隨著海軍作戰(zhàn)使命的變化，建造大型水面艦船及實(shí)施遠(yuǎn)洋編隊(duì)作戰(zhàn)對(duì)海軍裝備的發(fā)展提出了更高的要求，現(xiàn)急需開展適用于大型艦船用新型鈦合金材料的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。 鈦合金具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn)，但由于其屈強(qiáng)比高，成形比較困難，在大型水面艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)制造中會(huì)遇到難以成形的問題。另外，由于鈦合金具有高強(qiáng)度和低彈性模量，用普通成形方法來完成形狀較為復(fù)雜的或精度較高的防護(hù)構(gòu)件比較困難。
圖 1.1 是帶方形蜂窩三明治結(jié)構(gòu)的金屬殼體模型，此結(jié)構(gòu)在艦船受到爆炸沖擊波時(shí)具有較好的防護(hù)效果。從圖可以看出，采用傳統(tǒng)的加工工藝難以實(shí)現(xiàn)該蜂窩三明治結(jié)構(gòu)的成形，但超塑性成形工藝是可以利用鈦合金材料的超塑性和擴(kuò)散連接特性，在一次循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)既成形又連接的加工工藝。超塑性成形技術(shù)是鈦合金成形的最有效的方法之一，可以有效的加工出適用于艦船防護(hù)用蜂窩三明治構(gòu)件。在大型艦船的建造設(shè)計(jì)中，可在關(guān)鍵部位使用該結(jié)構(gòu)能有效提高艦船抵御爆炸沖擊波的能力，進(jìn)而提高艦船的戰(zhàn)斗力和生命力。
鑒于鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能，在戰(zhàn)斗艦艇的建造設(shè)計(jì)過程中可開展全鈦合金艦艇的設(shè)計(jì)研究工作。通過設(shè)計(jì)建造超高速全鈦合金戰(zhàn)斗艦艇、掃雷艇等小型艦艇的研究開發(fā)工作，為更大噸位的大型鈦合金艦船的設(shè)計(jì)、建造積累經(jīng)驗(yàn)。
在制造艦船用污水收集裝置時(shí)，可采用鈦合金制造污水井。鈦合金在氧化性氣氛中，易于鈍化，在金屬表面會(huì)生成致密的氧化膜，可以有效解決污水收集裝置易腐蝕的問題。在海水或一般污水中，鈦合金可以認(rèn)為是不會(huì)被腐蝕的金屬材料，極易適合制造艦船上的污水井，用鈦合金制造的污水收集裝置可以長期使用。圖 1.2 是已研制出的鈦合金污水井樣件，還需要進(jìn)行艦船制造施工工藝的改進(jìn)，在解決艦船制造施工方面的部分問題后可以全面推廣至艦船污水收集裝置的應(yīng)用中。
大潛深是潛艇未來的發(fā)展方向，在大潛深潛艇的設(shè)計(jì)制造過程中，通海管路系統(tǒng)及設(shè)備在不增加重量的情況下，提高其耐壓能力是關(guān)鍵技術(shù)之一。鈦合金具有低密度、高強(qiáng)度的優(yōu)越特性，非常適合大潛深潛艇的設(shè)計(jì)制造要求。在潛艇的設(shè)計(jì)建造中采用鈦合金材料可大大減輕潛艇管系和設(shè)備重量，在不增加重量的情況下還能提高其耐壓能力，所以在大潛深潛艇的管路系統(tǒng)上使用鈦合金材料具有十分主要意義。
在新型艦船上，采用鈦合金材料制造海水管系，可大幅度降低維護(hù)成本、延長服役壽命、更可提高海水管系的安全性，同時(shí)可為新設(shè)計(jì)的艦船帶來重量和空間上的便利。
在艦船制造領(lǐng)域可采用鈦合金材料的構(gòu)件主要包括：蓄電池底艙預(yù)埋管、污水及水下廁所管路、燃油補(bǔ)充管路、主疏水系統(tǒng)管路、海水冷卻系統(tǒng)管路，并可繼續(xù)開發(fā)與管系配套的鈦合金管路附件、閥件，包括三通、四通系列，法蘭系列，螺紋接頭，變徑管系列，彎頭系列，雙面焊接座板系列，焊接支管座系列等。
