1、前言

自上世紀(jì)60年代我國就開始研究鈦材在海軍工程中的應(yīng)用，經(jīng)過40多年的研究取得了很大的成績和進(jìn)展，先后由國家、海軍組織召開了多次大型鈦材在海軍工程應(yīng)用的研討會(huì)、推廣會(huì)，并且在水面、水下武器裝備中得到了一定的應(yīng)用。但是應(yīng)用還十分有限，仍然存在著選材不盡合理，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不夠規(guī)范，大規(guī)模應(yīng)用鈦材的品種規(guī)格不夠配套齊全，鈦材產(chǎn)品制造費(fèi)用偏高，大型船廠應(yīng)用鈦材設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)加工配套能力弱等問題。有些工況條件下對(duì)鈦材應(yīng)用的認(rèn)識(shí)水平還比較粗淺，例如腐蝕問題，海生物附著問題，全壽命周期的性價(jià)比等問題。除材料標(biāo)準(zhǔn)外，還有在系統(tǒng)的加工制造方面的標(biāo)準(zhǔn)比較缺乏，設(shè)備加工制造供貨周期偏長，鈦設(shè)備加工制造廠家少，競(jìng)爭招標(biāo)的態(tài)勢(shì)遠(yuǎn)未形成等一系列問題。

國外，鈦材在海洋工程的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，應(yīng)用技術(shù)成熟。以俄羅斯為代表，其在國民經(jīng)濟(jì)中對(duì)鈦材應(yīng)用中的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造一直給予了特殊的重視，對(duì)艦船裝置用鈦合金熱交換器、容器、管路系統(tǒng)，聲納系統(tǒng)、深潛器也給予了重點(diǎn)支持，使鈦合金在海軍工程中得到了有效的應(yīng)用。俄羅斯在艦船用鈦合金的設(shè)計(jì)理論、合金選取原則，以及在重大工程中的一系列理論、工藝、材料和設(shè)計(jì)等方面做了大量卓有成效的研究、試驗(yàn)工作，積累了可供實(shí)際工程應(yīng)用的成套技術(shù)文件。同時(shí)，針對(duì)水面艦船、水下潛艇、深潛器、水中兵器等也做了大量單項(xiàng)、設(shè)計(jì)型、綜合型的試驗(yàn)以及實(shí)船試驗(yàn)，從系統(tǒng)工程出發(fā)，總結(jié)了應(yīng)用時(shí)應(yīng)該解決的問題和如何解決這些問題，真正做到了一艦數(shù)據(jù)多艦用，一個(gè)結(jié)構(gòu)可以被另一個(gè)結(jié)構(gòu)所應(yīng)用。

我國目前和國外相比，鈦材生產(chǎn)水平相當(dāng)，但應(yīng)用水平還處于分散、零星的狀態(tài)，還有相當(dāng)?shù)牟罹啵嬖诘膯栴}只能在應(yīng)用中研究，在應(yīng)用中去解決。

2、鈦材在國內(nèi)外海軍工程的應(yīng)用現(xiàn)狀

鈦以其輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛、高耐蝕、無磁性等優(yōu)異性能被稱為“海洋金屬”，是海軍工程最有應(yīng)用前途的金屬材料，被世界各國廣泛應(yīng)用于水面艦船、水下潛艇、深潛器、水中兵器、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。美國、日本、俄羅斯在深潛器上成功地使用了鈦材，使下潛深度分別達(dá)到了5000，6000和6500ｍ。俄羅斯是在核潛艇中使用鈦材最多的國家，其中最典型的是全鈦核潛艇，其單艇用鈦材達(dá)到9000t；其它核潛艇中的冷凝器、熱交換器、聲納導(dǎo)流罩、通海管路系統(tǒng)、波紋管等都采用鈦材。常規(guī)潛艇（636，K877等）中的柴油機(jī)燃?xì)馀懦鱿到y(tǒng)、聲納導(dǎo)流罩、通海管路系統(tǒng)、波紋管、泵、閥也都大量應(yīng)用鈦材。水面艦船（如現(xiàn)代級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、航母）的聲納導(dǎo)流系統(tǒng)、通海管路系統(tǒng)、波紋管、泵、閥也都廣泛使用鈦材，其主要艦船都經(jīng)過了北極、南極、赤道、太平洋、印度洋、大西洋的全球海域航行，解決了設(shè)計(jì)許用應(yīng)力、安全系數(shù)選取等問題。美國、日本多種艦船噴水推進(jìn)裝置上也都使用鈦材，有效地克服了采用銅合金在航行時(shí)切割地球磁力線而產(chǎn)生較大感應(yīng)電流的不利影響。英國的北海油田用鈦合金代替合金鋼（Cr-Mo鋼）做高壓管路，減少了質(zhì)量和維護(hù)費(fèi)用，使采油成本下降了40％。他們采用單根尺寸為?609mm×25mm×1460mm的30根管組成了400多米長，總重900ｔ的特大油管，用于水深350ｍ的海底采油系統(tǒng)，該工程可反映出英國在海軍用鈦上的思路。圖1是俄羅斯最新型拉達(dá)級(jí)常規(guī)潛艇，據(jù)俄羅斯專家介紹，該型潛艇大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)，包括聲納系統(tǒng)、通海管路系統(tǒng)、波紋管、泵、閥等。

