2、鈦材在海洋裝備上的應用現(xiàn)狀及優(yōu)勢

鈦材是海洋環(huán)境中最理想的材料，使用鈦材可使海軍艦船及裝備大大提高戰(zhàn)斗力、降低維護成本、延長使用壽命、提高隱蔽性[1,10] 。俄、美、中國海軍已將鈦材廣泛應用于深潛器、水下潛艇、水面艦艇、艦船等裝備的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、上層建筑及其他部件等[9-11] 。

耐壓殼體

國內(nèi)外選用鈦材作為耐壓殼體的實例較多，主要用于深潛器載人球殼、潛艇殼體[11] ，具體典型應用所選用鈦材的牌號及拉伸性能見表 3。

表 3 國內(nèi)外載人球艙和潛艇耐壓殼體材質(zhì)、制備工藝及材料性能

國內(nèi)外深潛器載人球殼選用鈦材牌號主要有 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI(對應國內(nèi)牌號TC4、TC4ELI)。

很多深潛器載人球殼前期選用鋼材，但后期都采用鈦材替代，既可以減輕重量，增加下潛深度，又可以提高使用壽命。例如：①美國 Alvin 深潛器，1964 年建造時采用的是 HYl00 高強鋼 (板厚33.8 mm)，下潛深度為 2000 m，1973 年改建時將耐壓殼體換成鈦合金 (板厚 49 mm)，下潛深度增加到3600 m， 其 輔 助 箱 及 高 壓 氣 器 也 采 用 Ti-6Al-4VELI；②日本的“深海 2000”載人球殼采用鋼材制，后續(xù)在建造“深海 6500”時選用鈦材制備載人球殼以增加下潛深度。

在潛艇耐壓殼體應用方面，俄羅斯最早選用鈦材，是目前世界上使用鈦材制造耐壓殼體技術最先進最成熟的國家，其全鈦核潛艇制造選用的惟一的鈦材牌號為 IIT-3B 鈦合金 (對應國內(nèi)牌號 TA17)。近年來，國內(nèi)在建造潛艇時也更青睞于選用鈦材，牌號主要集中于 TA17、TC4、TC4ELI、TC11、純鈦等。

除此之外，目前許多國家都正在建造大深度載人潛水器和大深度全鈦武器裝備。國內(nèi)建造的“奮斗者”號全海深載人潛水器已于 2020 年 11 月 10 日成功挑戰(zhàn)全球海洋最深處——馬里亞納海溝，深度達10909 m，實現(xiàn)了中國人的深海夢，該深潛器的載人球殼材料為高強高韌損傷容限型鈦合金，由寶鈦股份制造；國內(nèi)已開始建造全鈦的大深度裝備。

海水管路系統(tǒng)

海水管路系統(tǒng)復雜、通徑規(guī)格多，所選材料要求具有耐海水腐蝕、強度高、疲勞性能好等特點，鈦材均可滿足，采用鈦合金制造的管道較傳統(tǒng)材料(碳鋼、不銹鋼、銅合金) 優(yōu)勢顯著。

(1) 提高服役壽命，與艦船本體同壽命。俄羅斯對比研究了傳統(tǒng)材料和鈦材制造的管道系統(tǒng)服役壽命。結(jié)果表明，鈦材與艦船同壽命，只需投入一次，且在使用過程中僅需簡單維護即可；傳統(tǒng)材料服役期限約 2~10 a，服役期內(nèi)必須定期維修，甚至更換，尤其是在高速推動環(huán)境作用下，各種接頭均會產(chǎn)生局部腐蝕。美國海軍艦船應用數(shù)據(jù)顯示，鈦

制管系壽命為 40 a，銅鎳合金管系壽命只有 6~8 a。

國內(nèi)開展了采用“鈦合金”替代“銅合金”制造海水管路系統(tǒng)的驗證考核試驗，寶鈦提供的 TA2 鈦無縫管材、配套管件和鈦法蘭在整套試驗系統(tǒng)運行近 3a 后，拆解檢驗管路及配套材料，均未發(fā)現(xiàn)有裂紋、孔洞和腐蝕等異常情況。(2) 降低成本。采用鈦合金部件，雖一次投入成本較高，但一次投入即可滿足全壽命使用，使用過程中僅需簡單維護保養(yǎng)，大量節(jié)省維修和維護費

用。美海軍艦船熱交換器用的銅鎳合金管每年大約需更換 97 km，而在 LPD17 兩棲船塢運輸艦的 2 個海水配管系統(tǒng)上選用了 Gr.2 純鈦管材，約 1000 多個管件，總長度 3350 m 以上，全壽命期節(jié)省成本達1700萬美元。

綜上所述，鈦材在管路系統(tǒng)的使用，既可以減重、又可以實現(xiàn)與本體同壽命，同時，降低成本。

近幾年，國內(nèi)已在 022 艇等多型號海洋裝備上批量應用。

上層建筑

目前，在國內(nèi)艦船上層建筑中也已有鈦材應用實例，如：桅桿用 Ti70(TA23)、雷達天線用 TA5 和TA7 棒材、機庫蒙皮和框架結(jié)構用 TA2 和 TA5 板材。美海軍在 LPD17 兩棲船塢運輸艦的關鍵部位上層建筑區(qū)也大量使用了鈦，使其質(zhì)量減輕約 50%，大大提高了該艦的穩(wěn)定性。

其他領域應用

除上述耐壓殼體、管路系統(tǒng)和上層建筑大量用鈦材外，國內(nèi)外海洋裝備上還有其他部件也有用鈦，應用實例見表 4。

表4 國內(nèi)外海洋裝備其他部件用常見鈦材

結(jié)束語

鈦合金不僅使海洋裝備實現(xiàn)向“深、大、遠、高、低”的方向發(fā)展，也可完全實現(xiàn)與海洋裝備本體同壽命，是海洋裝備的最佳選材。目前，我國對鈦材在海洋裝備上的應用也越來越重視，用鈦量也在不斷的增加。深海耐壓殼體、海水管路、氣瓶、上層建筑、框架等將成為海洋用鈦的重點發(fā)展方向。

現(xiàn)階段國內(nèi)外鈦材在船舶領域應用實例較多，但相關規(guī)范中材料體系并不完善。希望相關單位組織討論并完善現(xiàn)行“鈦制壓力容器”、“材料與焊接”等相關規(guī)范中的材料體系，以便于設計人員參考。

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作者簡介：海敏娜 (1987—)，女，陜西寶雞人，工程師，碩士，2015 年畢業(yè)于西安建筑科技大學材料加工工程專業(yè)，工作于寶雞鈦業(yè)股份有限公司，主要從事與海洋裝備領域用鈦相關的研究。通信地址：721013 陜西省寶雞市渭濱區(qū)高新大道 88 號，E-mail：haiminna@126.com。