一、國內(nèi)外艦船用鈦合金研究現(xiàn)狀
1、俄羅斯艦船用鈦合金
俄羅斯在艦船領(lǐng)域用鈦合金的研究和應(yīng)用中，形成了 490MPa、590MPa、690MPa、790MPa 等不同強(qiáng)度級(jí)別的鈦合金產(chǎn)品，擁有艦船領(lǐng)域?qū)Ｓ玫拟伜辖痼w系，處于世界領(lǐng)先水平。俄羅斯艦船用鈦合金的主要牌號(hào)有 40、5B、23а、OT4-1B、ПT-1M、ПT-7M、ПT-3B 等鈦合金產(chǎn)品。俄羅斯研制的艦船用鈦合金均具有良好的室溫拉伸性能、沖擊性能、工藝性能和焊接性能。在艦船用鈦合金的開發(fā)研制過程中，為了提高鈦合金抗縫隙腐蝕能力，俄羅斯還開發(fā)研制了含有稀有元素如 Ru、Pd、Pt 等元素的新型鈦合金。
俄羅斯在采用鈦合金材料制造核潛艇的技術(shù)上也處于世界領(lǐng)先水平，是最早采用鈦合金材料制造核潛艇耐壓殼體的國家[。從 20 世紀(jì) 60 年代起，俄羅斯現(xiàn)已制造的核潛艇已有 4 代，在 1968年12月俄羅斯制造的世界第一艘 K162 號(hào)全鈦核潛艇順利下水。該潛艇的制造過程中使用了大量的鈦合金板材、管材、鍛件，包括巨大的焊接結(jié)構(gòu)殼體、巨大的管路系統(tǒng)以及各種裝置和機(jī)器設(shè)備的所有裝置均由鈦合金材料制造。截至目前，該潛艇在海洋環(huán)境變化和承受不同載荷的惡劣的環(huán)境下已服役 40 余年，其各種裝置及設(shè)備均未出現(xiàn)重大問題。俄羅斯在 1970年制造了第一艘“ALFA” 級(jí)核潛艇，又在上世紀(jì) 80 年代相繼制造多艘核潛艇，每艘用鈦量約 3 千噸，最大下潛深度約 914 米，在核潛艇的服役過程中，顯示出了既輕又快、機(jī)動(dòng)性能高效的多種優(yōu)點(diǎn)。
鈦合金在艦船領(lǐng)域使用的典型例子是俄羅斯“臺(tái)風(fēng)”級(jí)戰(zhàn)略核潛艇的制造與服役，該潛艇按鈦合金的雙殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，僅內(nèi)外雙殼結(jié)構(gòu)用鈦量高達(dá) 9 千噸。該潛艇采用鈦合金的雙殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在減輕構(gòu)件重量的同時(shí)，還具有良好的隔音效果，且具備下潛深度大（約 500 m）、持續(xù)續(xù)航時(shí)間長（約 120 天）、航行速度快（約每小時(shí) 50 km），排水量大（水上排水量約 23200 t，下潛排水量約 33800 t）且無磁性等諸多優(yōu)點(diǎn)。
除在耐壓殼體結(jié)構(gòu)及設(shè)備上使用鈦合金之外，俄羅斯在破冰船的核動(dòng)力裝置系統(tǒng)（泵閥、管路、熱交換器、冷凝器等）中也大量使用了鈦合金。從多年的使用情況可知，鈦合金優(yōu)異的耐蝕性能，可有效延長艦船領(lǐng)域各種裝備的使用壽命和服役壽命。
由于鈦合金材料強(qiáng)度高且密度小，結(jié)構(gòu)板厚薄，透聲性能好，抗沖擊性能強(qiáng)，俄羅斯航空母艦和水面艦船等球鼻首導(dǎo)流罩幾乎全部采用鈦合金制造，鈦合金導(dǎo)流罩有效保證了其反潛能力的出色發(fā)揮。
2、美國艦船用鈦合金
