦及鈦合金板材、棒材、鍛件、無(wú)縫管材及鑄件的相關(guān)規(guī)范，具體艦船用鈦及鈦合金體系、性能、應(yīng)用及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)號(hào)見(jiàn)表2。

表 2我國(guó)艦船用鈦及鈦合金體系、性能及應(yīng)用[1-3,6-9]

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與俄羅斯、美國(guó)相比，中國(guó)艦船用鈦及鈦合金體系還不夠完善，且應(yīng)用數(shù)據(jù)較少，無(wú)準(zhǔn)確、高效的艦船用鈦材的評(píng)價(jià)體系。

3. 鈦材在海洋裝備上的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

鈦材是海洋環(huán)境中最理想的材料，使用鈦材可使海軍艦船及裝備大大提高戰(zhàn)斗力、降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)使用壽命、提高隱蔽性[1,10]。俄、美、中國(guó)海軍已將鈦材廣泛應(yīng)用于深潛器、水下潛艇、水面艦艇、艦船等裝備的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、上層建筑及其他部件等[9-11]。

3.1 耐壓殼體

國(guó)內(nèi)外選用鈦材作為耐壓殼體的實(shí)例較多，主要用于深潛器載人球殼、潛艇殼體[11]，具體典型應(yīng)用所選用鈦材的牌號(hào)及拉伸性能見(jiàn)表3。

表 3國(guó)內(nèi)外載人球艙和潛艇耐壓殼體材質(zhì)、制備工藝及材料性能

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國(guó)內(nèi)外深潛器載人球殼選用鈦材牌號(hào)主要有Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI（對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)TC4、TC4ELI）。很多深潛器載人球殼前期選用鋼材，但后期都采用鈦材替代，既可以減輕重量，增加下潛深度，又可以提高使用壽命。例如：①美國(guó)Alvin深潛器，1964年建造時(shí)采用的是HYl00高強(qiáng)鋼(板厚33.8 mm)，下潛深度為2000 m，1973年改建時(shí)將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49 mm)，下潛深度增加到3600 m，其輔助箱及高壓氣器也采用Ti-6Al-4VELI；②日本的“深海2000”載人球殼采用鋼材制備，后續(xù)在建造“深海6500”時(shí)選用鈦材制備載人球殼以增加下潛深度。

在潛艇耐壓殼體應(yīng)用方面，俄羅斯最早選用鈦材，是目前世界上使用鈦材制造耐壓殼體技術(shù)最先進(jìn)最成熟的國(guó)家，其全鈦核潛艇制造選用的惟一的鈦材牌號(hào)為IIT-3B鈦合金（對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)牌號(hào)TA17）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在建造潛艇時(shí)也更青睞于選用鈦材，牌號(hào)主要集中于TA17、TC4、TC4ELI、TC11、純鈦等。

除此之外，目前許多國(guó)家都正在建造大深度載人潛水器和大深度全鈦武器裝備。國(guó)內(nèi)建造的“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器已于2020年11月10日成功挑戰(zhàn)全球海洋最深處——馬里亞納海溝，深度達(dá)10909 m，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)人的深海夢(mèng)，該深潛器的載人球殼材料為高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，由寶鈦股份制造；國(guó)內(nèi)已開(kāi)始建造全鈦的大深度裝備。

3.2 海水管路系統(tǒng)

海水管路系統(tǒng)復(fù)雜、通徑規(guī)格多，所選材料要求具有耐海水腐蝕、強(qiáng)度高、疲勞性能好等特點(diǎn)，鈦材均可滿足，采用鈦合金制造的管道較傳統(tǒng)材料（碳鋼、不銹鋼、銅合金）優(yōu)勢(shì)顯著[1,9-10]。

(1)提高服役壽命，與艦船本體同壽命。俄羅斯對(duì)比研究了傳統(tǒng)材料和鈦材制造的管道系統(tǒng)服役壽命。結(jié)果表明，鈦材與艦船同壽命，只需投入一次，且在使用過(guò)程中僅需簡(jiǎn)單維護(hù)即可；傳統(tǒng)材料服役期限約2~10 a，服役期內(nèi)必須定期維修，甚至更換，尤其是在高速推動(dòng)環(huán)境作用下，各種接頭均會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕。美國(guó)海軍艦船應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，鈦制管系壽命為40 a，銅鎳合金管系壽命只有6~8 a。國(guó)內(nèi)開(kāi)展了采用“鈦合金”替代“銅合金”制造海水管路系統(tǒng)的驗(yàn)證考核試驗(yàn)，寶鈦提供的TA2鈦無(wú)縫管材、配套管件和鈦法蘭在整套試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行近3 a后，拆解檢驗(yàn)管路及配套材料，均未發(fā)現(xiàn)有裂紋、孔洞和腐蝕等異常情況。

(2)降低成本。采用鈦合金部件，雖一次投入成本較高，但一次投入即可滿足全壽命使用，使用過(guò)程中僅需簡(jiǎn)單維護(hù)保養(yǎng)，大量節(jié)省維修和維護(hù)費(fèi)用。美海軍艦船熱交換器用的銅鎳合金管每年大約需更換97 km，而在LPD17兩棲船塢運(yùn)輸艦的2個(gè)主海水配管系統(tǒng)上選用了Gr.2純鈦管材，約1000多個(gè)管件，總長(zhǎng)度3350 m以上，全壽命期節(jié)省成本達(dá)1700萬(wàn)美元。

綜上所述，鈦材在管路系統(tǒng)的使用，既可以減重、又可以實(shí)現(xiàn)與本體同壽命，同時(shí)，降低成本。近幾年，國(guó)內(nèi)已在022艇等多型號(hào)海洋裝備上批量應(yīng)用。

3.3 上層建筑

目前，在國(guó)內(nèi)艦船上層建筑中也已有鈦材應(yīng)用實(shí)例，如：桅桿用Ti70(TA23)、雷達(dá)天線用TA5和TA7棒材、機(jī)庫(kù)蒙皮和框架結(jié)構(gòu)用TA2和TA5板材。

美海軍在LPD17兩棲船塢運(yùn)輸艦的關(guān)鍵部位上層建筑區(qū)也大量使用了鈦，使其質(zhì)量減輕約50%，大大提高了該艦的穩(wěn)定性[10]。

3.4 其他領(lǐng)域應(yīng)用

除上述耐壓殼體、管路系統(tǒng)和上層建筑大量用鈦材外，國(guó)內(nèi)外海洋裝備上還有其他部件也有用鈦，應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表4。

表 4國(guó)內(nèi)外海洋裝備其他部件用常見(jiàn)鈦材

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4. 結(jié)束語(yǔ)

鈦合金不僅使海洋裝備實(shí)現(xiàn)向“深、大、遠(yuǎn)、高、低”的方向發(fā)展，也可完全實(shí)現(xiàn)與海洋裝備本體同壽命，是海洋裝備的最佳選材[11-14]。目前，我國(guó)對(duì)鈦材在海洋裝備上的應(yīng)用也越來(lái)越重視，用鈦量也在不斷的增加。深海耐壓殼體、海水管路、氣瓶、上層建筑、框架等將成為海洋用鈦的重點(diǎn)發(fā)展方向。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外鈦材在船舶領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例較多，但相關(guān)規(guī)范中材料體系并不完善。希望相關(guān)單位組織討論并完善現(xiàn)行“鈦制壓力容器”、“材料與焊接”等相關(guān)規(guī)范中的材料體系，以便于設(shè)計(jì)人員參考。