舰艇用钛合金技术应用分析

田 非 杨雄辉

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

舰艇用钛合金技术应用分析

田 非 杨雄辉

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

钛合金以其高比强度、耐腐蚀性能好、透声性好等综合性能优越特性，越来越广泛应用于航空航天、石油化工、船舶等行业。本文概述了舰船用钛合金的一般特点并给出了舰船用钛合金的类型特性，阐述了俄罗斯、美国舰船用钛合金材料的应用发展情况；给出了国内舰船钛合金应用现状，并结合我国舰艇发展特点，提出了我国舰船用钛合金发展方向以及建议，并提出了发展舰船钛合金结构件需开展的相关工作。

舰船；钛合金；应用

1 引言

钛及钛合金作为一种优秀的舰船材料，具有以下特点：

1）密度小，重量轻，在具有高比强度的同时，具有良好的韧性及抗脆性断裂强度；

2）钛在中性和氧化性气氛及众多恶劣环境中，具有比其它常用金属高得多的耐腐蚀性能，在长期处于高温、高湿及海水飞溅的海洋气氛中能具有良好的抗腐蚀能力；

3）同时它还具备低磁性、透声性能好以及抗冲击振动、耐热耐低温、加工性能好等优良综合性能。

正因为钛及其合金具有以上诸多优点，使得钛合金在船体结构件、潜艇耐压壳体、管道、阀及配件、动力装置中的推进器和推进器轴、热交换器、冷凝器、冷却器、声纳导流罩等领域有广泛的应用。

钛合金最早应用于航空工业，并于20世纪60年代开始应用于船舶行业，经过近50年的发展已形成较完备的船用钛合金产品及配套体系。

2 国内外钛合金材料技术发展现状

俄罗斯、美国、中国是最早从事舰船用钛合金材料研究的国家。

2.1 欧美国家船用钛合金材料研究现状

俄罗斯船用钛合金的研究和实际应用水平居世界前列，形成490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa等强度级别的船用钛合金系列产品，研究开发的船用钛合金牌号有：船体用钛合金ПT－1M，船机用钛合金ПT－7M，动力工程用钛合金ОT4－1B、40、5B、23а等［1］。

美国对船用钛合金也进行了大量的工程研究，成功地将钛合金用于潜艇、水面舰艇、民用船，主要应用的钛合金有：Ti－0.3Mo－0.8Ni、Ti－3A1－2.5V、Ti－6Al－4V、Ti－6Al－4V ELI、Ti－6A1－2Nb－1Ta－0.8Mo、Ti－3Al－8V－6Cr－4Mo－4Zr［2］。

2.2 我国船用钛合金材料研究进展

我国船用钛合金工业起步于20世纪60年代，经过几十年的发展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用钛合金体系，且已能生产板、管、棒、饼、环、丝和铸件等多种形式产品，能满足不同强度级别和不同部位的要求［3］。主要船用钛合金牌号有：Ti31、TA5、Ti75、Ti80、Ti－6AI－3Nb－1Mo合金等，能满足水面舰艇、潜艇和深潜器的使用需求。虽然我国的船用钛合金从强度级别到使用部位与国外有对应的合金，但品种、规格不完善，加工和制造技术与国外比也相对落后。

表1列出了常用钛合金类型使用特性对比，从使用价格、工程通用化以及强度适用等级来考虑，α型钛合金已满足了造船业的使用需求，因此α型以及近α型钛合金材料在舰船上应用较多。

表1 常用钛合金类型特性

3 国内外舰船钛合金应用现状

随着船用钛合金技术的发展，钛合金已广泛应用于各型舰艇的船体结构及动力、管路等设备，应用范围也在不断扩大。

3.1 俄罗斯舰船钛合金应用现状

几十年来，俄罗斯在核潜艇、水面舰船、常规潜艇、航空母舰、深潜器中都大量采用了钛材，如图1所示为前苏联1968年12月下水的K166号全钛壳体核潜艇。该艇应用了大量的钛合金板材、管材、锻件，其结构壳体、管路系统以及大量装置和机器设备均用钛合金制造。经过近40年航行并承受不同的载荷和海洋环境变化，各种装置及设备均未出现重大问题［4］。