美國海軍最早在 1950 年開始關(guān)注鈦合金材料能夠在艦船領(lǐng)域進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的可能性，從 1963 年開始進(jìn)行了大量的工業(yè)應(yīng)用研究。美國在艦船領(lǐng)域用鈦合金研制中，先后在民用船只、水面艇和潛艇制造中逐漸應(yīng)用了中強(qiáng)度級(jí)別的鈦合金材料。從 80 年代開始，在艦船領(lǐng)域用鈦合金研制中，美國開始了高強(qiáng)度級(jí)別鈦合金的應(yīng)用研發(fā)工作。在艦船制造中，除聲吶導(dǎo)流罩外，在海水管路系統(tǒng)、動(dòng)力裝置系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、包括排風(fēng)扇、彈簧等大型裝備和結(jié)構(gòu)零件中也采用鈦合金制造。
美國經(jīng)過多年艦船用鈦合金的工業(yè)應(yīng)用研究，成功研制了一大批艦船用鈦合金，主要的鈦合金牌號(hào)有高強(qiáng)度級(jí)別的 Ti 6A1 2Nb 1Ta 0.8Mo 和 Ti 3Al 8V 6Cr 4Mo 4Zr 鈦合金，中強(qiáng)度級(jí)別的 Ti 6Al 4V、Ti 6Al 4V ELI 和 Ti 3A1 2.5V 鈦合金，低強(qiáng)度級(jí)別的 Ti 0.8Ni 0.3Mo 等多種鈦合金產(chǎn)品。
美國在工業(yè)制造可行性分析計(jì)劃中，成本核算是開工制造的重要衡量指標(biāo)之一，盡管鈦合金材料的前期投入成本高于 Cu-Ni 等其他金屬材料成本，但鈦合金的維護(hù)費(fèi)用較其他金屬材料的成本低。為此，美國在艦船用鈦合金工業(yè)制造可行性研究分析后，在 LPD-17 船的海水管系設(shè)計(jì)中仍然選用了鈦合金管路及閥門[，說明鈦合金材料在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值十分可觀。
在艦船用鈦合金的工業(yè)應(yīng)用研制中，Timet 公司研制開發(fā)了一種艦船用近?型鈦合金 Timetal 5111(Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si)，其即有優(yōu)于 Ti-6Al-4V 鈦合金 3 倍的高韌性、還可進(jìn)行大規(guī)格型材焊接的良好焊接性能，還有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。Timet 公司為了提高該合金的耐縫隙腐蝕性能，又在 Timetal 5111 合金基礎(chǔ)上添加了 0.05%Pt，微量 Pt 元素的加入顯著的提高了 Timetal 5111 合金的耐縫隙腐蝕性能，該合金已廣泛用于美國艦船制造業(yè)。
3、日本艦船用鈦合金
由于歷史的原因，日本在艦船領(lǐng)域用鈦合金的研究開發(fā)工作中，主要集中在深潛器的耐壓殼體研究中。為了增加深潛器的下潛深度，日本在制造深潛器的過程中采用的鈦合金主要有 Ti-6Al-4V 和 Ti-6Al-4V ELI。 日本采用 Ti-6Al-4V 鈦合金厚板制造厚度為 110 mm、殼體直徑為 2000 mm、殼體重量為 5 t 的“深海 6500”調(diào)查船的下潛深度可大 6500 m。該殼體的制造共使用了 9 t 的 Ti-6Al-4V 鈦合金鑄錠，再經(jīng)鍛造、軋制成厚度為 110 mm、寬度為 3400 mm 的厚板后，經(jīng)熱成形工藝將其彎曲成半球形，再用電子束焊接將其焊接成近球形，利用機(jī)械加工的方式使耐壓殼體成等高度的近球形殼體。鈦合金耐壓殼體在提高安全系數(shù)的技術(shù)上，大幅度增加了深潛器的下潛深度。
日本鋼鐵公司、Toho 技術(shù)公司、Eto 造船公司采用鈦合金結(jié)構(gòu)件、船殼、甲板成功制造了鈦合金漁船，其維護(hù)費(fèi)用低，保養(yǎng)時(shí)間少，可以長期穩(wěn)定的進(jìn)行出海作業(yè)。在艦船用鈦合金研究方面，日本日生工業(yè)公司還用鈦合金制造了長約 12m的“泰坦快速號(hào)”快艇，快艇的鈦合金船體結(jié)構(gòu)為漂亮的三次元曲線，在大幅度降低快艇重量的同時(shí)，減少了快艇的航行阻力，提高了航行速度。
