船用钛合金装备材料及制备技术研究进展评述

周文萌(大连理工大学海洋科学与技术学院,辽宁盘锦124221)

船用钛合金装备材料及制备技术研究进展评述

周文萌(大连理工大学海洋科学与技术学院,辽宁盘锦124221)

发展先进制造需要材料先行，海洋工程装备材料，特别是舰船装备材料的发展水平更是衡量一个国家海上工业实力的重要指标。综合性能指标突出的钛及钛合金更是舰船装备高性能材料的重中之重。文中将综述国内外船用钛合金材料的发展历程和研究现状，探讨我国发展高性能钛合金材料目前遇到的技术难题和研究方向。

船用钛合金；应用问题；国内外研究进展

随着对海洋权益的日益重视，各邻海国家纷纷将舰船与海洋工程装备的研发筹建提上日程，要提高我国的海洋资源开发利用能力和综合制海能力，必须大力发展舰船装备和海洋工程装备。

材料性能的高低很大程度上影响着舰船装备的服役安全性和技战术水平，无论是航母还是一般舰船材料，选材都尤为重要。在保证安全性的基础上，材料的经济型、耐久性、维修性都需要综合考虑。钛及钛合金是目前相对理想的船用金属结构材料，主要优势在于其密度小、强度范围广、结构可靠性和比强度较高、耐腐蚀和冲刷腐蚀性能良好、抗冲击性和可加工性优异，应用于舰船中可以显著减轻设备重量、延长设备使用寿命，从而使整体舰船的技术战术性能大幅提高。

1 原理

1.1 主要设计准则

船用钛合金需要在海洋环境中保持长期的服役时间，所以在设计时需要综合考虑船用钛合金的可焊性、应力腐蚀断裂韧性、强度。

1.2 强化机制

近α型船用钛合金的强化机制为添加合金稳定元素实现强化和变形后再结晶强化。俄罗斯、美国、中国船用钛合金的主要添加元素为Al，V，Mo，Nb，Zr。此外，中国船用钛合金的稳定元素还包括Ni、Fe，Ni元素在合金中以TiNi相析出，用于提高合金的抗缝隙腐蚀能力。同时，为了保证船用钛合金的高温服役特性、工艺变形特性和焊接性能，一般对杂质元素含量有着严格的要求，需对海绵钛的品质和熔炼工艺进行严格控制。

1.3 主要问题

当钛合金应用于实际海洋工程中，会由于环境的特殊性或者不同材料间使用匹配的问题，进而引发腐蚀破坏，影响结构的服役寿命。

1.3.1 缝隙腐蚀

海水环境下，在构件缝隙或者缺陷处，由于电解质的滞流构成电化学电池而引起局部腐蚀现象，最终导致局部穿孔破坏。

1.3.2 电偶腐蚀

其他金属与钛合金接触时，由于钛合金的腐蚀电位为正，高于其他金属，从而易产生电偶腐蚀，加速其他金属的腐蚀，这个问题制约了钛合金在实际工程中的应用。

1.3.3 其他

目前我国对船用钛合金材料的研究缺乏在服役海水环境下的大量追踪评价数据，不利于船用钛合金在海洋环境下的应用推广与优化改进。

2 国内外研究进展及评述

目前为止，世界上专门的船用钛合金研究主要在俄罗斯、美国、日本和中国进行，在此只谈讨俄罗斯、美国、中国的钛合金研究现状。

2.1 俄罗斯

早在1968年，前苏联就建造了世界上第一艘钛合金多功能核潜艇。无论是使用规模、技术水平还是建造能力都在国际上处于领先地位。俄罗斯已经成功将船用钛合金大量应用于舰船使用部件和设备中，包括船体、船机、动力装置等。

2.2 美国

美国在航空用钛合金的研发基础上选用在海水环境下耐腐蚀、可焊性和抗冲击性良好的中强可焊钛合金材料应用到舰船装备乃至航母上，利用钛合金代替钢大大减轻了结构质量，提高了在海水腐蚀环境下的稳定性。

2.3 中国

我国船用钛合金的研究始于1962年，经过50多年的努力，我国创新研制的不同强度级别船用钛合金已基本形成具有中国特色的钛合金体系，其变化强度范围为320～1100Mpa，因而按照屈服强度等级可以划分为低强、中强、高强钛合金，目前我国船用钛合金体系中包括中强高韧Ti75合金、中强高塑Ti31合金、高强高韧Ti—B19合金、中强Ti91和Ti70合金、高强Ti80合金等，基本可以满足各种工程设备的不同需求。

3 我国船用钛合金的研究展望

虽然目前已经有基本的钛合金体系，但我国的船用钛合金应用水平依然不高，且加工工艺和制备技术仍存在几个技术难题：

(1)舰船装备用Ti合金设计、验证及评价技术；

(2)高性能Ti合金材料的低成本加工制造技术；

(3)稳定化生产高性能Ti合金的技术；

(4)大型Ti合金部件的可靠焊接技术；

(5)超大规格Ti合金部件的成形制造技术；

(6)超大规格（外径600mm，壁厚20～30mm，长度大于15m）Ti合金管材的加工生产技术；

(7)高效、稳定、可靠的Ti合金接触腐蚀、电偶腐蚀防护技术及海生物污损防护技术。

4 结语

钛合金是目前相对理想的船用结构材料，使用钛合金对舰船的移动性、稳定性、轻型化等综合性能均有大幅度提高。经过对国内外技术对比不难看出，目前中国的船用钛合金技术依然落后于西方先进国家，但以Ti80为代表的我国自主研发的钛合金体系正在逐步缩小与世界前沿的差距。未来船用钛合金制备将在近净成形技术、精密模具技术、计算机技术、数值分析和模拟技术实现重点研究，前景和市场十分广阔，其应用将带来明显的经济效益和社会效益。

[1]张文毓，钛合金近净成形技术研究进展,《技术交流》, 2009.04(2).

[2]富招弟，李佐臣，黄张洪，两种典型船用钛合金的应用，《材料热处理技术》,2012.03(4).