艦船是一種水上交通運輸工具，是一種復(fù)雜的水上工程建筑物，它能以一定的速度將其有效載荷從一個地方運送到另一個地方 [1] 。為了保證艦船的使用性和航行性，必須具有強固的船體結(jié)構(gòu)和各種設(shè)備裝置、機械、儀器儀表、武備以適應(yīng)各種需求 [2] 。艦船是海軍最重要的裝備，是海上運輸、戰(zhàn)斗的平臺，要求建造艦船的材料能耐海水、海洋大氣的腐蝕，比強度高，塑韌性及加工工藝適應(yīng)性好 [3] 。艦船整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用材料品種規(guī)格多、質(zhì)量大。選擇性能優(yōu)異的材料制作艦船是構(gòu)成海軍裝備完整性和先進(jìn)性的基礎(chǔ)，艦 船裝備發(fā)展主體材料的性能直接影響海軍整個系統(tǒng)的運行、維護(hù)和安全。開發(fā)高性能的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料會增強艦船作戰(zhàn)能力和降低服役期的成本。鈦及其合金密度小、重量輕、比強度高、耐海水及海洋大氣腐蝕。

此外，它還具有無磁性、透聲、抗沖擊震動，可加工性好等特點，是一種優(yōu)秀的船舶結(jié)構(gòu)材料 [4] 。鈦及其合金在船舶中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如船體結(jié)構(gòu)件，深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥及配件，動力驅(qū)動裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸，熱交換器、冷凝器、冷卻器，艦船聲納導(dǎo)流罩、螺旋槳等 [5-7] 。

艦船領(lǐng)域用鈦在我國起步較晚，技術(shù)、裝備、應(yīng)用等方面還存在一些問題，但經(jīng)過鈦科技工作者多年的研究及推廣應(yīng)用，已經(jīng)形成了我國自主的艦船鈦合金體系，并已獲得了多方面的應(yīng)用 [8～ 10] 。

本文介紹了鈦合金材料特性及艦船對材料的特殊要求；論述了我國艦船鈦合金體系、艦船鈦合金研制及應(yīng)用現(xiàn)狀；分析了我國艦船鈦合金應(yīng)用中存在的問題。

1、艦船對材料的要求和鈦及其合金的性能

艦船及其設(shè)備工作條件特殊：長期浸泡在海水和海洋大氣環(huán)境中；許多設(shè)備和構(gòu)件（如高速螺旋槳、軸、舵、閥、海水泵、熱交換器、高溫排氣管等）易受腐蝕而不易保護(hù)；在使用中要求材料耐腐蝕性高、壽命長、安全可靠、大承載、少維修。艦船各系統(tǒng)裝置復(fù)雜，所用材料品種雜、規(guī)格多而大，所以艦船材料應(yīng)具有耐蝕性、耐久性、牢固性、可靠性及穩(wěn)定性等多方面特殊的技術(shù)性能。

艦船在運行過程中需承受重力、浮力、搖蕩時的慣性力、風(fēng)浪的沖擊力等各種外力作用，不允許產(chǎn)生較大的變形和破壞，因此船舶材料首先應(yīng)具有匹配良好的力學(xué)性能：強度特別是屈服強度高的材料可減少船體和各結(jié)構(gòu)件的斷面積，降低材料消耗，從而達(dá)到船體質(zhì)量減輕、增加載重和提高航速的目的，具有較高屈服強度的材料對造船意義重大 [11] 。為了提高潛艇的潛水深度，有效防止反艦武器的攻擊，也需要提高材料的強度。另外，船體及各結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜，制造過程中材料要承受冷熱交替及彎曲成型，艦船在航行過程中不可避免會碰到局部受力的情況（如航行時經(jīng)常會遇到風(fēng)暴等意外事件，使船舶遭受海浪等強烈的沖擊），為了保障其可靠性，要求材料必須具有良好的塑性。研究發(fā)現(xiàn)，船舶發(fā)生海損事故的重要原因是材料脆性斷裂引起的。因此材料要具有高的斷裂韌性、良好的沖擊韌性，才能確保艦船的技、戰(zhàn)術(shù)性能和航行的絕對安全。

其次艦船常年航行在波浪起伏的海洋中，長期反復(fù)受到交變應(yīng)力的作用及海水和海洋大氣侵蝕，因此艦船材料不但要有優(yōu)異的耐腐蝕性能，而且還要有較高的耐疲勞強度，以免發(fā)生腐蝕及疲勞損壞。

