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TC4钛合金在船舶制造中的应用现状及前景

发布时间:2021-06-09 12:37:27 浏览次数 :

引言

船舶材料在海洋环境中是重要的结构材料之一,所以对船舶材料的使用标准要求也比较高,需要具备优良的强度、韧性以及耐海水、海洋大气腐蚀的能力。在实际的建造过程中, 该材料还需要有极好的加工性与可焊接性。钛合金本身有很强的耐海水腐蚀能力,强度高而且没有磁性等优点,所以能够充分满足船舶材料的要求,其发展前景非常可观。但是钛 合金在使用过程中还存在一些问题,例如成本高、冶炼难度大等,而且目前对于钛合金失效的研究程度还不够,这些问题都在一定程度上限制了钛合金在船舶上的应用和发展。

TC4钛合金棒

1、钛合金材料的优缺点

钛合金材料主要有强度高、耐腐蚀、耐高温、透声、无磁、抗弹性等优点。按照不同位置的使用可以分为舰船壳体用钛合金、动力工程用钛合金和船机用钛合金。根据其特性可以 分为可焊结构钛合金、高强度钛合金、耐热钛合金等。通过几种金属材料的比较,分析钛合金的优缺点,如表1所示。

表1 几种金属材料性能的比较

 序号材料类型抗弯强度 σb/MPa弹性模量      E/104MPa密度      ρ/g.cm-3σbE/104ρ
1超硬铝合金5887.1542.82102.55
2耐热铝合金4617.1542.81652.55
3高强度镁合金3434.411.81912.45
4高强度钛合金164611.764.53662.61
5高强度结构钢142120.5881782.57

1.1 强度高

常规的钛合金密度在4.51g/m3左右,大约是钢材料的60%,有一些强度较高的钛合金其强度甚至已经超过很多的合金结构钢,所以钛合金的比强度都会远远超过其他金属结构材料,利用钛合金可以制作出强度更高、性能更好的零部件。

1.2 热强度高

在使用时,钛合金可承受的温度会比铝合金高几百度,即使是在中等温度下,也能够达到材料的强度要求。钛合金可以长期在450~500℃的高温下工作,但是对铝合金而言, 只要低于150℃,其强度就会开始下降。

1.3 抗腐蚀性好

钛合金在船舶中的应用工作条件通常都是在潮湿的大气或海洋介质中,钛合金的抗腐蚀能力远超不锈钢。钛合金的点蚀、酸蚀和应力腐蚀都有极强的抵抗力,而对于碱、氯化 物或者氯的有机物品、硝酸等都有极强的抗腐蚀能力,但是钛合金对于还原性氧和铬盐介质上的抗腐蚀能力弱。

1.4 低温性能好

钛合金即使在低温或者超低温下都能保持其良好的力学性能。其低温性能非常好,而且间隙元素很低。例如TA7材料,即使在-255℃的低温下也能维持其塑性,所以钛合金可以被当做一种很好的低温结构材料来使用。

1.5 化学活性大

钛合金在化学上有很强的活性,能够跟大气中的气体产生很强的化学反应。例如氧、氢、二氧化碳、水蒸气、氨气等。如果大气中的碳含量超过0.2%,钛合金中就会产生硬质    的TiC,如果大气中氢含量上升,就会形成一层脆化层,硬化程度可以达到20%~30%。而且钛在化学上有很强的亲和性,所以容易在摩擦表面出现粘附的现象。

2、钛合金在船舶上的应用

2.1 深海潜水器

在深海潜水器上主要会用到钛制耐压壳体,比如美国制造的Aivin 号、Sea-Cliff 号深潜器的壳体;法国的SM97 号使用的钛合金材料是Ti- 6Al-4ELI;还有日本的“深海2000”号。 在我国钛合金制造深海潜水器是自主设计建造的载人潜水器“蛟龙”号。

2.2 声呐导流罩

用钛合金制造的声呐导流罩其综合性能比较强,通常用于航空母舰的制造,例如俄罗斯的“库尔斯克号”以及“明斯克”等。

2.3 舰船泵、阀及管系

如果用铜或者不锈钢来制作船舶的泵、阀和管系,一般只有2~5 年的寿命。如果用钛合金来制作,其使用寿命会远超铜和不锈钢。目前我国已经自主研发出一系列拥有自主知 识产权的船用钛合金,例如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5 等。

