1、鈦材在國內(nèi)外軍用艦船中的應(yīng)用現(xiàn)狀

鈦以其輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛、高耐蝕、無磁性等優(yōu)異性能被稱為“海洋金屬”，是海軍工程最有前途的金屬材料，被世界各國廣泛應(yīng)用于水面艦船、水下潛艇、深潛器、水中兵器、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。

美國、日本、俄羅斯在深潛器上成功的使用了鈦材，使下潛深度分別達(dá)到了 5000 米、6000 米和 6500 米。俄羅斯在核潛艇中是使用鈦材最多的國家，其中最典型的是全鈦核潛艇，其單艇用鈦材最大達(dá)到 9000噸；[3]其它核潛艇中的冷凝器、熱交換器、聲納導(dǎo)流罩、通海管路系統(tǒng)、波紋管等都采用鈦材;常規(guī)潛艇中的聲納導(dǎo)流罩、通海管路系統(tǒng)、波紋 管、泵、閥也都大量應(yīng)用鈦材。水面艦船（如現(xiàn)代級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、航母）的聲納導(dǎo)流系統(tǒng)、通海管路系統(tǒng)、波紋管、泵、閥也都廣泛使用鈦材，其主要艦船都經(jīng)過了北極、南極、赤道、太平洋、印度洋、大西洋的全球海域航行，解決了設(shè)計(jì)許用應(yīng)力、安全系數(shù)選取等問題。美國、日本多種艦船噴水推進(jìn)裝置上也都使用鈦材，有效的克服了采用銅合金在航 行時(shí)切割地球磁力線而產(chǎn)生較大感應(yīng)電流的不利影響。圖 1 是俄羅斯k877 型常規(guī)潛艇，其聲納導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)全部采用鈦材。

我國自上世紀(jì)六十年代起開始研究艦船用鈦合金，在國內(nèi)相關(guān)單位的共同努力下，研究了從工業(yè)純鈦到不同強(qiáng)度等級(jí)系列的船用鈦合金（Ti80鈦鍛件、Ti31鈦棒、Ti75鈦棒）及其配套焊接材料，在有關(guān)部門的支持下，鈦合金在我國相關(guān)產(chǎn)品的得到了應(yīng)用，已應(yīng)用的有潛艇的魚雷發(fā)射管、柴油機(jī)的排煙管路系統(tǒng)、鹽水泵、一回路的海水蒸發(fā)器;導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦的聲納導(dǎo)流罩、雷達(dá)天線、滅掃雷具;導(dǎo)彈快艇部分通海管路、魚雷用電池箱等。

2、我國艦船鈦及鈦合金工程應(yīng)用前景

自 2002 年以來，我國艦船用鈦得到極大關(guān)注，相關(guān)的材料基礎(chǔ)研究、生產(chǎn)工藝及設(shè)備研究、裝備制造技術(shù)研究等進(jìn)步明顯。各型號(hào)艦船均大力推進(jìn)鈦材應(yīng)用，以提高艦船裝備技術(shù)性能及全壽命周期可靠性。

常規(guī)潛艇應(yīng)用前景：2002 年以前，常規(guī)潛艇僅沿襲前蘇聯(lián)技術(shù)，在魚雷發(fā)射管等部位極少量用鈦，每艇不足 2 噸；2002-2020 年，在柴油機(jī)主機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)及其輔助冷卻、測量、潤滑管路中等大量采用鈦，每艇總用量～40 噸，預(yù)計(jì)再經(jīng)過兩個(gè)型號(hào)的研究、建造的磨礪，到 2040年左右，我國常規(guī)潛艇用鈦水平將達(dá)到俄羅斯目前的常規(guī)潛艇用鈦水平，每艇總用量～100 噸。

核常規(guī)潛艇應(yīng)用前景：截止目前，我國核潛艇用鈦仍沿襲前蘇聯(lián)技術(shù)，僅在核動(dòng)力裝置一回路設(shè)備中采用了核性能穩(wěn)定的 Ti31 特種鈦合金。但隨著常規(guī)潛艇用鈦的發(fā)展，預(yù)計(jì)將來其用鈦量會(huì)超越常規(guī)潛艇。