艦船材料還要具有良好的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能：如抗彈性、減震抗噪性、耐冷熱性、透聲性、無磁性、抗放射性、抗海生物生長和易于清除海生物（放射污染物）等。

現(xiàn)代造船中，無論是船體結(jié)構(gòu)、動力裝置還是武器裝備的建造，均需要涉及機械加工、冷熱成型、彎曲、鍛造、鑄造和焊接成型等等制造手段，這就要求船舶材料還要具有良好的彎曲、成型、機加工、焊接等綜合加工工藝適應(yīng)性能 [12-21] 。另外艦船用材品種規(guī)格多、質(zhì)量要求高、且要求低成本，并要能保證大量供應(yīng)，所以艦船材料還應(yīng)經(jīng)濟(jì)、實用。

金屬鈦作為工程材料僅有 50 多年的歷史，但因為其具有無與倫比的特殊性能而迅速在各行各業(yè)得到了應(yīng)用。鈦合金幾乎具有前述艦船材料所要求的全部特性，所以是船舶材料的理想選擇。

首先鈦具有特殊的物理性能：密度低，為 4.5g/cm 3 ，僅為鋼的 57%，屬輕金屬；熔點較高，達(dá)（1668±5）℃；熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)均較低，熱導(dǎo)率僅為鐵的 1/4、銅的 1/7、但比不銹鋼和鎳基合金高 [22] ；無磁，即使在強磁場下也不會磁化；在 0.49 K 低溫時具有超導(dǎo)電性；抗核輻射性好，其輻射脆性很小，且可避免由輻射引起的有害二次輻射問題；高的透聲系數(shù)，達(dá)0.85 以上；優(yōu)異的抗沖擊性能，抗沖擊系數(shù)達(dá) 0.63 以上，是 B30 的 4 倍以上，是鎳基高溫合金的 2.5 倍以上；良好的抗彈性能：鈦盡管密度低，但彈性模量也低，僅為鋼的 1/2，而強度、韌性高，所以抗彈性能優(yōu)良。

其次，鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，是一種非常活潑且具有強烈鈍化傾向的金屬，平衡電位很低，在各種介質(zhì)中熱力學(xué)很活潑，反應(yīng)的熱力學(xué)趨勢大 [22] 。但因為鈦和氧的親和力很高，在空氣和含氧介質(zhì)中表面能迅速形成一層致密、附著力強、惰性大的氧化膜，保護(hù)了基體不被腐蝕，即使受到機械磨損，也會很快自愈或再生，致使其具有優(yōu)異的耐介質(zhì)腐蝕性能，實踐已經(jīng)充分證明在海水及海洋大氣環(huán)境下，鈦材的耐腐蝕性能優(yōu)異。

第三，鈦合金具有匹配良好的力學(xué)性能，比強度高、塑性好，在–253℃～600℃范圍內(nèi)，它的比強度（抗拉強度/密度）在金屬材料中幾乎最高；沖擊韌性良好，在–60℃～20℃范圍內(nèi)，無明顯的脆性轉(zhuǎn)變點；斷裂韌性較高，斷裂韌性在80～110 MPa·m 1/2 之間，從比韌度（K I /R p0.2 ） 2 與（R p0.2 /ρ）的關(guān)系曲線可以看出，鈦的斷裂韌性最高，鋼次之，鋁合金最差；疲勞強度高，對于船舶大型焊接結(jié)構(gòu)和殼體，產(chǎn)生高應(yīng)力低周數(shù)破壞時的應(yīng)力循環(huán)周數(shù)一般不超過10 5 周，而鈦材均在10 7周以上。表1是各種艦船用金屬材料的屈強比和比強度。從表1可以看出，幾種艦船材料中鈦材的屈強比和比強度最高，是未來艦船材料應(yīng)用的發(fā)展方向 [23, 24] 。

2、艦船鈦合金體系與分析

鈦材作為一種優(yōu)秀的船舶材料，各國海軍及造船業(yè)對其十分重視，先后研制出了系列的船用鈦合金。

俄羅斯、美國和中國是最早專門從事艦船用鈦合金研究的國家，并各自形成了自己的船用鈦合金體系 [25, 26] ，日本鈦合金民用船只研發(fā)活躍，世界上第一艘鈦制漁船于 1998 年 10 月 12 日下水，船名為第二朝日丸 [27] 。