TC4钛合金板

3、各国船舶工业上的钛合金使用现状

3.1 国外船舶使用钛的现状

在世界各国中,俄罗斯在船用钛合金的实际应用上最先进,俄罗斯已经拥有大量专门的船用钛合金体系,同时已经制造出一系列强度较高的船用钛合金产品,包括船体、船机 和动力装置都有专门的钛合金,强度也非常大,而且在材料制造上使用的工艺也非常成熟。

美国在船用钛合金方面也进行了很多工程研究,已经实现了将钛应用在各种动力潜艇、水面艇、民用船的耐压壳体、海水管路系统、排风扇的叶片以及一些消防设备等方面。

日本在船舶上使用的钛合金主要包含纯钛、Ti-6AIl-4V(ELI) 等,常用在民用渔船以及深海潜水器的耐压壳体上。

从1981 年陆续出台“深海2000”、“深海4000”等深海潜水调查船,这些潜水器的外壳骨架、均压容器、配管等都用了钛合金,能够有效增加潜水器的下潜深度。

3.2 中国船舶用钛的现状

我国从20 世纪60 年代开始研究钛合金的应用,跟国外研究的时间基本同步,目前我国在船用钛合金方面的研究和应用已经有了很大的突破。研究出来较完整的船用钛合金系    列,其强度主要有4 个级别,分别是635 MPa、685 MPa、730 MPa、 785 MPa,我国“蛟龙”号深海潜水器的耐压壳体使用的是TC4钛合金。

目前我国在船用钛合金上的应用与国外有一定的差距,应用部位和用量都比较少。国外的用钛量达到13%,而我国只是应用在一些零星的部件上,比例还没有1%。我国在钛合    金的使用上,品种和规格不完善,由于装备能力的限制,我国在钛材专业化的生产过程中,生产的品种和规格都有一定的限制,我国“蛟龙”号上使用到的钛合金都是从俄罗斯引 进的。

TC4钛合金管

4、制约钛合金发展的因素

1)钛合金材料成本高,限制了该材料在船舶材料上的应用。因为船舶材料对于金属的消耗较大,需要的种类很多。所以只要降低钛合金的使用成本,在经济条件适合的情况下,才能最大限度地拓展钛合金材料在船舶材料上的应用。

2)钛合金材料的强度等级配套性需要加强。我国钛合金的强度在320~590 MPa,目前只有一个490 MPa 的铸造合金及耐高温、海水缝隙腐蚀的特性合金,跟其他国家相比,我 国在尺寸和重量上也有差距。俄罗斯的钛材料厚度可以达到150 mm,铸造的重量能够达到2.5t,尺寸达到2.5m,我国铸件单件的重量都小于800kg,尺寸和厚度也非常小,所以 为了促进钛合金应用的发展,加强钛合金材料的强度等级配套性非常重要。

5、钛合金未来的发展方向

目前越来越多的国家都意识到钛合金的使用价值,其优点在船舶的使用上也充分体现出来,但是目前钛合金的性能还没有完善,而且应用在船舶上成本的消耗也比较大,所以 现在各国都在开始研制更加低成本且性能更高的新型钛合金,将钛合金应用在市场潜力大的民用工业上。目前国内外在钛合金上取得的新进展主要体现在高温钛合金、钛铝化合物、高强高韧β 型、阻燃钛合金等方面。

6、结语

随着时代的发展,为了增强我国的综合国力,提高我国的海军装备水平,我国越来越重视舰船领域的发展和建设。目前我国已经开始大力研究潜艇、新型驱逐舰等装备,这些 设备对钛的使用要求非常严格,而且需求量很大。目前看来,钛合金是最适合舰船使用的材料,所以在未来发展的过程中一定有更广阔的应用。钛合金本身的优点比较突出,使用到舰船上,能提高整个舰船的性能。目前我国在技术和工艺上还有一些欠缺,而且钛合金的高成本也限制了我国对于钛合金在船舶应用上的发展,所以未来在研究的过程中应该降低成本,同时提高其使用性能。

参考文献:

[1] 黄志伟, 曹永娣. 钛合金材料在舰船铸件上的应用研究[J]. 舰船科学技术,2017,39(6A):192-194.

[2] 李德强, 王树森, 包恩达. 钛合金材料在船舶材料上的应用与发展[J].世界有色金属,2015,(9):127-128.

[3] 周佳宇, 哈军. 钛合金材料在舰船管系上的应用[J]. 材料开发与应用,2006,(03):40-42.

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