圖 １　俄羅斯最新型拉達(dá)級(jí)常規(guī)潛艇

Ｆｉｇ．１　ＲｕｓｓｉａｓｎｅｗｅｓｔＬａｄａ－ｃｌａｓｓｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｕｂｍａｒｉｎｅ

圖2為俄羅斯636型常規(guī)潛艇，管路系統(tǒng)也采用鈦材。

圖 ２　俄羅斯 ６３６型常規(guī)潛艇內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Ｆｉｇ．２　ＩｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＲｕｓｓｉａ６３６－ｔｙｐｅｓｕｂｍａｒｉｎｅｓ

圖3是俄羅斯K877型常規(guī)潛艇，與636型潛艇相似，其最典型的特點(diǎn)就是聲納導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)全部采用鈦材。經(jīng)分析聲納罩全部結(jié)構(gòu)，所有部位（透聲板、支架、法蘭）均使用ПT3B一種合金制造，并采用單壁結(jié)構(gòu)，由數(shù)控銑床加工出均布的透聲孔，設(shè)計(jì)出良好的透聲性、足夠大剛度、抗變形能力的結(jié)構(gòu)。從俄羅斯獲得的ПT3B合金的化學(xué)成分見表1，板材的力學(xué)性能見表2。

圖 ３　俄羅斯 Ｋ８７７常規(guī)潛艇球鼻艏鈦合金聲納導(dǎo)流罩

Ｆｉｇ．３　ＴｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｎｏｓｅｂｏｗｓｏｎａｒｄｏｍｅｏｆＲｕｓｓｉａＫ８７７ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｕｂｍａｒｉｎｅ

圖4為前蘇聯(lián)“臺(tái)風(fēng)”級(jí)全鈦制造的核潛艇，全艇用鈦量高達(dá)9000ｔ，圖5為俄羅斯全鈦核潛艇用鈦材布局圖。

圖 ４　前蘇聯(lián)臺(tái)風(fēng)級(jí)全鈦核潛艇

Ｆｉｇ．４　ＦｏｒｍｅｒＳｏｖｉｅｔＴｙｐｈｏｏｎ－ｃｌａｓｓｎｕｃｌｅａｒｓｕｂｍａｒｉｎｅｗｉｔｈ ａｌｌ－ｔｉｔａｎｉｕｍ

圖 ５　俄羅斯核潛艇用鈦材布局圖

Ｆｉｇ．５　Ｒｕｓｓｉａｎｎｕｃｌｅａｒｓｕｂｍａｒｉｎｅｗｉｔｈｔｉｔａｎｉｕｍｌａｙｏｕｔ

圖6是“俄羅斯956現(xiàn)代級(jí)”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦鈦合金球鼻艏實(shí)物圖，從圖中可知俄水面艦船聲納導(dǎo)流罩采用雙層板架結(jié)構(gòu)，化驗(yàn)分析表明，該結(jié)構(gòu)采用一種合金（ПT3B鈦合金）制造，鈦法蘭和船體鋼法蘭采用聚合物絕緣套筒進(jìn)行電絕緣，較好地解決了鈦－鋼接觸的電化學(xué)腐蝕問題。

