船用钛合金材料焊接中的常见问题与对策

肖伟星

（大连航运职业技术学院，辽宁 大连 116041）

钛合金材料不但机械性能优良，强度范围宽，物理性能独特，而且结构的有效性和强度比都很高，耐腐蚀性能和抗冲击性能都非常优良。在船舶上有效应用钛合金材料，能够将有效性和可靠性得到有效提升，维护和维修的费用减少，从而使增载和减重得以实现。

1 我国船用钛合金材料的应用现状

21世纪以后，我国在钛合金的应用发展很快。结合船舶整体设计的要求，生产和研究各材料的企业与船重工专业材料研究所密切配合，以及研究船用钛合金的应用成果有机地结合，将焊接工艺技术的难题和整体制备有效地进行解决，将船用钛合金装备成功地进行了开发，并成功地进行多项应用。

最近几年，我国在应用钛合金结构制造方面已经有了很大的进步。另外，将钛合金在鞭状天线、回路系统排污，还有潜望镜部件、安全设备、各类冷却器、热交换器等相关部位进行应用，效果都非常好，还将记忆合金管接头NiTiNb进行了研制，并且已通过工程应用的考核。钛合金应用系统是典型代表。

1.1 钛合金排出余热冷却器

采用的高韧合金管Ti31、中强、各种规格锻件以及板成型以后，通过组焊将钛合金排出余热冷却器制备而成。

1.2 钛合金的特点

钛合金既具有无磁和高比强度以及高电阻率的特点，又具有很强的耐海水腐蚀的性能。

1.3 钛合金泵和阀以及管系

船舶上泵和阀以及管材在海水中长期工作，条件相对比较恶劣，有效运用钛合金进行制造，具有非常好的效果。当前已经将许多种钛合金管系制造出来，在排烟系统和通海系统中进行应用。

1.4 船用燃气机系统

为了提升发动机的出口温度，与压比相适应，高压燃气机的1～7级轮盘和低压燃气机的0～8级轮盘，运用钛合金TC11进行制造，燃气机轮机装机的试车考核已经通过，取得了非常好的效果，并已正式应用。运用钛合金TC11制造动叶片，高压燃气机8．9级动叶片耐压水平和长寿命的要求都很高，采用钛合金BT8；夹板运用钛合金TC6；底架运用钛合金BT14，在燃气机轮机上也已经应用钛合金。

1.5 钛合金雷达天线支座和天线以及雷达基座

为了解决海水腐蚀雷达天线系统的问题，雷达天线支座和基座利用钛合金制造，有效利用钛合金高质量管材将雷达天线制造，已经在船舶上成功地应用，不但将海水腐蚀的问题解决了，而且，还将船的重量减轻了，技术性能也有效地提升了。

1.6 钛合金声纳导流罩

钛合金Ti70既可冷成型，又具有很好的透声性能，已经攻克组焊和双曲成型等相关的技术难题，将钛合金声纳导流罩成功研制，并且已经得到进一步应用。

1.7 钛合金螺旋桨和紧固件

钛合金抗缝隙腐蚀性能和抗空泡剥蚀性能都非常强，是最好的选择材料。1972年，我国开始对水翼快艇螺旋桨进行研制，各种钛合螺旋桨都已经生产，单支固定螺旋桨最重的可达130kg左右。实践使用可以了解到，钛合金螺旋桨的重量只是铜质量的1/2，而使用寿命则是铜合桨的5倍。

1.8 推进喷水装置

1985年，我国对推进喷水装置进行研制，经过实践使用以后，将海水腐蚀的问题彻底解决了。在喷翼艇上运用该装置，能够将喷翼艇的寿命和使用性能实现很大程度地提升。

2 船用钛合金材料焊接中存在的常见问题及对策

钛合金与铜和钢等其它金属接触时，其它金属的腐蚀电位比较低，而钛合金腐蚀的电位高，电偶腐蚀就容易产生，使其它金属的腐蚀速度加快，导致钛合金在船舶上的应用受到了制约。