图1 K166核潜艇

俄罗斯“阿尔法”级核潜艇耐压壳体也是用钛合金制造的，其钛合金用量达3 000 t；俄“台风”级战略核潜艇钛合金用量达9 000 t，首艇水下排水量为26 500 t。俄罗斯同样在深潜器上也大量使用了钛合金［5］。钛合金由于透声性能好，被大量应用在声纳系统中，国外许多大型战斗舰艇如俄罗斯现代级，其声纳导流罩采用钛合金制造。

俄罗斯除了在潜艇耐压壳体结构上使用钛合金，在其破冰船的核动力装置中也大量使用了钛及钛合金；同时针对钛合金耐腐蚀的优点，钛合金管道、阀门、泵、热交换器等也在舰艇设计中大量采用。

3.2 美国舰船钛合金应用现状

在美国，钛合金也大量应用于各类动力的潜艇、水面舰艇、民用船舶的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器、弹簧以及消防设备。

通过前期开展的相关研究工作，美国海军也计划在CVN－78中部分采用钛合金结构，并计划在开工建造之前做好较低成本的Ti合金部件的技术准备工作［6］。但目前存在的主要问题是部件制造成本较高以及船厂缺乏制造经验等，其设计部门正在开展钛合金的焊接及其制造工艺 （弯曲和成型）等关键技术研究工作。

尽管钛合金管系的前期投入比Cu－Ni合金材料管系高，但美国还是在LPD－17船的海水管系设计中选用了钛合金管路及阀门［7］，Avondale公司采用手工或自动GTAW（钨极氩弧焊）方法来制造钛合金材料管系，并使用特殊机械来完成管道接头焊接，并在焊接过程中严格控制层间温度；焊接时还严格控制所使用的填充金属材料，同时将填充金属材料的端部时刻处于氩气的良好保护之中，以避免空气中杂质的污染，同时采用超声波、硬度计来评定焊缝质量等级。

3.3 我国舰船钛合金应用现状

在我国，钛合金在舰船应用领域也非常广，包括船体结构、推进系统、电力系统、电子信息系统、辅助系统到特种装置等。

近十年来，我国在深潜器用钛合金、声纳导流罩用钛合金等专用结构及其合金的应用研究中，取得较大的进步。我国自行研制生产、下潜深度达7 000 m的载人深潜器，其主要结构均采用钛合金制造；新型钛合金球鼻艏目前已经应用，该高性能钛合金球鼻艏具有强度高、刚性好、透声性能优异、内部噪音低、质量可靠、维修费用低等优点，受到专家的高度评价，填补了国内高性能钛合金球鼻艏研制的空白。同时针对钛合金透声性能好的优点，在试验船上采用了舷侧钛合金透声窗结构，并成功解决了大型平面薄壁钛合金结构的焊接纵向收缩和平面扭曲失稳变形、大面积钛合金双曲面成形、钛合金与钢结构连接部分的结构水密性和电绝缘、焊接过程密封橡胶的隔热等关键技术，图2为该试验船舷侧阵钛合金透声窗外观。

图2 某型试验船钛合金舷侧阵透声窗外观

此外钛合金也应用在鞭状天线、潜望镜部件及雷达天线支座、各类热交换器、冷却器、管系、泵、阀等部位，同时在声呐导流罩、声扫雷具以及螺旋桨等部位也应用了钛合金，均取得较好的效果。

4 我国钛合金在舰船上的发展方向

针对国内外舰艇用钛合金材料应用、发展现状，在此提出了我国钛合金材料在舰艇上应用方向，如下：

1）全钛合金船体是舰艇船体结构的一个重要发展方向。鉴于我国目前无相关的实际建造经验，可开展全钛合金舰艇的研究设计工作，例如：

a）针对钛合金高比强度，开展全钛合金高速、超高速战斗舰艇的设计、建造方法研究；

b）针对钛合金低磁性的特点，开展全钛合金扫雷艇的设计、建造方法研究。

2）潜艇的下潜深度及航行性能直接影响其生存能力及海上作战性能。正是由于钛合金具有优异的综合性能，故潜艇的耐压壳体、鱼雷舱等部位是钛合金材料发展方向之一，通过降低钛材成本，开发新工艺、新技术，加快钛合金在大潜深潜艇的大量应用。

