摘要：闡述鈦及鈦合金特性，以及其在船舶中應用的優(yōu)越性。介紹鈦合金在船舶中的應用現(xiàn)狀，分析了鈦合金在船舶中應用的發(fā)展趨勢。
船舶的服役環(huán)境為苛刻的海洋性氣候，由于長時間接觸海水，船體及其設備、構件（如高溫排氣管、海水閥和泵、螺旋槳等）很容易被腐蝕，對其采取防護措施又極其繁瑣和困難，因此就對船舶用材料提出了特殊的技術性要求：①耐海水腐蝕性好。②高、低溫環(huán)境下穩(wěn)定性好。③安全可靠，大承載、維修少或維修便捷，彎曲、焊接等可加工性好。
1、鈦及鈦合金作為船舶用材料的優(yōu)點
鈦及鈦合金以其自身具備的優(yōu)良特性，幾乎滿足船舶用材料的全部要求，堪稱一種接近完美的船舶用材料。其優(yōu)點如下：
（1）質輕，比強度高。鈦的密度為4.5g/cm3，比鋁2.7g/cm3的密度高，比鐵7.9g/cm3的密度低，僅為鐵的57%。鈦的密度雖比鋁大不到2倍，但是強度是鋁的3倍。在工業(yè)工程應用中，選取比強度高的金屬時，鈦合金可作為首選材料。同種條件下，用鈦制造的深潛器下潛深度可達萬米，而鋼制深潛器下潛深度遠遠達不到。此外，鈦磁性為零，在任何強度的磁場中都不會受到干擾，因此在海上作戰(zhàn)時，采用水雷、魚雷等磁性雷攻擊武器，對于鈦合金制造的船體外殼毫無攻擊性，具有較好的反監(jiān)護作用，這一特性深受軍事工程應用的青睞。
（2）海洋性氣候環(huán)境下的耐腐蝕性好。當鈦合金處于空氣和一些含氧介質中時，由于鈦和氧具有較強的親和力，表面能迅速形成一層致密、附著力強和穩(wěn)定性好的氧化膜，在很多介質中不易被破壞，從而對鈦基體起到保護作用。有研究表明：無論是在全浸區(qū)、潮差區(qū)、飛濺區(qū)還是海洋性氣候環(huán)境下，鈦及鈦合金分別在南海、北海、東海三個水域16年的腐蝕速率幾乎接近零。因此船舶采用鈦合金制造一方面可以延長使用壽命，另一方面可以減少后期由于表面發(fā)生腐蝕而采取防護處理等的費用。
（3）優(yōu)異的綜合性能。鈦合金可進行冷熱成形、自由鍛造、擠壓及焊接等各種加工，具有良好的加工適應性。資料研究表明，鈦合金在-60～20℃范圍內進行沖擊韌性試驗，本身不存在脆性轉變點。此外，與鋁合金和鋼鐵相比，鈦合金的耐熱、耐低溫性能和斷裂韌性最好。
2、鈦合金在船舶中的應用現(xiàn)狀
目前，對船用鈦合金進行專門研究并形成體系的國家主要有俄羅斯、美國、日本和中國。附表所示為國內外船舶上用鈦部位及常采用的合金。
國內外船舶上用鈦部位及常采用的合金
俄羅斯是世界上最早對鈦合金在船舶上的應用進行研究的國家，擁有可供工程應用參考（有關設計、選材和工藝等）的成套體系文件。前蘇聯(lián)專家通過“帕帕”級全鈦合金巡航導彈試驗艇向世界展示了采用鈦合金制造攻擊型核潛艇的可行性。此后，俄羅斯相繼研究制造了“梭魚”級和“禿鷹”級鈦合金潛艇。對俄羅斯船用鈦合金進行梳理發(fā)現(xiàn)：俄羅斯船用鈦合金牌號多、成分簡單，多注重合金系列與應用設計的統(tǒng)籌研究。
美國最先對航空用鈦合金進行研究，后來在航空用鈦合金的基礎上，根據(jù)船舶服役環(huán)境，形成了船用鈦合金體系，并成功地將鈦合金應用于各種動力的潛艇、海水管路系統(tǒng)及深潛器的耐壓殼體等，如Aivin號、Sea-Cliff號深潛器等。美國船用鈦合金牌號不及俄羅斯多，更重視應用如耐蝕性能的提高等研究。