圖 ６　俄羅斯“９５６型現(xiàn)代級(jí)”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦鈦合金球鼻艏

Ｆｉｇ．６　ＴｉｔａｎｉｕｍｂｕｌｂｏｕｓｂｏｗｏｆＲｕｓｓｉａ“９５６－ｔｙｐｅｍｏｄｅｒｎｃｌａｓｓ”ｇｕｉｄｅｄｍｉｓｓｉｌｅｄｅｓｔｒｏｙｅｒ

圖7是俄羅斯“明斯克”號(hào)航母鈦合金聲納導(dǎo)流罩，該結(jié)構(gòu)也采用ПT3B一種合金制造，成型美觀，裝配精確，也采用雙層板架結(jié)構(gòu)。

圖 ７　俄羅斯“明斯克號(hào)”航母鈦合金聲納導(dǎo)流罩球鼻艏

Ｆｉｇ．７　ＴｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｂｕｌｂｏｎｓｂｏｗｓｏｎａｒｄｏｍｅｏｆＲｕｓｓｉａ“Ｍｉｎｓｋ”ａｉｒｃｒａｆｔｃａｒｒｉｅｒ

我國自上世紀(jì)60年代起開始研究艦船用鈦合金，在國內(nèi)相關(guān)單位的共同努力下，研究了從工業(yè)純鈦到不同強(qiáng)度等級(jí)系列的船用鈦合金及其配套焊接材料，例如工業(yè)純鈦，Ti31，Ti75，Ti80，TA5，TA7，TC4，TC4ELI等合金。在海軍及有關(guān)部門的支持下，鈦合金在我國相關(guān)產(chǎn)品中也得到了廣泛的應(yīng)用。

3、海軍工程用鈦的選材原則

（1）可勝任要求的特定性能（強(qiáng)度、耐蝕、聲學(xué)、磁學(xué)等）。

（2）系統(tǒng)要求的綜合性能（強(qiáng)度與韌性、冷熱成型、焊接等性能）。

（3）成本及經(jīng)濟(jì)效益方面需要考慮密度、強(qiáng)度、材料價(jià)格、制造費(fèi)用、維修及更換費(fèi)用、系統(tǒng)下的全壽命周期費(fèi)用。

（4）全壽命周期思想在選材上的應(yīng)用。通過分析俄羅斯艦船用鈦的情況，俄羅斯在某一特定艦船上應(yīng)用時(shí)合金系的選擇盡量簡單化。例如，俄羅斯所有的聲納系統(tǒng)只采用ПT3B一種合金；核潛艇的二回路和深潛器也只選擇此合金。強(qiáng)度要求高的深潛器的載人球體用的是Ti-6Al-4V等合金。所選用的合金都有相關(guān)成熟的技術(shù)條件和生產(chǎn)工藝。

（5）應(yīng)該指出的鈦材在海洋工礦條件下應(yīng)具有的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選材時(shí)應(yīng)該注意的問題：

ａ．鈦材在室溫至零下60℃范圍內(nèi)無脆性轉(zhuǎn)變，其沖擊韌性對(duì)溫度不敏感。

ｂ．鈦合金在交變彎曲載荷下，其疲勞強(qiáng)度比銅合金明顯高，如表3所示。

4、鈦材的耐海水腐蝕性

（1）天然靜海水腐蝕：TA3（老牌號(hào)TA2），TA5及Ｂ30在青島、廈門、榆林做過5年腐蝕試驗(yàn)，TA3，TA5不腐蝕，而B30發(fā)生嚴(yán)重點(diǎn)蝕，深度最大處達(dá)1mm左右；試驗(yàn)表明，鈦無應(yīng)力腐蝕傾向，且在天然海水中不發(fā)生縫隙腐蝕。

（2）接觸腐蝕：當(dāng)鈦與銅合金、鋼等接觸時(shí)，鈦的電極電位為正，會(huì)在此時(shí)加快其他金屬的腐蝕速度，在系統(tǒng)中連接時(shí)，應(yīng)采取電絕緣措施。

