艦船用Ti80鈦棒Ti31鈦合金退火 鍛件 成形工藝應(yīng)用

Ti75鈦棒、Ti80鈦棒、Ti31鈦合金鍛件具有優(yōu)良耐海水腐蝕、高比強(qiáng)度、無磁性、透聲性、抗裂性和可加工性等特點(diǎn),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(wěn)定,在3×10°~20x10慢中子流輻射中,布氏硬度、屈服強(qiáng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)材料,被譽(yù)為“海洋金屬”。各國船舶行業(yè)對鈦及鈦合金在艦船上的應(yīng)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(yīng)用背景具有代表性和廣泛性的當(dāng)屬Ti75和Ti80兩種鈦合金。利泰金屬整理相關(guān)資料，將船用Ti75和Ti80的實(shí)際應(yīng)用，分享如下：

研究十分重視先后研究開發(fā)了專用的船用鈦合金系列,并在艦船上大量應(yīng)用,以提高艦船設(shè)備運(yùn)行的可靠性和使用壽命,從而提升艦船的技、戰(zhàn)術(shù)性能。鈦材料在船舶中的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣,從船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)到特種裝置等。可以說除船舶屬具與艙室設(shè)施外的大部分設(shè)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(yīng)用前景十分廣闊,其應(yīng)用也必將會(huì)帶來明顯社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1、Ti75鈦棒和Ti80鈦棒兩種鈦合金的應(yīng)用

1.1 Ti75鈦合金

該合金是西北有色金屬研究院開發(fā)的中強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆Ti-3A2Mo2Zr系鈦合金田其強(qiáng)度、塑韌性、耐蝕性和加工性等綜合性能優(yōu)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(xué)性能:o>700MPa、oa2630MPa、A>15%、35%a≥59Jm2。耐海水腐蝕性能優(yōu)異,海水浸泡腐蝕、縫隙腐蝕、動(dòng)海水腐蝕(流速為3ms)的腐蝕速率為0mm/a,焊接系數(shù)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(qiáng)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(yīng)力腐蝕性能KSCC值達(dá)到867MPam2,是TA5的1.5~2倍;該合金具有良好的焊接性能,達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)焊接系數(shù)09的要求性能對雜質(zhì)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(yīng)性強(qiáng),具有優(yōu)于TA5的冷熱加工性能;該合金使用AMo中間合金,生產(chǎn)工藝成熟,性能穩(wěn)定,因此適用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),其成本不超過TA5的10%。

與國內(nèi)外同級船用鈦合金的比較:與俄羅斯480T3比較,在強(qiáng)度高出50MPa的前提下,Ti75鈦合金原材料適應(yīng)性強(qiáng)、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(yīng)力腐蝕性能高50%;與俄羅斯∏T3B合金強(qiáng)度水平相當(dāng),但∏T3B延性差(Z:10%),且不能生產(chǎn)管材;美國Ti3A125V合金品種齊全,但強(qiáng)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(yōu)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(tǒng)研制的中強(qiáng)合金,主要運(yùn)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(shè)備的一般部件。(1)由Ti75鈦合金制作的零部件已成功應(yīng)用于某工程的往復(fù)式鹽水泵、通海系統(tǒng)、海水四通、接管和舷側(cè)雙座雙球閥閥桿等,并且有15個(gè)Ti75鈦合金零件于1993年安裝到某艇進(jìn)行裝艇使用,正常運(yùn)行至今。Ti75鈦合金在艇上的成功應(yīng)用,開創(chuàng)了鈦合金在某型號二回路系統(tǒng)中實(shí)艇應(yīng)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(shè)計(jì)使用Ti75鈦合金管板、封頭、法蘭制造某工程關(guān)鍵設(shè)備-主冷凝器。

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

(5)Ti75合金具有的優(yōu)異性能,使其在艦船上的應(yīng)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(wěn)性儲(chǔ)備,估計(jì)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(chǎn)品可與艦船同壽命,中間不需要維修,節(jié)省了大量維修費(fèi)用。而銅及銅合金制造的設(shè)備,若按艦船服役20~25年計(jì)算,至少也要維修2~3次,不僅修理費(fèi)用高,同時(shí)降低了艦船的航率。據(jù)權(quán)威專家介紹,從設(shè)備的制造與使用全壽命運(yùn)營分析,在俄羅斯用鈦材比不銹鋼便宜5倍。從眼前及長遠(yuǎn)看,用Ti75合金比用B30合金制造通海系統(tǒng)管路設(shè)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(tǒng)設(shè)備的腐蝕問題;使艦船動(dòng)力裝置用材單一化,制作工藝簡化,便于設(shè)備維修;減少設(shè)備尺寸,減輕質(zhì)量;提高安全可靠性,減少維修費(fèi)用,延長使用壽命提高了艦船的整體作戰(zhàn)水平,擴(kuò)大了活動(dòng)范圍。

1.2 Ti80鈦合金

Ti80鈦合金是上海鋼研所20世紀(jì)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(qiáng)、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(shù)達(dá)到09。性能指標(biāo)見表2所示。

Ti80鈦合金是在Ti75鈦合金基礎(chǔ)上研發(fā)的船用高強(qiáng)合金,主要運(yùn)用在高壓容器、深潛器的耐壓殼體、船舶焊接結(jié)構(gòu)件等,應(yīng)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(xù)定工作時(shí)間、能完成某些特定工作的潛水器具,是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種數(shù)量頗多的非戰(zhàn)斗水下運(yùn)載工具,到80年代載人深潛器已下達(dá)到6500m,能直接考察世界海洋的98%海域,客運(yùn)與軍事、科研、海洋開發(fā)、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(qiáng)結(jié)構(gòu)和接觸海水的所有系統(tǒng)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(qiáng)度,我國船舶某所采用785MPa級的T80合金制作。深潛器結(jié)構(gòu)尺寸不大(長8-10m、寬3m、高3.5m),而所用鈦材規(guī)格最大。載人耐壓艙需用規(guī)格大于120mm×3400mm×3400mm的Ti80合金板材來制造,球殼直徑達(dá)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(bǔ)強(qiáng)。Ti80合金在鎢極氫弧焊條件下,焊接系數(shù)>0.9,抗裂性好,有利于深潛器的制造。

(2)柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)

從2000年開始,在某型艦艇設(shè)計(jì)中,充分利用鈦合金良好的綜合性能,在工作環(huán)境惡劣、腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,釆取傳統(tǒng)的防腐蝕無法達(dá)到埋想的防腐效果的柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)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(jīng)考核各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求,有效地解決了該系統(tǒng)的腐蝕問題,提高∫該系統(tǒng)的可靠性和使用壽命,維護(hù)保養(yǎng)工作量大大降低。

(3)聲掃雷具

隨著水雷的出現(xiàn)與發(fā)展,各因海軍相應(yīng)地研制建造了各型掃雷艇(近代又出現(xiàn)獵雷艦艇)和楣應(yīng)的各類掃雷、滅雷具。船舶某所設(shè)計(jì)人員利用T80合金的高強(qiáng)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(jù)掃雷具的發(fā)聲器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用性能,制造鈦合金掃雷具。經(jīng)過應(yīng)用性能考核,有效地提高了掃雷艇,掃雷具的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),極大鼓勵(lì)了設(shè)計(jì)部門堅(jiān)決、廣泛地在艦船特殊部位、整體結(jié)構(gòu)中使用鈦材。

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