鈦棒鈦鍛件等鈦合金材料的耐壓殼體在船舶建造中的應用研究

1、引言

鈦金屬在地殼中主要以氧化鈦（TiO₂）的形式存在，其含量僅次于鋁、鐵、鎂，儲存量十分豐富。作為一種稀有金屬，1791年作為一種礦物質被發現；1940年盧森堡科學家用鎂還原 TiC_l4 得到了純鈦，至此鈦金屬的生產進入工業化階段，其應用范圍也被進一步拓展。例如我國首個載人深海潛水器即使用Ti80鈦合金耐壓殼，順利下潛至4500米深海。目前越來越多的國家對于鈦合金的實用價值給予足夠的重視，在船舶耐壓殼體應用中的性能與優勢也被廣泛重視。

2、鈦合金材料特點

鈦合金材料是指在鈦元素中加入其他元素構成的合金，鈦合金材料具有密度小、強度高、韌性好和優秀抗腐蝕性的特點，在制造船體結構時使用鈦合金，極大提升設備性能。首先，從其強度性能看，一般的鈦合金密度約為4.5g/m³ ，密度僅僅是鋼材料的 60%，但是強度卻比鋼材料高很多，在船體中利用鈦合金能夠制造出重量輕、強度高的部件。其次，從抗腐蝕上看，鈦合金在船舶建造中有著天然的優勢，其抗腐蝕性能遠遠超過不銹鋼。而且對于堿、氯化物或者氯的有機物品、硝酸等都有很強的抗腐蝕性能[1] 。無論在清潔還是污染的海水中，鈦合金都能夠保持鈍化狀態，腐蝕率僅為0.00076μm/a，幾乎可以忽略不計。同時，鈦合金材料低溫性能好，在海洋低溫環境中都能夠保持良好的物理性能，使用溫度在300 ～ 600℃之間。在-296℃的低溫下其強度也遠遠高于其他合金。鈦合金的各種性能更符合船舶設計與建造要求，所以一直被作為大型潛艇、深海潛水器等設備殼體的主要材料，俄羅斯作為世界上第一個使用鈦合金耐壓殼體的國家，其鈦合金生產工藝長期處于世界領先位置。具體而言，根據鈦合金在船體中的使用位置，可以分為殼體用鈦合金、動力工程用鈦合金和船機用鈦合金。根據其特性可以分為可焊結構鈦合金、高強度鈦合金、耐熱鈦合金等。表1是鈦合金與其他幾種金屬材料性能、成本的對比。

表 1 鈦合金材料性能與其他幾種金屬材料性能的對比

從表1可以看出，無論是強度還是延伸率，高強鈦合金都遠遠高于另外兩種合金。但是鈦合金缺點是制造成本高，而且工藝復雜，切削加工困難。尤其是在熱加工過程中很容易混入各種雜質，導致焊接質量受到嚴重的影響。

3、船舶建造中對耐壓殼體的質量要求

船舶建造中對于金屬材料的要求較高，不但要具有抵御風浪的良好強度；而且也具有良好的耐腐蝕性，以降低海水、海洋大氣對船體的破壞。所以，長期以來船舶建造材料一直是船舶領域研究的重點。從實際使用情況看，目前國外船舶中對于鈦合金使用較為廣泛，我國船舶建造中由于鈦合金成本、焊接工藝等因素的影響，還存在很多的應用障礙，在一定程度上影響了鈦合金材料在船舶建造中的應用。

船舶建造中的耐壓殼體大多應用于船體結構中，但是由于海洋環境下具有較強腐蝕性，而且需要承受海水的巨大壓力與腐蝕性環境，所以對船舶結構性能有更高的要求，保證耐壓殼體在使用中不會因海水壓力和腐蝕而損壞。因此，近年來對船舶建造中耐壓殼體的性能要求越來越高。一般常見的船舶耐壓殼體主要結構形式包括球形、圓柱形、圓錐形等多種，但是海洋航行中的惡劣環境對耐壓殼體使用的材料提出更高的要求，需要對其物理性能進行嚴格的測試，以確保船舶航行安全。在鈦合金使用中，我們也自主研發了一些船舶使用的鈦合金，如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5 等，應用于船體、動力裝置、民用船只耐壓殼體等[2] 。但是與俄羅斯、美國相比，我國鈦合金在船舶中的應用不太成熟，還具有很大的應用推廣空間。

4、鈦合金材料耐壓殼體在船舶建造中的應用

有鑒于鈦合金材料良好的性能，近年來在船舶制造中得到一定應用。從實際情況看，在民用船只、深海潛水器、軍用船只，鈦合金材料應用較為廣泛。本節主要根據應用情況，對鈦合金材料在船舶制造中的應用與發展進行簡要探討。

