海洋工程用Ti31/Ti75/Ti80/TC4钛合金的特性与应用

1、前言

随着世界人口的急剧增加，社会经济的高速发展，全球资源短缺的现象已经呈现，如淡水资源、能源资源的短缺成为全球经济持续发展的障碍，因而人们提出了开发海洋资源，并将成为本世纪重大研究课题。开发海洋首先要制作各种工具作为开发的手段，为此目的需制造相关机械设备。海洋和陆地不同，海水与海洋大气中含有氯化物和硫化物，对机械装置材料腐蚀作用很大，面对深海海水的强大压力，需求设备结构强度高，否则会出现失效。故海洋设备构件，特别是在大深度海水中作业的构件，需求选用比强度高，比韧性好、耐海水腐蚀的材料加工制造"，做合金恰好具有这些优点，是一种天生的海洋工程材料。近几十年来，钛材在海水淡化"、海洋考察与教生用的深潜器"、海洋石泊开采中平台与钻具器件”、核电站与海洋温差发电设备”等方面有了很好的应用。实践已证实钛材在海洋工程中的应用，充分展现其优异的综合性能。本文就我国多年来自行开发与研仿的几种海洋工程用钛合金一Ti31、Ti75，Ti80，TC4材料的品种、规格与海洋工程环境的适应性、机械加工时的可成形性、可焊接性以及应用状况，作一简要叙述。为我国海洋工程设备结构设计进材提供可靠的信息。

2、四种钛合金性质与海洋工程环境的适应性

2.1 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的物理、力学性能

在设备结构设计中，材料的物理与力学性能是基本的设计资料，表1、表2列举了Ti31、Ti75、Ti80、TC4四种合金材料的物理和力学性能。

表1 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的物理性能

表2 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金材料的力学性能

从表1、2中可以看出，这几种钛合金密度小、相变点高、电阻率大、线膨胀系数小、弹性模量只有钢材的一半，但拉伸强度高、冲击韧性好。

2.2 几种钛合金耐海洋介质的适应性

钛合金在海洋大气及海水介质中，其表面很容易产生致密的氧化钛膜而钝化，大大地提高了钛的稳定性，在海水介质中浸泡，其腐蚀速率近于0，如表3所示。在低于100℃海水中，缝隙腐蚀速率也很低，尤其是Ti31合金耐缝隙腐蚀可达180℃(海水)，这些特点非常有利于换热器等设备的使用。

表3 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的耐海水腐蚀性能

由表3所测得腐蚀数据看，上述几种钛合金非常适应海洋介质，是优良的海洋工程材料。

3、几种钛合金材料的可成形性与可焊接性

从材料制成机械产品，其加工工艺种类繁多，其中成形工艺与焊接工艺的应用最为普遍，因而材料的可成形性与可焊接性成为材料在产品制造中的重要工艺性能。

3.1 几种钛合金的可成形性与温度一变形塑性图

固态金属成形是在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法，在机械工业中，这种成形工艺主要是锻造和板材冲压，成形必须具备基本条件，即被成形金属具有可成形性，也就是在受外力作用下，可改变自己的形状而不产生破裂。钛合金与钢、铝、铜合金不同，在室温条件下由于断裂强度与屈服强度差小，变形抗力大、塑性低，因而成形性较差，但是金属材料的成形塑性是与温度相关的，钛合金在加热过程中，随着温度的升高，变形抗力下降，而塑性大增。图1是Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的温度一变形塑性图。由该图表明，这几种钛合金冷变形性能较差(低于再结晶温度以下成形)，但热变形性能好，合金随着温度的升高，合金中塑性高的β相增多，当β相达到50％时，在低速变形条件下，出现超塑性(图1)，成形性能非常好。

3.2 几种合金的可焊性与焊接接头性能

金属的焊接是机械制造业中最主要的连接方法，也是造船工业业中最重要最关键的工艺之一，因此，金属材料焊接性的优劣是致关重要的。所谓金属材料的可焊接性，一般指在某种焊接方法下，得到优质焊接接头的能力，通常把焊接时的抗裂性和接头的性能作为重要的评价指标。表4列举了Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的抗裂性和焊接接头性能。

表4 Ti31、Ti75 、Ti80、TC4合金的TIG 焊接特性

从上表中可以看出，Ti31、Ti75、Ti80合金钨极氩弧焊，焊接抗裂性非常好，焊接接头强度与母材一致，达到强度系数为1，TC4合金的焊接抗裂性比前三种合金稍差。

4、应用事例

4.1 深潜器耐压球壳及构件

在深潜器耐压壳体的应用方面美国开展的比较早，如Alvin科研深潜器，1973年改建时将耐压壳体换成钛合金(板厚49 mm)，代替1964年建造时采用的HYl00高强钢(板厚33.8 mm)，下潜深度从2000m增加到3600m，它的辅助箱及高压空气容器也采用Ti-6Al-4VELI钛合金建造。1981年和1982年建造的“海崖”号深潜器装备了钛的观察舱和操纵舱，下潜深度可达6100m。由此也可以看出，大深度深潜器的壳体材料发展趋势也是用钛合金，我国目前也在用钛合金研制深潜器的耐压舱和浮力球等部件。

4.2 换热器

在海洋工程中．热交换器的应用最广泛的采用钛合金。俄罗斯自1962年以来各种类型的热交换器建造并成功运行六千多台，已经达到了完全商业化的水平。我国也成功的运用钛合金生产了多台船用热交换器，并成功的运行在船上。

4.3 阀门

船上的泵、阀及管子，由于工作介质为海水，对材料要求耐海水腐蚀性能好。有的泵，工作条件非常恶劣，如造水系统的往复式盐水泵，介质为高度浓缩的盐水。以前泵内的柱塞、阀、阀座等采用1Crl3不锈钢制造，并在表面镀铬。使用时间不长，就锈蚀严重，须经常更换。用钛合金更换后不再存在维修问题。

4.4 紧固件

紧固件是机械基础件的重要组成部分，俗称”工业之米”，在各行各业广泛应用，紧固件包括螺钉、螺栓、螺母、垫圈、销、键、挡圈等产品。随着钛合金设备、结构、管系、法兰，各型泵、阀等在海洋工程上的广泛应用，钛合金紧固件在海洋工程上的应用也有较大提高，特别是在舰船上的应用更为广泛。如我国某艇通海管道用螺栓已采用Ti80合金和TC4合金，螺母采用TA5合金，垫片采用TA2。我国近几年引进的多条各型舰船，其上面的钛设备用紧固件大都采用钛合金，从实船考察发现钛合金紧固件经过几十年的海水浸泡，其表面没有产生腐蚀现象。所以采用钛合金紧固件可以解决耐海水腐蚀、异种材料间的电化学腐蚀等问题，并可大大提高螺栓的使用寿命、并减轻设备重量，

5、结论

钛合金由于比强度高，比韧性好、耐海水腐蚀特别是耐海水中的氯离子腐蚀，是海洋工程应用中的优秀材料，又被誉为“海洋金属”，应该在海洋工程中大力推广应用。

我国多年来自行开发与研制的Ti31、Ti75、Ti80、TC4四种海洋工程用钛合金材料的物理、力学、耐海水腐蚀性能，以及其可成形性、可焊接性非常良好，部分材料已经在船上成功应用，可以进一步推广。