艦船用Ti80鈦棒Ti31鈦合金退火 鍛件 成形工藝應用

Ti75鈦棒、Ti80鈦棒、Ti31鈦合金鍛件具有優良耐海水腐蝕、高比強度、無磁性、透聲性、抗裂性和可加工性等特點,其熱中子吸收截面為56×10m2,大約是鋯的30倍,鉿的1/2。鈦合金的核性能也比較穩定,在3×10°~20x10慢中子流輻射中,布氏硬度、屈服強度略有增加,伸長率、電阻率略有下降但沖擊韌性沒有改變,合金的密度及產品的尺寸形狀均無改變。由于鈦的這些性能而被作為一種理想的艦船結構材料,被譽為“海洋金屬”。各國船舶行業對鈦及鈦合金在艦船上的應用。

目前船用鈦及鈦合金的牌號主要有TA2、Ti31、TA5、Ti70、T75、T91、Ti80和TiB19,但應用背景具有代表性和廣泛性的當屬Ti75和Ti80兩種鈦合金。利泰金屬整理相關資料，將船用Ti75和Ti80的實際應用，分享如下：

研究十分重視先后研究開發了專用的船用鈦合金系列,并在艦船上大量應用,以提高艦船設備運行的可靠性和使用壽命,從而提升艦船的技、戰術性能。鈦材料在船舶中的應用領域非常廣,從船體結構、推進系統、電力系統、電子信息系統和輔助系統到特種裝置等。可以說除船舶屬具與艙室設施外的大部分設備、零部件均可以用鈦及鈦合金材料。因此,鈦及鈦合金在艦船上的應用前景十分廣闊,其應用也必將會帶來明顯社會效益和經濟效益。

1、Ti75鈦棒和Ti80鈦棒兩種鈦合金的應用

1.1 Ti75鈦合金

該合金是西北有色金屬研究院開發的中強、耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆Ti-3A2Mo2Zr系鈦合金田其強度、塑韌性、耐蝕性和加工性等綜合性能優于TA5。沖擊韌性和斷裂韌性是TA5的14倍和12倍,K正為TA5的2倍。該合金性能如表1所示。其板材、鍛件典型的力學性能:o>700MPa、oa2630MPa、A>15%、35%a≥59Jm2。耐海水腐蝕性能優異,海水浸泡腐蝕、縫隙腐蝕、動海水腐蝕(流速為3ms)的腐蝕速率為0mm/a,焊接系數大于0.9,與船體鋼電偶腐蝕效果為1.33。

與船用TA5鈦合金的比較:Ti75強度高出TA5鈦合金50MPa;沖擊韌性和斷裂韌性比TA5高出20%;在3.5%NaCl水溶液中應力腐蝕性能KSCC值達到867MPam2,是TA5的1.5~2倍;該合金具有良好的焊接性能,達到設計指標焊接系數09的要求性能對雜質氧敏感低于TA5;該合金中合金元素鋁以AMo中間合金加入,對于消除鑄錠成分偏析較TA5有利;該合金熱加工溫度較TA5低70~100℃,對溫度變化的適應性強,具有優于TA5的冷熱加工性能;該合金使用AMo中間合金,生產工藝成熟,性能穩定,因此適用于產業化生產,其成本不超過TA5的10%。

與國內外同級船用鈦合金的比較:與俄羅斯480T3比較,在強度高出50MPa的前提下,Ti75鈦合金原材料適應性強、鑄錠成分易均勻,熱加工溫度低近100℃,沖擊、斷裂韌性高出20%,應力腐蝕性能高50%;與俄羅斯∏T3B合金強度水平相當,但∏T3B延性差(Z:10%),且不能生產管材;美國Ti3A125V合金品種齊全,但強度水平比T75合金低近100MPa;與TC4合金相比,Ti75鈦合金的延性、沖擊、斷裂、彎曲、疲勞等性能均優于前者,其中斷裂韌性高出30%,疲勞性能高出15%以上。

Ti75鈦合金是專門為某型號二回路系統研制的中強合金,主要運用在大通徑流體輸送管、換熱器管板、封頭、閥門殼體、閥瓣等設備的一般部件。(1)由Ti75鈦合金制作的零部件已成功應用于某工程的往復式鹽水泵、通海系統、海水四通、接管和舷側雙座雙球閥閥桿等,并且有15個Ti75鈦合金零件于1993年安裝到某艇進行裝艇使用,正常運行至今。Ti75鈦合金在艇上的成功應用,開創了鈦合金在某型號二回路系統中實艇應用的先例制

