舰船用Ti80钛棒Ti31钛合金退火 锻件 成形工艺应用

Ti75钛棒、Ti80钛棒、Ti31钛合金锻件具有优良耐海水腐蚀、高比强度、无磁性、透声性、抗裂性和可加工性等特点,其热中子吸收截面为56×10m2,大约是锆的30倍,铪的1/2。钛合金的核性能也比较稳定,在3×10°~20x10慢中子流辐射中,布氏硬度、屈服强度略有增加,伸长率、电阻率略有下降但冲击韧性没有改变,合金的密度及产品的尺寸形状均无改变。由于钛的这些性能而被作为一种理想的舰船结构材料,被誉为“海洋金属”。各国船舶行业对钛及钛合金在舰船上的应用。

目前船用钛及钛合金的牌号主要有TA2、Ti31、TA5、Ti70、T75、T91、Ti80和TiB19,但应用背景具有代表性和广泛性的当属Ti75和Ti80两种钛合金。利泰金属整理相关资料，将船用Ti75和Ti80的实际应用，分享如下：

研究十分重视先后研究开发了专用的船用钛合金系列,并在舰船上大量应用,以提高舰船设备运行的可靠性和使用寿命,从而提升舰船的技、战术性能。钛材料在船舶中的应用领域非常广,从船体结构、推进系统、电力系统、电子信息系统和辅助系统到特种装置等。可以说除船舶属具与舱室设施外的大部分设备、零部件均可以用钛及钛合金材料。因此,钛及钛合金在舰船上的应用前景十分广阔,其应用也必将会带来明显社会效益和经济效益。

1、Ti75钛棒和Ti80钛棒两种钛合金的应用

1.1 Ti75钛合金

该合金是西北有色金属研究院开发的中强、耐高温、耐腐蚀、抗氢脆Ti-3A2Mo2Zr系钛合金田其强度、塑韧性、耐蚀性和加工性等综合性能优于TA5。冲击韧性和断裂韧性是TA5的14倍和12倍,K正为TA5的2倍。该合金性能如表1所示。其板材、锻件典型的力学性能:o>700MPa、oa2630MPa、A>15%、35%a≥59Jm2。耐海水腐蚀性能优异,海水浸泡腐蚀、缝隙腐蚀、动海水腐蚀(流速为3ms)的腐蚀速率为0mm/a,焊接系数大于0.9,与船体钢电偶腐蚀效果为1.33。

与船用TA5钛合金的比较:Ti75强度高出TA5钛合金50MPa;冲击韧性和断裂韧性比TA5高出20%;在3.5%NaCl水溶液中应力腐蚀性能KSCC值达到867MPam2,是TA5的1.5~2倍;该合金具有良好的焊接性能,达到设计指标焊接系数09的要求性能对杂质氧敏感低于TA5;该合金中合金元素铝以AMo中间合金加入,对于消除铸锭成分偏析较TA5有利;该合金热加工温度较TA5低70~100℃,对温度变化的适应性强,具有优于TA5的冷热加工性能;该合金使用AMo中间合金,生产工艺成熟,性能稳定,因此适用于产业化生产,其成本不超过TA5的10%。

与国内外同级船用钛合金的比较:与俄罗斯480T3比较,在强度高出50MPa的前提下,Ti75钛合金原材料适应性强、铸锭成分易均匀,热加工温度低近100℃,冲击、断裂韧性高出20%,应力腐蚀性能高50%;与俄罗斯∏T3B合金强度水平相当,但∏T3B延性差(Z:10%),且不能生产管材;美国Ti3A125V合金品种齐全,但强度水平比T75合金低近100MPa;与TC4合金相比,Ti75钛合金的延性、冲击、断裂、弯曲、疲劳等性能均优于前者,其中断裂韧性高出30%,疲劳性能高出15%以上。

Ti75钛合金是专门为某型号二回路系统研制的中强合金,主要运用在大通径流体输送管、换热器管板、封头、阀门壳体、阀瓣等设备的一般部件。(1)由Ti75钛合金制作的零部件已成功应用于某工程的往复式盐水泵、通海系统、海水四通、接管和舷侧双座双球阀阀杆等,并且有15个Ti75钛合金零件于1993年安装到某艇进行装艇使用,正常运行至今。Ti75钛合金在艇上的成功应用,开创了钛合金在某型号二回路系统中实艇应用的先例制