日本的江藤造船所，經(jīng)過艦船用鈦合金的長期研究，制造了日本首艘全鈦船只，通過下水試船檢驗(yàn)，結(jié)果表明：使用鈦合金制造的船只，船速穩(wěn)定性振動(dòng)和噪聲等性能良好，并且船體質(zhì)量輕、可用小功率發(fā)動(dòng)機(jī)，大量節(jié)省了燃料費(fèi)用、也減少了二氧化碳的排放量，更因鈦合金耐腐蝕，在制造過程中不需要進(jìn)行表面涂層、且附著物易清理。
4、我國艦船用鈦合金研究
我國于 60 年代開始進(jìn)行艦船用鈦合金的研究開發(fā)工作，特別是近年來在艦船用鈦合金的研究應(yīng)用中取得了較大成功，質(zhì)量水平也得到了很大提升，并形成了我國艦船用鈦合金體系，現(xiàn)已可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)鈦合金板材、棒材、管材、餅材、環(huán)材、絲材和鑄件等多種形式產(chǎn)品，可滿足一定強(qiáng)度級(jí)別艦船用鈦合金的需求。我國艦船用鈦合金體系主要按屈服強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行劃分，有低強(qiáng)度鈦合金（在490MPa 以下）、中強(qiáng)度鈦合金（在 490-790MPa）和高強(qiáng)度鈦合金（790MPa 以上）三個(gè)級(jí)別。
低強(qiáng)度鈦合金塑性較好，主要適用于制作管材；中強(qiáng)度鈦合金強(qiáng)、塑、韌性兼顧，工藝性能較好，主要適用于制作大厚截面結(jié)構(gòu)件；高強(qiáng)鈦合金的塑性相對(duì)較低、冷加工成形性能和可焊接性能較差，主要適用于制作耐蝕部件、耐熱部件以及特種機(jī)械件。目前，我國艦船用鈦合金主要有：純鈦、TA5（685MPa 級(jí)）、TA22（635MPa 級(jí)）、TA23（700MPa）、TA24（730MPa）、Ti-6AI-3Nb-1Mo(785MPa 級(jí))、ZTi60（590MPa 級(jí)）、TA36（780MPa 級(jí)）等鈦合金，可以滿足我國艦船用鈦合金的基本需求。
從 90 年代開始，我國對(duì)聲納導(dǎo)流罩用鈦合金進(jìn)行了研究開發(fā)，目前已研制出適用于制造聲納導(dǎo)流罩的兩種近 α 型鈦合金：Ti-91 和 TA23 鈦合金[3]，經(jīng)過多年多型艦艇的使用證明，鈦合金聲納導(dǎo)流罩綜合性能優(yōu)越。此外，我國也開展了鈦合金潛望鏡、艦載雷達(dá)和電子設(shè)備、魚雷發(fā)射水缸、危機(jī)冷卻器、聲掃雷具、魚雷發(fā)射高壓氣瓶以及其他泵、閥等艦船用鈦合金的研究。
二、國內(nèi)與國外艦船用鈦合金研究存在的不足
我國艦船用鈦合金的強(qiáng)度級(jí)別和應(yīng)用范圍與國外艦船用鈦合金相當(dāng)，但目前我國艦船用鈦合金產(chǎn)品品種和規(guī)格還不完善，制造技術(shù)和加工工藝水平相比國外領(lǐng)先企業(yè)相對(duì)落后。以鈦合金在潛艇上的使用情況為例，我國鈦合金在潛艇上主要作為防腐蝕材料來應(yīng)用，且僅在腐蝕最為嚴(yán)重的柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)中進(jìn)行了推廣使用，而國外在設(shè)計(jì)潛艇的防腐方案時(shí)，鈦合金為耐蝕材料的首選材料，鈦合金在我國潛艇上的使用推廣還十分有限。