钛棒钛锻件等钛合金材料的耐压壳体在船舶建造中的应用研究

1、引言

钛金属在地壳中主要以氧化钛（TiO₂）的形式存在，其含量仅次于铝、铁、镁，储存量十分丰富。作为一种稀有金属，1791年作为一种矿物质被发现；1940年卢森堡科学家用镁还原 TiC_l4 得到了纯钛，至此钛金属的生产进入工业化阶段，其应用范围也被进一步拓展。例如我国首个载人深海潜水器即使用Ti80钛合金耐压壳，顺利下潜至4500米深海。目前越来越多的国家对于钛合金的实用价值给予足够的重视，在船舶耐压壳体应用中的性能与优势也被广泛重视。

2、钛合金材料特点

钛合金材料是指在钛元素中加入其他元素构成的合金，钛合金材料具有密度小、强度高、韧性好和优秀抗腐蚀性的特点，在制造船体结构时使用钛合金，极大提升设备性能。首先，从其强度性能看，一般的钛合金密度约为4.5g/m³ ，密度仅仅是钢材料的 60%，但是强度却比钢材料高很多，在船体中利用钛合金能够制造出重量轻、强度高的部件。其次，从抗腐蚀上看，钛合金在船舶建造中有着天然的优势，其抗腐蚀性能远远超过不锈钢。而且对于碱、氯化物或者氯的有机物品、硝酸等都有很强的抗腐蚀性能[1] 。无论在清洁还是污染的海水中，钛合金都能够保持钝化状态，腐蚀率仅为0.00076μm/a，几乎可以忽略不计。同时，钛合金材料低温性能好，在海洋低温环境中都能够保持良好的物理性能，使用温度在300 ～ 600℃之间。在-296℃的低温下其强度也远远高于其他合金。钛合金的各种性能更符合船舶设计与建造要求，所以一直被作为大型潜艇、深海潜水器等设备壳体的主要材料，俄罗斯作为世界上第一个使用钛合金耐压壳体的国家，其钛合金生产工艺长期处于世界领先位置。具体而言，根据钛合金在船体中的使用位置，可以分为壳体用钛合金、动力工程用钛合金和船机用钛合金。根据其特性可以分为可焊结构钛合金、高强度钛合金、耐热钛合金等。表1是钛合金与其他几种金属材料性能、成本的对比。

表 1 钛合金材料性能与其他几种金属材料性能的对比

从表1可以看出，无论是强度还是延伸率，高强钛合金都远远高于另外两种合金。但是钛合金缺点是制造成本高，而且工艺复杂，切削加工困难。尤其是在热加工过程中很容易混入各种杂质，导致焊接质量受到严重的影响。

3、船舶建造中对耐压壳体的质量要求

船舶建造中对于金属材料的要求较高，不但要具有抵御风浪的良好强度；而且也具有良好的耐腐蚀性，以降低海水、海洋大气对船体的破坏。所以，长期以来船舶建造材料一直是船舶领域研究的重点。从实际使用情况看，目前国外船舶中对于钛合金使用较为广泛，我国船舶建造中由于钛合金成本、焊接工艺等因素的影响，还存在很多的应用障碍，在一定程度上影响了钛合金材料在船舶建造中的应用。

船舶建造中的耐压壳体大多应用于船体结构中，但是由于海洋环境下具有较强腐蚀性，而且需要承受海水的巨大压力与腐蚀性环境，所以对船舶结构性能有更高的要求，保证耐压壳体在使用中不会因海水压力和腐蚀而损坏。因此，近年来对船舶建造中耐压壳体的性能要求越来越高。一般常见的船舶耐压壳体主要结构形式包括球形、圆柱形、圆锥形等多种，但是海洋航行中的恶劣环境对耐压壳体使用的材料提出更高的要求，需要对其物理性能进行严格的测试，以确保船舶航行安全。在钛合金使用中，我们也自主研发了一些船舶使用的钛合金，如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5 等，应用于船体、动力装置、民用船只耐压壳体等[2] 。但是与俄罗斯、美国相比，我国钛合金在船舶中的应用不太成熟，还具有很大的应用推广空间。

4、钛合金材料耐压壳体在船舶建造中的应用

有鉴于钛合金材料良好的性能，近年来在船舶制造中得到一定应用。从实际情况看，在民用船只、深海潜水器、军用船只，钛合金材料应用较为广泛。本节主要根据应用情况，对钛合金材料在船舶制造中的应用与发展进行简要探讨。

