钛合金防腐材料在舰船推进系统的关键零部件上的应用

引言

钛是一种稀有金属，具有很明显的化学特性，它极易与干燥的氯气发生强烈的化学反应而生成四氯化钛，再进一步分解生成二氧化钛，甚至可能伴随燃烧。但钛可以耐湿氯气的腐蚀，在一定含量的湿氯气中可以保持很强的稳定性。钛由于其屈服强度要高于钢铁、铝，且比强度和比模量也表现出优势，所以在现代工业迅速发展的情况下，钛的需求量越来越大，随着科技的发展，对钛的提取技术也取得了很大的进步。钛的金属特性使其在航空、运输等行业都有极其广泛的应用，但相对而言，钛的成本高于钢铁、铝、镁等常规的金属，这在一定程度上限制了钛的应用，而现在钛合金的研究可以大大降低钛的成本，钛合金的应用领域也会大大拓宽，钛的应用也更为广泛。

钛合金的质量较轻，极好的力学性能、化学性能，使其成为极佳的舰船材料。钛合金作为一种优异的耐腐蚀材料，被应用在舰船关键的零部件位置。

1、钛及钛合金

钛在高温下极其容易与空气反应，但是熔点却超过 1 500 ℃。钛在常温下的耐腐性较好，不易被王水等强酸腐蚀，对海水的耐腐蚀性也极好。钛合金由于熔点较高，且质量较轻，所以被用来代替铝合金做飞机的机翼。

由于钛的提炼成本较高，在一定程度上限制了其应用范围，和其他金属一样，钛可以形成合金，且合金依然保持钛优良的机械性能、化学性能。钛可以和钒、铁、铝等形成合金，所制得的合金质地较轻，但机械性能良好，可以应用在航天、医疗、航海、汽车及海洋等领域。

按应用的领域来分，应用在航天上的钛合金主要分为三大类 [1, 2]：

1）高强钛合金　成型的合金强度高于100 MPa，和其他钛合金及其他种类的合金相比，此类钛合金的强度可以满足对材料强度要求极高的起落架、翼梁等零部件；

2）高温钛合金　此类合金可以在温度高达 500 ℃的情况下正常应用；

3）阻燃钛合金　由于钛合金存在由于快速氧化，而出现燃烧的弊端，这在很大程度上会限制钛合金的应用。国际上的很多国家都在寻找不同的方式来解决这个问题，中国也自行研发了阻燃钛合金。

由于钛合金和钛一样，可以不受湿氯气的腐蚀，所以钛合金在舰船上有广阔的应用空间，为航海及海洋战略提供了更多的可能。在国际上俄罗斯是较早将钛合金应用到舰船上的国家，现已研发了不同强度级别的船用钛合金。我国也研发了可以应用于舰船上的钛合金，部分已经在舰船上试用。

钛合金可以作为一种防腐材料应用在舰船上，它表现出的优异的抗腐蚀性是因为其表面可以形成致密的氧化层，此氧化膜在受到海水的腐蚀后，也可以在一定程度上实现自动复原，这些优点可以大大地降低舰船的维修费用，延长舰船的维护周期和使用寿命。

钛合金的这些优点可以弥补钛合金成本较高的不足。

为了说明钛合金具有较好的抗腐蚀性，将 3 种船用金属材料在流动的海水中的腐蚀速率进行了对比，如表 1所示。

表 1 的数据表明，铬-镍合金和铑系合金这 2 种材料，随着海水流速的增加，腐蚀速率都增大。而钛合金，在海水的流速从 4 m/s 增加到 12 m/s 时，钛合金没有表现出受到海水腐蚀的迹象，可以认为当海水的流速达到 12 m/s 时，钛合金受腐蚀的速率依然是 0。此时钛合金表现出了十分优异的耐腐蚀性能。

2、钛合金防腐材料在舰船推进系统上的应用

纯钛具有耐腐蚀性，是因为钛的表面在空气中可以形成钝化膜，此氧化膜可以抗腐蚀，且此氧化膜在受到破坏之后，在有氧的环境里可以实现自动再生，且此氧化膜对氯离子、硝酸等具有良好的耐腐蚀性。

钛合金是将钛与其他的金属一起组成合金，合金中成分的差异及各元素含量的多少也可以影响合金的性能。舰船作为一种在海水中游走的工具，钛合金是极佳的材料。它良好的耐腐蚀性决定了它可能是一种可以应用在舰船上的耐腐蚀材料，而其高的比强度又决定了它可以作为一种结构材料应用在舰船上。

推进系统为舰船提供前行的动力，是舰船的心脏，推进系统不仅要求其结构材料的性质稳定，在较高的温度下可以正常运转，还要求结构材料本身的比强度高，疲劳强度高，抗断裂的韧性高，钛合金正好可以满足推进系统对材料的多方面的要求。现在钛合金不仅被应用在舰船的推进轴上、发动机的排气管道、推进器上，还被应用在深潜船的耐压容器上等。

发动机上的排气管道对整个推进系统的正常运行也起着非常重要的作用，由于排气管道长期浸渍在海水中，受到流动海水的冲刷，减少排气管的腐蚀可以延长舰船的维修期。钛合金在高温下容易受空气的氧化，所以钛合金材料的管道在焊接成型时要全程在惰性气体的保护下进行，一般用氩气进行保护。研究发现，对不同壁厚的钛合金管道材料，应采用不同的焊接方式，其中 TIG 焊接的参考数据规范如表 2 所示 [3] 

由于钛合金的成本较高，为了降低生产的成本和扩大钛合金的应用范围，包括俄罗斯在内的国家都在研究钛合金的铸造技术。铸造技术的进步可以使钛合金更好地发挥其良好的机械性能。现在国际上也对如何进一步提高钛合金的铸造技术做了很多的研究。

钛合金在飞机上的应用较多，它不仅要求铸造成型的零件精密度高，还要求其耐用性好。飞机零部件的制造技术包括精密制造、大型的薄壁零件的制造、金属性铸造等。这些发展的技术都可以借鉴到舰船的推进系统中的零部件上 但是到目前为止 钛合金的种类还是偏少，不能使钛合金的应用像其他铝合金等一样的广泛，钛合金的融合技术、铸造技术都需要进一步的加强，进一步降低钛合金的成本。在现有的技术基础上，探索更易于和钛组成合金的元素和条件，也是未来钛合金发展的一个重要方向。

3、钛合金防腐材料在舰船上的应用展望

钛和钛合金的应用水平已经成为现代衡量一个国家技术发展程度的重要标志之一，它的发展和开发应用对一个国家战略也有十分重要的影响。未来舰船的制造方向在一定程度上也依赖于钛合金的发展。纵观国内外，钛合金的发展还存在研发成本高、钛合金的种类较少、相应的设备陈旧的困境，现在钛合金的研究水平还不能满足现代化对钛合金结构多样性、钛合金优异性能的需求。要使钛合金能在舰船、潜艇等水上及水下大型设备上有更充足的应用空间，就需要更新现代的钛合金的生产设备，减少生产过程中的能耗，增加钛合金的种类。钛合金作为一种优异的防腐材料，依旧是未来舰船更新和升级中的极具有潜力的结构材料，因此对钛合金的研究是具有重要的战略意义的。

参考文献：

[1] 付艳艳, 宋月清, 惠松骁. 航空用钛合金的研究与应用进展[J].2007(6).

[2] 彭昂, 毛振东. 钛合金的研究进展和应用现状[J]. 船电技术,2012, 10(32): 57–61.

[3] 周佳宇, 哈军. 钛合金材料在舰船管系上的应用[J]. 材料开发与应用, 2006(6).