我國艦船鈦合金的研究開發(fā)最早開始于1962年。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，其研究、制造水平有了很大提高，現(xiàn)已形成了我國專用的船用鈦合金體系，已能批量生產(chǎn)板、管、鍛件、中厚板、各種環(huán)材、絲、鑄件等多種形式的產(chǎn)品，可滿足不同強度級別和不同部位的要求。表2是我國現(xiàn)已形成的專用艦船鈦合金體系、性能及已獲得的應(yīng)用情況 [28-36] 。從表2可以看出，我國的艦船鈦合金體系已經(jīng)相當(dāng)完整，已擁有了屈服強度在490 MPa以下的系列低強鈦合金、屈服強度在590～700 MPa的系列中強鈦合金及屈服強度在785 MPa以上的高強鈦合金系列。490 MPa以下的低強鈦合金系列主要用作非耐壓或要求壓力很低的管道、鑄件及冷成型件；中強鈦合金主要應(yīng)用于各種耐壓系統(tǒng)鑄件、管路系統(tǒng)、壓力容器、透聲窗及聲納導(dǎo)流罩等；高強鈦合金系列主要用作高壓容器、深潛器耐壓殼體、各種結(jié)構(gòu)件、彈簧、高強緊固件、彈射裝置等等。

俄羅斯船用鈦合金研究及實際應(yīng)用水平居世界前列，擁有專門的船用鈦合金系列，如船體用鈦合金пт-1м；船機пт-7м；船舶動力裝置用鈦合金 40、пт-3B、5B 等 [37] ，形成了 490、585、686、785 MPa等強度級別的船用鈦合金產(chǎn)品。其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，如前蘇聯(lián)系列核動力破冰船“列寧”號、“北極”號、“俄羅斯”號、“蘇聯(lián)”號均使用的是鈦制蒸汽發(fā)生器，已安全使用 20～40 年無任何嚴(yán)重破損發(fā)生。

美國海軍1950年就開始注意到鈦材用于艦船工業(yè)的可能，1963年開始對船用鈦合金進(jìn)行了大量的工程研究，成功地將鈦合金應(yīng)用于各種動力潛艇、水面艇、民船，主要應(yīng)用的鈦合金有：純鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V 、 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等 [37] 。

日本的船用鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，主要應(yīng)用于深潛器的耐壓殼體及各種民用游船、漁船 [37] 。近年來制造的全鈦深海調(diào)查船可深入海底 6500 米，是世界上能夠潛入海底最深的船只。

表3是中、俄、美三國船用鈦合金的對照情況 [38, 39] 。可以看出,我國的艦船鈦合金體系完整，合金牌號多而雜，甚至同一強度級別出現(xiàn)多個不同合金、同一用途研制多個合金的情況。如：Ti31和TA16、TA17和TA18、Ti80和TC4、Ti70和Ti91等等。究其原因是我國不但仿制了俄羅斯和美國的系列鈦合金，還專門研究了我國專有的系列船用鈦合金，如Ti31、ZTi60、Ti70、Ti91、Ti75、Ti80、TiB19等。俄羅斯和美國的大部分船用合金是直接采用航空航天等領(lǐng)域已應(yīng)用成熟的鈦合金，通過研究及改進(jìn)后直接應(yīng)用，對艦船特殊需要而專門研 究 的 鈦 合 金 很 少 ， 如 美 國 僅 研 究 了Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti38644(βc) 3 個專門船用鈦合金，俄羅斯僅研究了 TL3、TL5、3M、5B、BT31、23a 等專門船用鈦合金牌號。

3、我國艦船鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)，特別是近 5 年以來，我國鈦合金在海軍裝備的應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。根據(jù)艦船總體設(shè)計所的設(shè)計要求，各材料的研究、生產(chǎn)單位通過自發(fā)的努力以及和中船重工專業(yè)材料研究所—725 所緊密合作，并結(jié)合艦船用鈦合金應(yīng)用研究成果，解決了大口徑無縫管材、超大口徑小曲率半徑無縫彎頭、大尺寸寬厚板、大尺寸復(fù)雜型面鍛件等整體制備，板、管材的加工成型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接工藝技術(shù)難題，成功地開發(fā)出艦船鈦合金裝備并獲得了多項應(yīng)用。