4.1 钛合金材料在民用船只中的应用

民用船舶由于长期浸泡在海水中，受到海洋侵蚀和海洋大气环境的影响，船体结构很容易受到腐蚀，尤其是螺旋桨等接触海水的部件。所以在建造中往往对材料有着更高的要求，包括要具有很强的耐腐蚀性、强度高、维修少等，进而满足船舶使用中耐蚀性、耐久性、牢固性、可靠性及稳定性等多方面要求。在航运中具有较强的承重力，受到海水冲击时，能够尽量减少其对船体的破坏。同时还能够降低船体重量，提升航行距离。这些严苛的条件，都为钛合金材料在船舶建造中的应用奠定了良好的基础。例如如果用铜或者不锈钢来制作船舶的泵、阀和管系，一般只有 2—5年的寿命。如果用钛合金来制作，其使用寿命会远超铜和不锈钢[3] 。

4.2 钛合金材料耐压壳体在深海潜水器中的应用

深海潜水器是探索深海救援，进行深海科学研究的重要基础，在技术获得突破后又可以被应用到军事领域。

所以，近年来世界各国都十分重视深海潜水器的制造，在我国第一个深海潜水器制造中，由于钛合金焊接工艺极高，所以一直采用俄罗斯制造的钛合金耐压壳。美国则重点研制了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 等船用钛合金，有效提升船舶运动过程中的稳定性，减轻船体质量[4] 。例如我国上海钢研所研制的 Ti-Nb-Zr-Mo钛合金性能接近 α 高强度钛，其强度、韧性、可焊接性、耐腐蚀性的综合性能都得到很大的提升，成为深海潜水器耐压壳体的最佳材料。

4.3 钛合金材料在军用船只中的应用

钛合金材料在军用船只中的应用也十分广泛，作为世界上最早研究、应用钛合金的国家，俄罗斯目前已经构建出齐全的钛合金体系，并将高强度的钛合金应用至船体、船机和动力装置等方面。例如列宁号破冰船制成的钛合金蒸汽发生器，顺利使用了几十年未出现损坏[3] 。美国海军 1950 年即开始重点发展钛合金在军用船只中的应用，随后将钛合金材料应用至各种动力潜艇、水面艇，材料包括 Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等。我国对于钛合金材料在军用船舶中的应用研究开始于 1962 年，目前钛合金已经应用至船体结构、螺旋桨、电子电力系统以及各种特殊装置中，满足舰艇、潜艇和深潜器对不同强度级别的要求[4] 。

5、结语

钛合金被广泛应用以来，我国经过几十年的技术研究与发展已经形成较为完善的产业链，并为船舶建造行业带来明显的社会效益与经济价值[5] 。相对于船用钢材，钛合金虽然是钢材价格的数倍，但是钛合金使用寿命更长、技术性能更具优势，其边际成本更低[6] 。所以在动辄寿命数十年的海洋船只建造中，积极使用钛合金不仅能够延长使用寿命，而且维护费用低，值得在船舶制造行业中广泛推广。

【参考文献】

[1] 王鹏飞，江亚彬，宋江，等 . 深海用复合材料耐压壳体结构设计方法研究 [J]. 复合材料科学与工程，2020(11):49-53.

[2] 王珂，吴丽，李永正，等 . 新型钛合金材料疲劳裂纹扩展试验研究 [J]. 舰船科学技术，2020，42(21):9-12.

[3] 吴建新 . 钛合金材料在船舶材料上的应用 [J]. 船舶物资与市场，2020(8):5-6.

[4] 肖伟星 . 船用钛合金材料焊接中的常见问题与对策 [J]. 中国设备工程，2019(2):188-189.

[5] 江洪，陈亚杨 . 钛合金在舰船上的研究及应用进展 [J]. 新材料产业，2018(12):11-14.

[6] 李德强，王树森，包恩达 . 钛合金材料在船舶材料上的应用与发展 [J]. 世界有色金属，2015(9):127-128.

基金项目：甘肃省教育厅高校创新基金项目，基于水环境的大气波导观测方法研究（2020A-220 号）。

作者简介：钟立才（1987- ），男，甘肃兰州，本科，讲师，研究方向 : 高分子材料加工机械。

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