日本對船用鈦合金的研究應用發(fā)展迅速，目前主要應用的牌號有純鈦、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4VELI，主要應用于深潛器的耐壓殼體、配管等。
我國最早于1962年對船舶用鈦合金進行研究開發(fā)。經過數(shù)十年的發(fā)展，研究、制造水平均有了很大提高，已從最初的仿制國外牌號合金，到現(xiàn)在的自主研發(fā)船用鈦合金體系，如TA2、TA5、Ti31、TiB19、Ti70和Ti631等。目前，由中船重工725所與寶雞鈦業(yè)、701所共同研制的Ti70合金已成功應用在船舶導流罩上。其中值得驕傲的是，我國高溫鈦鋁合金材料于2016年6月20日取得重大跨域性突破，其壽命優(yōu)于美國1～2個數(shù)量級。
3、我國鈦合金在船舶中應用的發(fā)展趨勢
與發(fā)達國家相比，我國的船用鈦合金研究、應用均存在一定的差距。目前，我國船舶用鈦量占總質量的比例還不足1%，而俄羅斯船舶用鈦量已接近18%。隨著我國藍色海洋戰(zhàn)略的提出，海洋工程裝備勢必得到大力發(fā)展，那么被稱作“海洋金屬”的鈦合金也將迎來快速發(fā)展期。下面主要從5個方面對鈦合金在船舶中的應用發(fā)展趨勢進行闡述：
（1）我國船用鈦合金體系雖然已形成，但是在船用鈦合金設計、選材和工藝等方面間的有效協(xié)調合作機制還不完善，材料評價標準比較缺乏，造成目前的應用水平處于分散、零星狀態(tài)，因此我們要整合現(xiàn)有資源，完善并優(yōu)化鈦合金性能；建立系統(tǒng)的船用鈦合金評價體系和數(shù)據(jù)庫，促進其在船舶上穩(wěn)定、高效地使用。
（2）研究開發(fā)新的技術和工藝，并將計算機信息模擬技術逐漸推廣應用，盡量縮短制造周期，提高成材率。如3D打印技術、激光快速成形技術等。
（3）各行業(yè)人員改變對鈦合金高成本、高投入的觀念。近十年來，從原材料價格分析來看，海綿鈦的價格處于較低期，為鈦合金市場的擴大提供了保障。按傳統(tǒng)材料的服役周期為2～10年計算，在苛刻的海洋性氣候環(huán)境下，服役期間的傳統(tǒng)材料必須進行防腐處理、維修，甚至更換，后期費用將大大增加。而鈦合金只需要進行簡單維護即可。此外，還可以通過以下途徑降低鈦及鈦合金的生產成本，來擴大其在船舶行業(yè)的應用：①探索新的鈦提煉方法，或者通過添加一定量生產過程中的殘料，實現(xiàn)資源二次利用，并降低原材料成本。②設計新型合金時盡量使用低價格合金元素，研制低成本合金等。
（4）由于船用結構件多為焊接件，一般尺寸較大，因此開發(fā)船用結構件相關的焊接工藝技術與焊接材料就顯得尤為重要。
（5）目前國內生產的鈦粉多為中低檔產品，不能滿足高端客戶要求，高質量鈦粉仍需進口，大大增加了成本價格。應組建專家團隊對此項技術進行攻關，自主研發(fā)高質量鈦粉。
4、結語
隨著科學技術的飛速發(fā)展，鈦合金成本逐漸降低，在國家一系列政策的推動下，鈦及鈦合金在船舶中的應用顯現(xiàn)出設備的輕量化、高速度及高的安全可靠性等諸多優(yōu)勢，船用鈦合金必將迎來快速的發(fā)展。
本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2016年第19期40-41頁
作者：中國船舶重工集團公司第七二五研究所夏申琳等
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