近十年來我國的深潛器用鈦合金、聲納導(dǎo)流罩等方面專用鈦合金結(jié)構(gòu)制造已取得了較大進(jìn)步：××型水翼艇噴水推進(jìn)裝置前后水翼上的首尾導(dǎo)流椎體已裝艇使用；××型艦新型鈦合金球鼻舷已研制成功并交付使用；××型試驗船舷側(cè)透聲窗也采用了鈦合金結(jié)構(gòu)。此外在深潛器魚雷發(fā)射裝置、鞭狀天線、一回路系統(tǒng)的排污及安全設(shè)備、潛望鏡部件，各類熱交換器、冷卻器、管系、泵、閥等部位鈦合金的應(yīng)用均取得了較好的效果，研制的 NiTiNb 記憶合金管接頭已經(jīng)過工程應(yīng)用考核。典型的鈦合金應(yīng)用系統(tǒng)綜述如下：

①鈦合金余熱排出冷卻器 [40]

采用西北有色金屬研究院生產(chǎn)的中強、高韌 Ti31合金管、板及各種規(guī)格的鍛件，通過成型，組焊制備而成，圖 1 [41] 所示為用該鈦合金材料制造的一回路系統(tǒng)危急冷卻器。

②艦用燃?xì)鈾C系統(tǒng)

為了適應(yīng)發(fā)動機壓比（8.35~21），及出口溫度（230~500 ℃）提高，采用 TC11 鈦合金替代原結(jié)構(gòu)鋼（35CrMoVA、40CrNiMoA 等）制造的低壓燃?xì)鈾C第 0、1~8 級輪盤及高壓燃?xì)鈾C 1~7 級輪盤，已通過某燃?xì)鈾C輪機裝機試車考核，效果良好，現(xiàn)已獲得應(yīng)用。

動葉片采用 TC11 鈦合金制造，對于要求長壽命、耐壓水平更高的高壓燃?xì)鈾C第 8.9 級動葉片采用 BT8 鈦合金；底架采用 BT14 鈦合金，頰板采用 TC6 鈦合金，也已使用在某燃?xì)鈾C輪機上。另外，采用 TC11 鈦合金還制造了堵板、噴油嘴、氣封弧段、法蘭等零件，采用 TC4 鈦合金制造了艦用傳動套柔性聯(lián)軸器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。

③鈦合金聲掃雷具 [40]

鈦合金的高比強度、無磁、高電阻率及優(yōu)異耐海水腐蝕性能，使其成為很有吸引力的掃雷艇殼體材料和掃雷具結(jié)構(gòu)材料。現(xiàn)已根據(jù)發(fā)聲器結(jié)構(gòu)特點和使用性能要求，制備出了鈦合金聲掃雷具，見圖 2 [41] 示。

④鈦合金泵、閥及管系 [40, 42]

艦艇上的泵、閥及管材長期工作在海水中，工作條件惡劣，采用鈦合金代替原 1Cr12 不銹鋼制造，效果良好。現(xiàn)已制備出了多種鈦合金管系應(yīng)用于通海系統(tǒng)及排煙系統(tǒng)，材料涉及 TA2、ZTi60、Ti31、Ti80 等。

圖 3 [42] 是鈦合金鹽水泵軸塞、閥座及四通管。

⑤鈦合金聲納導(dǎo)流罩 [40]

采用透聲性能好、可冷成型的 Ti70 鈦合金，攻克了雙曲成型、組焊等技術(shù)難題，成功地研制出了鈦合金聲納導(dǎo)流罩，并已應(yīng)用于多條水面艦艇中。圖 4 [41]是鈦合金聲納導(dǎo)流罩模擬體。

⑥鈦合金通訊雷達(dá)天線、天線支座及雷達(dá)基座

為了解決雷達(dá)天線系統(tǒng)的海水腐蝕問題，采用鈦合金鑄件制造的雷達(dá)基座及天線支座，采用鈦合金高質(zhì)量系列管材制的雷達(dá)天線，已成功地應(yīng)用于海軍某艇，減輕了重量，解決了海水腐蝕問題，提高了技術(shù)性能。