4.1 鈦合金材料在民用船只中的應用

民用船舶由于長期浸泡在海水中，受到海洋侵蝕和海洋大氣環境的影響，船體結構很容易受到腐蝕，尤其是螺旋槳等接觸海水的部件。所以在建造中往往對材料有著更高的要求，包括要具有很強的耐腐蝕性、強度高、維修少等，進而滿足船舶使用中耐蝕性、耐久性、牢固性、可靠性及穩定性等多方面要求。在航運中具有較強的承重力，受到海水沖擊時，能夠盡量減少其對船體的破壞。同時還能夠降低船體重量，提升航行距離。這些嚴苛的條件，都為鈦合金材料在船舶建造中的應用奠定了良好的基礎。例如如果用銅或者不銹鋼來制作船舶的泵、閥和管系，一般只有 2—5年的壽命。如果用鈦合金來制作，其使用壽命會遠超銅和不銹鋼[3] 。

4.2 鈦合金材料耐壓殼體在深海潛水器中的應用

深海潛水器是探索深海救援，進行深海科學研究的重要基礎，在技術獲得突破后又可以被應用到軍事領域。

所以，近年來世界各國都十分重視深海潛水器的制造，在我國第一個深海潛水器制造中，由于鈦合金焊接工藝極高，所以一直采用俄羅斯制造的鈦合金耐壓殼。美國則重點研制了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 等船用鈦合金，有效提升船舶運動過程中的穩定性，減輕船體質量[4] 。例如我國上海鋼研所研制的 Ti-Nb-Zr-Mo鈦合金性能接近 α 高強度鈦，其強度、韌性、可焊接性、耐腐蝕性的綜合性能都得到很大的提升，成為深海潛水器耐壓殼體的最佳材料。

4.3 鈦合金材料在軍用船只中的應用

鈦合金材料在軍用船只中的應用也十分廣泛，作為世界上最早研究、應用鈦合金的國家，俄羅斯目前已經構建出齊全的鈦合金體系，并將高強度的鈦合金應用至船體、船機和動力裝置等方面。例如列寧號破冰船制成的鈦合金蒸汽發生器，順利使用了幾十年未出現損壞[3] 。美國海軍 1950 年即開始重點發展鈦合金在軍用船只中的應用，隨后將鈦合金材料應用至各種動力潛艇、水面艇，材料包括 Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等。我國對于鈦合金材料在軍用船舶中的應用研究開始于 1962 年，目前鈦合金已經應用至船體結構、螺旋槳、電子電力系統以及各種特殊裝置中，滿足艦艇、潛艇和深潛器對不同強度級別的要求[4] 。

5、結語

鈦合金被廣泛應用以來，我國經過幾十年的技術研究與發展已經形成較為完善的產業鏈，并為船舶建造行業帶來明顯的社會效益與經濟價值[5] 。相對于船用鋼材，鈦合金雖然是鋼材價格的數倍，但是鈦合金使用壽命更長、技術性能更具優勢，其邊際成本更低[6] 。所以在動輒壽命數十年的海洋船只建造中，積極使用鈦合金不僅能夠延長使用壽命，而且維護費用低，值得在船舶制造行業中廣泛推廣。

【參考文獻】

[1] 王鵬飛，江亞彬，宋江，等 . 深海用復合材料耐壓殼體結構設計方法研究 [J]. 復合材料科學與工程，2020(11):49-53.

[2] 王珂，吳麗，李永正，等 . 新型鈦合金材料疲勞裂紋擴展試驗研究 [J]. 艦船科學技術，2020，42(21):9-12.

[3] 吳建新 . 鈦合金材料在船舶材料上的應用 [J]. 船舶物資與市場，2020(8):5-6.

[4] 肖偉星 . 船用鈦合金材料焊接中的常見問題與對策 [J]. 中國設備工程，2019(2):188-189.

[5] 江洪，陳亞楊 . 鈦合金在艦船上的研究及應用進展 [J]. 新材料產業，2018(12):11-14.

[6] 李德強，王樹森，包恩達 . 鈦合金材料在船舶材料上的應用與發展 [J]. 世界有色金屬，2015(9):127-128.

基金項目：甘肅省教育廳高校創新基金項目，基于水環境的大氣波導觀測方法研究（2020A-220 號）。

作者簡介：鐘立才（1987- ），男，甘肅蘭州，本科，講師，研究方向 : 高分子材料加工機械。

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