（3）沖刷腐蝕：B30，鎳合金在流速大于5m/s時(shí)，耐沖刷腐蝕性能很差，而鈦合金在7m/s，10m/s以上仍然保持完好無損。

（4）氯化物離子難于侵蝕鈦合金表面的鈍化膜，因而不易發(fā)生像不銹鋼和鋁那樣的點(diǎn)蝕、間隙腐蝕以及應(yīng)力腐蝕。

（5）與不銹鋼不同，鈦合金的焊接、冷加工不會(huì)導(dǎo)致耐蝕性能變化。

5、關(guān)于海生物附著問題

上世紀(jì)80年代末至90年代初，針對(duì)海生物附著問題進(jìn)行了相應(yīng)研究，在有關(guān)海區(qū)做了鈦試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了觀察和分析，提出了相應(yīng)分析研究報(bào)告，在對(duì)南海、東海、北海三個(gè)海區(qū)的水下相關(guān)潛艇通海系統(tǒng)管道實(shí)際考察中，發(fā)現(xiàn)海生物生長極少，主循環(huán)水系統(tǒng)也沒生長海生物。

6、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（1）材料標(biāo)準(zhǔn)：盡量采用國標(biāo)，以便于生產(chǎn)、供貨使用，檢驗(yàn)。

（2）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：國外針對(duì)海軍艦船使用有專用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而我國目前尚沒有，建議通過研究盡早建立我國海洋工程用的設(shè)計(jì)原則，改變按化工設(shè)備設(shè)計(jì)的一般原則。

（3）加工標(biāo)準(zhǔn)：熱處理、機(jī)械加工、切割加工、冷熱成型、焊接、表面改性處理等。針對(duì)大量采用鈦材的預(yù)期需求，應(yīng)編制這方面的技術(shù)文件，以指導(dǎo)鈦設(shè)備的加工制造。

（4）檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：外觀、無損檢測(cè)、常規(guī)力學(xué)性能、硬度、疲勞等；大多數(shù)檢驗(yàn)沿用鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)逐步形成我國自己的專用標(biāo)準(zhǔn)。

（5）鈦材應(yīng)用時(shí)與系統(tǒng)其它材料接口技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)，如電絕緣標(biāo)準(zhǔn)。

7、結(jié)語

鈦及鈦合金無疑是在海水條件下應(yīng)用的非常好的材料，俄羅斯在海軍裝備中大量采用鈦合金是一個(gè)不用爭辯的事實(shí)，他們大量地采用鈦合金是經(jīng)過長期卓有成效的研究后，形成了從材料合金研究、鈦材各種規(guī)格的生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造、使用環(huán)境與材料的關(guān)系、檢驗(yàn)規(guī)則等一整套工藝文件，并以理論基礎(chǔ)作為保證的。

我國鈦工業(yè)發(fā)展已能滿足海軍大規(guī)模用鈦的需求，為了可靠地應(yīng)用到武器裝備上，國家有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)應(yīng)認(rèn)真研究對(duì)策，根據(jù)俄羅斯的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)真研究我們總的方針，加大鈦材生產(chǎn)的力度，并以龍頭企業(yè)為主體，充分發(fā)揮產(chǎn)、學(xué)、研、軍四位一體的機(jī)制，認(rèn)真解決一系列相關(guān)技術(shù)問題，例如合理的選材、正確的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的制定、鈦材應(yīng)用與其它材料接口技術(shù)、加工制造的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定等，特別應(yīng)建立能統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、材料、加工制造、使用維護(hù)等系統(tǒng)工程的組織和機(jī)構(gòu)。

同時(shí)，要重視鈦材應(yīng)用相關(guān)問題的研究和開發(fā)，如鈦制品的模鑄、焊接技術(shù)、特殊條件下的表面改性、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等問題，這絕不是一個(gè)系統(tǒng)、一個(gè)部門、一個(gè)單位所能包辦的，必須要打破行業(yè)界限，打破地方主義，開展全國性大協(xié)作才能盡快盡早解決問題。為了祖國強(qiáng)大海軍的建設(shè)，應(yīng)以科學(xué)發(fā)展引領(lǐng)各單位的協(xié)調(diào)合作，提高水平，降低造價(jià)，盡快把鈦材在海軍工程中應(yīng)用推廣到位。

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