⑦噴翼快艇噴水推進(jìn)裝置

該裝置受海水的侵蝕及高流速海水的空泡剝蝕，腐蝕嚴(yán)重。為了解決腐蝕問題，我國自 1985 年開始研制噴水推進(jìn)裝置，先后研制成功噴水推進(jìn)泵體、葉輪、進(jìn)水門、雜物清理裝置、進(jìn)水室、格柵、托架、噴嘴、襯套、導(dǎo)流器、換向器等噴水推進(jìn)整套裝置的鈦合金鑄件，每套重達(dá) 1t 左右，經(jīng)使用后徹底解決了海水腐蝕問題。該裝置已售至香港，應(yīng)用在噴翼艇上，大大提高了使用性能及壽命，現(xiàn)已達(dá)到批量生產(chǎn)規(guī)模。

⑧鈦合金螺旋槳及緊固件等

鈦合金具有優(yōu)良的抗空泡剝蝕、縫隙腐蝕性能，是高速快艇螺旋槳及船用緊固件的理想材料。我國于1972 年開始研制水翼快艇螺旋槳，至今已可生產(chǎn)各類鈦合金螺旋槳，已應(yīng)用 500 多只，最重的單支固定螺旋槳重達(dá) 130 多公斤。長期使用表明：鈦合金螺旋槳使用壽命超過原銅合金槳 5 倍以上，而重量僅為銅質(zhì)的一半。

⑨電機轉(zhuǎn)子支架

鈦合金比強度高、磁化率低，是大型永磁推進(jìn)電機轉(zhuǎn)子支架的理想材料。采用鈦合金制造永磁推進(jìn)電機不但能減輕電機的重量、減少外圍輔助設(shè)備、延長使用壽命，而且因鈦合金是良好的非磁性材料，還能提高電機的工作效率。現(xiàn)已制備出了永磁推進(jìn)電機轉(zhuǎn)子支架用的鈦合金環(huán)件，100 mm 厚板焊接工藝已成熟。

4、結(jié) 語

雖然我國艦船用鈦合金體系已經(jīng)形成，船用鈦合金的生產(chǎn)、船舶產(chǎn)品的建造工藝技術(shù)及批量應(yīng)用時機已基本成熟，但因艦船用材對性能提出的要求互相沖突，我國船用鈦合金還沒有形成總體設(shè)計院所、材料研究及半成品制備院所及廠家、部件成型及應(yīng)用性能研究單位、制造廠之間的有效協(xié)調(diào)合作機制，造成目前的應(yīng)用水平還處于分散、零星的狀態(tài)。存在如下問題：

①鈦在艦船裝備中的設(shè)計準(zhǔn)則、需用應(yīng)力和安全系統(tǒng)分歧很大，沒有形成自己的規(guī)范，造成某些系統(tǒng)選材不夠合理；

②大規(guī)模應(yīng)用的品種規(guī)格不夠配套齊全，鈦材產(chǎn)品制造費用偏高，大型船廠應(yīng)用鈦材設(shè)備現(xiàn)場加工配套能力弱，設(shè)備加工制造周期、供貨周期偏長；

③材料標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)的加工制造標(biāo)準(zhǔn)比較缺乏；

④有些工況條件下對鈦材應(yīng)用認(rèn)識不夠深入，如腐蝕、海生物附著、鑄件性價比、大型管道的制備方式問題等等。

針對以上存在的問題，筆者認(rèn)為：現(xiàn)有的船用鈦合金牌號已基本能滿足新型船舶的用鈦要求，重要的是要建立船用鈦合金的評價體系，促進(jìn)這些材料在艦船上準(zhǔn)確、高效地使用。因此應(yīng)盡快組成一支由艦船設(shè)計、鈦合金材料研究、半成品生產(chǎn)及應(yīng)用研究、艦船制造等相關(guān)單位參加的艦船鈦合金研發(fā)及應(yīng)用專家組隊伍，該專家團(tuán)隊將完全從艦船鈦合金實際應(yīng)用出發(fā)，以實事求是的科學(xué)態(tài)度完善并形成一套固化、切實可行的我國艦船鈦合金標(biāo)準(zhǔn)及鈦合金材料上艇技術(shù)指標(biāo)體系，以達(dá)到改善現(xiàn)艦船鈦合金眾說紛紜、讓設(shè)計單位無法選擇的局面，推動我國艦船鈦合金應(yīng)用的快速發(fā)展。

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