(2)我國船舶某所使用Ti75鈦合金板材制作的深潛器載人。

(3)中船重工某所設計使用Ti75鈦合金管板、封頭、法蘭制造某工程關鍵設備-主冷凝器。

(4)某型號永磁推進電機所需的鈦合金轉子支架使用直徑3m,璧厚約100mm的Ti75鈦合金環件制作,提高了電機性能。

(5)Ti75合金具有的優異性能,使其在艦船上的應用前景廣泛。如艦船的上層建筑,用Ti75合金代替船體鋼,可有效提高艦船的穩性儲備,估計一艘艦船需上百噸鈦材。

Ti75鈦合金密度約為B30合金的一半,其制成的產品可與艦船同壽命,中間不需要維修,節省了大量維修費用。而銅及銅合金制造的設備,若按艦船服役20~25年計算,至少也要維修2~3次,不僅修理費用高,同時降低了艦船的航率。據權威專家介紹,從設備的制造與使用全壽命運營分析,在俄羅斯用鈦材比不銹鋼便宜5倍。從眼前及長遠看,用Ti75合金比用B30合金制造通海系統管路設備,從全壽命分析也是便宜的。T75鈦合金徹底解決了通海系統設備的腐蝕問題;使艦船動力裝置用材單一化,制作工藝簡化,便于設備維修;減少設備尺寸,減輕質量;提高安全可靠性,減少維修費用,延長使用壽命提高了艦船的整體作戰水平,擴大了活動范圍。

1.2 Ti80鈦合金

Ti80鈦合金是上海鋼研所20世紀80年代研制的一種新型的Ti60A-2.5Nb-2.2Zr-12Mo系近α合金5四,具有高強、高韌、可焊、耐蝕等綜合性能。Ti80合金采用焊接十熱處理焊接工藝可使接頭焊接系數達到09。性能指標見表2所示。

Ti80鈦合金是在Ti75鈦合金基礎上研發的船用高強合金,主要運用在高壓容器、深潛器的耐壓殼體、船舶焊接結構件等,應用主要方向(1)深潛器

深潛器是一種可以潛人水下一定深度、持續定工作時間、能完成某些特定工作的潛水器具,是20世紀60年代發展起來的一種數量頗多的非戰斗水下運載工具,到80年代載人深潛器已下達到6500m,能直接考察世界海洋的98%海域,客運與軍事、科研、海洋開發、深海打撈及救生等。深潛器上的主要受力是作用在耐壓殼體、加強結構和接觸海水的所有系統的靜水壓,對于每一米水深,海水靜壓力增加10.IKPa。為了使殼體給定的水深有足夠的強度,我國船舶某所采用785MPa級的T80合金制作。深潛器結構尺寸不大(長8-10m、寬3m、高3.5m),而所用鈦材規格最大。載人耐壓艙需用規格大于120mm×3400mm×3400mm的Ti80合金板材來制造,球殼直徑達500mm。在耐壓殼體上有許多大孔(觀察艙、密封艙口、貫通迕接件)需焊接更厚的鍛件來補強。Ti80合金在鎢極氫弧焊條件下,焊接系數>0.9,抗裂性好,有利于深潛器的制造。

(2)柴油機進排氣系統

從2000年開始,在某型艦艇設計中,充分利用鈦合金良好的綜合性能,在工作環境惡劣、腐蝕現象嚴重,釆取傳統的防腐蝕無法達到埋想的防腐效果的柴油機進排氣系統中大量使用鈦合金材料,其中就有Ti80合金。于是制造了耐壓排氣直管、耐壓球形排氣三通管等重要部件,經考核各項性能指標均滿足要求,有效地解決了該系統的腐蝕問題,提高∫該系統的可靠性和使用壽命,維護保養工作量大大降低。

(3)聲掃雷具

隨著水雷的出現與發展,各因海軍相應地研制建造了各型掃雷艇(近代又出現獵雷艦艇)和楣應的各類掃雷、滅雷具。船舶某所設計人員利用T80合金的高強度、耐海水腐蝕、無磁、高電阻率,制作掃雷艇的鈦合金殼體。并根據掃雷具的發聲器結構特點和使用性能,制造鈦合金掃雷具。經過應用性能考核,有效地提高了掃雷艇,掃雷具的戰術指標,極大鼓勵了設計部門堅決、廣泛地在艦船特殊部位、整體結構中使用鈦材。

鈦及鈦合金的優異性能,使其在船用領域大有潛力可為。國外把鈦材在船舶上的應用水平作為衡量船舶技術性能先進程度的一項非常重要的指標。隨著海軍現代化建設步伐的加快,新型號新T程中的鈦材應用越來越多。Ti75合金的研制成功及成功應用,不僅可滿足我國艦船動力裝置對材料的需求,而且為我國船用鈦合金的創新研究和發展起到了巨大推動和促進作用。Ti75棒和Ti80鈦棒的進一步推廣和擴大化使用,將有力推動我國海軍裝備事業的高速發展。