3）由于全寿命期间费用低于目前采用的动力及管路系统用材料，钛合金材料在动力及管路系统的大量应用将成为我国舰艇工业发展趋势。通过开发特殊性能、高强度钛合金材料并进行新工艺、新技术研究，扩大钛合金在各种高温、高压、耐腐蚀管路及热交换器、海水淡化器、冷却器、冷凝器等设备的应用。

4）通过开发新材料并结合结构设计技术如超塑性成型工艺［8］，将钛合金运用于舰船防护结构中。如美国西北大学开发出氮化钛颗粒强化的Blast Alloy 160，其抗拉强度达1 100 MPa，在低达－40℃低温下任能保持较好塑性，该多层桁架板材结构能起到关键部位的爆炸防护作用［9］。

5 后期需开展的工作

鉴于以上分析，可以看出我国船用钛合金的生产与船舶产品的建造工艺技术已基本成熟，但钛合金材料在舰艇上的使用过程中也发现了一些问题，制约了舰船用钛合金的进一步使用，为此今后还需开展以下几个方面的研究工作：

1）开展特殊性能钛合金研究工作，研制高强度钛合金；

2）开展大厚板以及配套焊材的新工艺、新技术研究，解决焊接等制造技术方面的问题并改进其性能及工艺，使其满足舰船用要求；

3）在不明显降低其强度及韧性指标的情况下，通过工艺，降低钛及钛合金成本，从而有助于钛及钛合金在舰船上的推广应用；

4）我国钛合金产品工程化程度不高且材料成熟度不高，无批量化生产，从而造成工作不深入、不系统，不能形成全套的工艺文件和检验技术文件。可通过加大投入，进行应用研究，以加速舰船用钛合金工程化应用进程；

5）开展大型模拟件实验验证工作，研究钛合金结构设计及计算、工艺性能分析、寿命及失效模式分析以及产品质量检测等相关技术，为装备的制造、使用提供指导性文件。

6）由于我国目前无全船钛合金设计、建造经验，建议开展全船钛合金的实船验证工作。

［1］ 孙建科，孟祥军，陈春和，等.我国船用钛合金研究、应用及发展［J］.金属学报，2002，38（21）：33-36.

［2］ KRYLOV V V.About designing experience of SubNavys and deep submersibles from titanium alloys in bureau［J］.MALACHITE，2002，7（3）：63-70.

［3］ 陈军，赵永庆，常辉.中国船用钛合金的研究和发展［J］.材料导报，2005，19（6）：67-70.

［4］ 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，2006，21（3）：40-42.

［5］ 宁兴龙.俄罗斯舰船用钛［J］.钛工业进展，2003（6）：28-31.

［6］ 姚润刚.新材料技术对CVN－21航空母舰的有利影响［J］.舰船工程研究，2007（3）：11-17.

［7］ Zhao Feng（赵 峰）et al.Rare Metal Material and Engineering［J］.稀有金属材料与工程，2005，34（S）：346.

［8］ SCHUH C，et al.Non－Isothermal transformation mistch plasticity：modeling and experiments on Ti－6Al－4V［J］.Acta Materialia.2001，49：199～210.

［9］ 杨英惠.抗冲击波钢可防止海军舰只船体损坏［J］.现代材料动态，2005（6）：7-9.

Application of Titanium Alloys in Ship Building

Tian Fei Yang Xiong－hui
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Due to the advantages of high strength－to－weight ratio，anticorrosion and sound transmission，titanium and its alloys are widely used in many fields such as aerospace and aircraft，petroleum and chemistry，and ship building.This paper summarizes the major features and types of those titanium alloys that are applicable to build ships，reviews the advancement and development in Russia and the U.S.Besides，the current usage of such alloys in China is presented.Considering the developing characteristics of ship in China，the trend of employing titanium alloys is predicted，suggestions are made，and related works are proposed as to how to use such alloys for ship building.

ship；titanium alloy；application

U668.2

A

1673－3185（2009）03－77－04

2008-05-15

田 非（1977－），男，助理工程师，硕士。研究方向：舰船结构设计。E-mail：tianfei0008＠163.com

杨雄辉（1969－），男，高级工程师。研究方向：舰船结构设计