2.1 缝隙腐蚀

船舶中有些可以拆卸的螺纹和法兰等连接件，都有比较小的缝隙，侵蚀性比较强的高浓度氟离子和氯离子容易存留在内部，这就需要在海水环境中，钛合金抗高温缝隙的腐蚀能力必须要强。在淡化海水设备和钛合金热交换器中，1．5～4的介质PH值和90～250℃的工况环境，缝隙腐蚀非常严重。将Ru和Pd元素加到钛合金中，能够将钛合金耐缝隙腐蚀的性能有效地改善。从当前来看，钛合金含有Ru和Pd元素的表面处理是最有效处理表面的方法，例如，将Ru和Pd元素渗入到钛合金的表面，或者利用微弧氧化，将含有Ru和Pd元素的氧化物在钛合金的表面形成。为了降低处理表面的成本，在钛合金的表面，也可以将含有Ru和Pd元素的梯度涂层进行制备。钢结构利用阴极进行保护时，钛合金容易出现氢致开裂的现象。但是，铝与钛合金接触，利用阴极进行保护，-800～-1050mV之间的电位，氢过饱和就不会发生。

2.2 焊接大型结构件

船上使用的高压力容器和壳体以及拉伸部件等相关的大量结构件，为了满足耐压性能的要求，必须要采用高强钛合金，高强钛合金的厚壁焊接件连接必须在海水中的操作性非常强，焊接以后，不需要再进行热处理。当前此类的钛合金已经大量地进行发展，欧洲和美国采用低间隙钛合金TC4和钛合金TC4，低间隙钛合金TC4，就是控制钛合金TC4氧含量在0．14%之内；俄罗斯将5V、37以及PT-3V近α 型的船用钛合金进行了研发。大型结构件因为焊接以后，不可热处理，拉伸应力为焊接表面的应力，会影响疲劳性能的产生，很危险的结果就会产生。所以，需要超声冲击处理焊接表面，焊接表面的拉伸应力应该转为压应力，以便有效提升抗疲劳的性能。

2.3 电偶腐蚀

铜和钢与钛合金连接以后，电偶腐蚀的现象就会出现。为了避免这种电偶腐蚀，采取以下防护措施：其一，采用沥青质橡胶对阀嘴和管材与铜和钢设备所接触的界面进行绝缘处理。其二，利用微弧氧化和热氧化以及阳极氧化，对管材进行处理，在金属表面将陶瓷层或者氧化层形成，来进行绝缘。其三，在不锈钢喷嘴与钛管连接的部位，利用中间凸缘进行保护。氧化处理钛管，将氧化膜形成，致使钛合金阴极降低极化效应，达到80%～90%，氧化膜寿命与钛管寿命相等。

3 我国船用钛合金发展的前景

从当前来看，已经应用的船用钛合金有纯钛、钛合金TA16、钛合金TA17、钛合金TA24、钛合金TA22以及钛合金TA31，管材、板材、锻件、棒材、铸件以及丝材等是主要的形成产品，在船舶上这些钛合金也被大量地应用。研究这些钛合金的性能方面，主要对冲击和拉伸以及基本腐蚀等相关性能进行研究，相对于国外研究船用钛合金上，我国钛合金应用在海洋环境中深入的评价数据比较欠缺。若想将海洋工程上应用钛合金并进行推广，必须要研究海洋环境下的试验，将使用钛合金的数据更多地进行积累。针对于研究材料而言，分析和研究海洋环境中钛合金的性能。

其一，受力方式、工况环境、钛合金在海水中受交变载荷的腐蚀疲劳、应力腐蚀断裂韧性以及疲劳裂纹的扩展速率等，这些影响都要分析和研究。

其二，研究氯化环境和H2S中Ru和Pd元素对钛合金的耐腐蚀机理。

其三，无论是钛合金管材受加工工艺的影响，还是管材加工工艺受钛合金管材结构类型的影响，都要进行分析和研究。

其四，在辐照环境下，对钛合金的疲劳性能和拉伸的评价。

其五，研究和评价新型耐腐蚀钛合金近净成形的技术。

其六，分析和研究耐腐蚀钛合金的各种焊接形式的矫正和控制焊接变形。