(2)我国船舶某所使用Ti75钛合金板材制作的深潜器载人。

(3)中船重工某所设计使用Ti75钛合金管板、封头、法兰制造某工程关键设备-主冷凝器。

(4)某型号永磁推进电机所需的钛合金转子支架使用直径3m,璧厚约100mm的Ti75钛合金环件制作,提高了电机性能。

(5)Ti75合金具有的优异性能,使其在舰船上的应用前景广泛。如舰船的上层建筑,用Ti75合金代替船体钢,可有效提高舰船的稳性储备,估计一艘舰船需上百吨钛材。

Ti75钛合金密度约为B30合金的一半,其制成的产品可与舰船同寿命,中间不需要维修,节省了大量维修费用。而铜及铜合金制造的设备,若按舰船服役20~25年计算,至少也要维修2~3次,不仅修理费用高,同时降低了舰船的航率。据权威专家介绍,从设备的制造与使用全寿命运营分析,在俄罗斯用钛材比不锈钢便宜5倍。从眼前及长远看,用Ti75合金比用B30合金制造通海系统管路设备,从全寿命分析也是便宜的。T75钛合金彻底解决了通海系统设备的腐蚀问題;使舰船动力装置用材单一化,制作工艺简化,便于设备维修;减少设备尺寸,减轻质量;提高安全可靠性,减少维修费用,延长使用寿命提高了舰船的整体作战水平,扩大了活动范围。

1.2 Ti80钛合金

Ti80钛合金是上海钢研所20世纪80年代研制的一种新型的Ti60A-2.5Nb-2.2Zr-12Mo系近α合金5四,具有高强、高韧、可焊、耐蚀等综合性能。Ti80合金采用焊接十热处理焊接工艺可使接头焊接系数达到09。性能指标见表2所示。

Ti80钛合金是在Ti75钛合金基础上研发的船用高强合金,主要运用在高压容器、深潜器的耐压壳体、船舶焊接结构件等,应用主要方向(1)深潜器

深潜器是一种可以潜人水下一定深度、持续定工作时间、能完成某些特定工作的潜水器具,是20世纪60年代发展起来的一种数量颇多的非战斗水下运载工具,到80年代载人深潜器已下达到6500m,能直接考察世界海洋的98%海域,客运与军事、科研、海洋开发、深海打捞及救生等。深潜器上的主要受力是作用在耐压壳体、加强结构和接触海水的所有系统的静水压,对于每一米水深,海水静压力增加10.IKPa。为了使壳体给定的水深有足够的强度,我国船舶某所采用785MPa级的T80合金制作。深潜器结构尺寸不大(长8-10m、宽3m、高3.5m),而所用钛材规格最大。载人耐压舱需用规格大于120mm×3400mm×3400mm的Ti80合金板材来制造,球壳直径达500mm。在耐压壳体上有许多大孔(观察舱、密封舱口、贯通迕接件)需焊接更厚的锻件来补强。Ti80合金在钨极氢弧焊条件下,焊接系数>0.9,抗裂性好,有利于深潜器的制造。

(2)柴油机进排气系统

从2000年开始,在某型舰艇设计中,充分利用钛合金良好的综合性能,在工作环境恶劣、腐蚀现象严重,釆取传统的防腐蚀无法达到埋想的防腐效果的柴油机进排气系统中大量使用钛合金材料,其中就有Ti80合金。于是制造了耐压排气直管、耐压球形排气三通管等重要部件,经考核各项性能指标均满足要求,有效地解决了该系统的腐蚀问题,提高∫该系统的可靠性和使用寿命,维护保养工作量大大降低。

(3)声扫雷具

随着水雷的出现与发展,各因海军相应地研制建造了各型扫雷艇(近代又出现猎雷舰艇)和楣应的各类扫雷、灭雷具。船舶某所设计人员利用T80合金的高强度、耐海水腐蚀、无磁、高电阻率,制作扫雷艇的钛合金壳体。并根据扫雷具的发声器结构特点和使用性能,制造钛合金扫雷具。经过应用性能考核,有效地提高了扫雷艇,扫雷具的战术指标,极大鼓励了设计部门坚决、广泛地在舰船特殊部位、整体结构中使用钛材。

钛及钛合金的优异性能,使其在船用领域大有潜力可为。国外把钛材在船舶上的应用水平作为衡量船舶技术性能先进程度的一项非常重要的指标。随着海军现代化建设步伐的加快,新型号新T程中的钛材应用越来越多。Ti75合金的研制成功及成功应用,不仅可满足我国舰船动力装置对材料的需求,而且为我国船用钛合金的创新研究和发展起到了巨大推动和促进作用。Ti75棒和Ti80钛棒的进一步推广和扩大化使用,将有力推动我国海军装备事业的高速发展。