另一方面，我國艦船用鈦合金在聲吶導(dǎo)流罩和透聲窗的推廣應(yīng)用還存在不足之處，特別是在潛艇制造中尚未成功應(yīng)用，而國外鈦合金聲吶導(dǎo)流罩和透聲窗以得到大量推廣和成熟應(yīng)用，我國從俄羅斯引進(jìn)的潛艇上聲吶導(dǎo)流罩均采用鈦合金制造。我國與國外艦船用鈦合金的應(yīng)用研究相比，存在的不足和差距主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）我國造船業(yè)發(fā)展半個(gè)世紀(jì)以來，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)于鈦合金的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)掌握不全，需在材料選型、結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算、施工設(shè)計(jì)等方面深入研究，特別是鈦-鋼一體化設(shè)計(jì)方面，建立一系列適合鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，充分利用鈦合金材料特點(diǎn)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。
（2）在聲吶導(dǎo)流罩用鈦合金設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)一直是跨專業(yè)的難題，我國可在對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)性能研究的基礎(chǔ)上，材料研發(fā)人員聯(lián)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)人員，結(jié)合聲吶導(dǎo)流罩的實(shí)際工作狀況，根據(jù)聲學(xué)原理，開展鈦合金的結(jié)構(gòu)透聲研究，提高鈦合金產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能。我國目前針對(duì)設(shè)備頻段的鈦合金結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)還與國際先進(jìn)水平存在較大差距。
（3）我國艦船用鈦合金材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)，主要針對(duì)艦船領(lǐng)域特殊裝備和用途進(jìn)行研制，比如柴油機(jī)排氣系統(tǒng)、球鼻首等用鈦合金材料的研制，尚未建立全船通用型鈦合金材料體系。
（4）我國艦船用鈦合金材料的制造水平和質(zhì)量穩(wěn)定性雖然有了較大的提高，但與國外先進(jìn)企業(yè)的制造水平和產(chǎn)品質(zhì)量相比存在著一定的差距。在雙曲面板塊的成形、焊接變形控制、金屬記憶回彈變形控制方面，我國還尚未完全掌握控制相關(guān)制造技術(shù)，限制了鈦合金材料在艦船裝置復(fù)雜、空間狹窄工況下的制造和安裝使用，而國外可在全艦船復(fù)雜的海水管路系統(tǒng)中成熟應(yīng)用鈦合金。
（5）我國鈦合金與其他金屬相互鏈接和裝配時(shí)，對(duì)電絕緣防護(hù)技術(shù)掌握不足，限制了鈦合金材料的推廣應(yīng)用，我國現(xiàn)以加裝絕緣墊片方式進(jìn)行電絕緣防護(hù)的工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜，又增加了鈦合金與其他金屬之間的電絕緣防護(hù)難度，對(duì)于艦船復(fù)雜結(jié)構(gòu)鏈接時(shí)還無法正常實(shí)施。
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