戰(zhàn)斗艦艇應(yīng)用前景：到現(xiàn)階段，我國主要水面戰(zhàn)斗艦艇如掃雷艦、獵掃雷艦、導(dǎo)彈快艇、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦等用鈦增長較為迅猛。世界上只有美、俄、日、中四國建立了完整的鈦工業(yè)體系，而美、俄、日均已把鈦列入了戰(zhàn)略限制物資，美、俄的軍事用鈦更是高達(dá) 80%以上。我國軍用鈦僅占總量的約 20%，艦船用鈦更是微不足道。

可喜的是近二十年的磨礪和嘗試，我國艦船用鈦已經(jīng)真正起步，各方已經(jīng)形成了促進(jìn)艦船用鈦的一致共識(shí)，未來 20 年將是我國艦船用鈦的黃金時(shí)間，我國艦船用鈦水平可望在這 20 年里迅速提升至國際先進(jìn)水平，達(dá)到甚至超過美、俄、日等世界鈦工業(yè)強(qiáng)國，成為保障我國海軍裝備建設(shè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型的重要支持。

3、我國艦船鈦及鈦合金工程應(yīng)用面臨的主要問題及解決方案

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

我國艦船用鈦剛剛起步，在鈦合金產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)大致有兩種思路，一種是借鑒俄羅斯經(jīng)驗(yàn)，在引俄技術(shù)研究的基礎(chǔ)上研仿設(shè)計(jì)；一種是在原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，簡單比對(duì)鈦材和原材料的差異進(jìn)行材料替代。

上述設(shè)計(jì)方式局限性很大，在很大程度上不能充分利用鈦材的綜合性能優(yōu)勢，可能造成一定的設(shè)計(jì)富余和浪費(fèi)，同時(shí)也缺乏足夠的理論支持。如鈦材的屈強(qiáng)比很高（一般～0.9）、在海水中屬于“不腐蝕”材料、比重輕等性能非常有利于我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)降低產(chǎn)品重量、規(guī)格、體積等，進(jìn)而降低成本，提高性能。但目前很多型號(hào)艦船鈦合金產(chǎn)品設(shè)計(jì)僅停留在模仿和材料替代上，遠(yuǎn)沒有達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理、適用的原則。

俄羅斯是艦船用鈦理論、設(shè)計(jì)、工藝最完整、最成熟的國家，解決這個(gè)問題的最快、最佳方法是國家有關(guān)部門統(tǒng)籌策劃，整合國內(nèi)研究資源，系統(tǒng)研究俄羅斯船用鈦裝備的設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)行必要的補(bǔ)充試驗(yàn)、研究，并形成自己的設(shè)計(jì)規(guī)范并推廣到所有設(shè)計(jì)和應(yīng)用單位。

3.2 艦船用鈦及鈦合金材料體系的確定

2002 年-2009 年是我國艦船用鈦的嘗試階段，基于對(duì)未來我國艦船用鈦廣闊前景的期盼，國內(nèi)在艦船用鈦領(lǐng)域一度出現(xiàn)“群雄并起、各執(zhí)己見”的無序局面。設(shè)計(jì)所、材料研究單位、材料生產(chǎn)商、船廠各自站在自身利益說話，提出了紛紛嚷嚷的艦船用鈦及鈦合金材料選型方案，很多方案都偏離了最佳技術(shù)合理性原則。如很多單位都極力推薦自有專 利產(chǎn)品，甚至在低強(qiáng)度級(jí)別的 TA2、TA3 等純鈦完全可滿足要求的情形下依然選擇高級(jí)別的材料，而這些材料的工程應(yīng)用研究和試驗(yàn)并不充分，專利的取得也有急功近利的因素。這種情形業(yè)已造成無序競爭，對(duì)我國艦船用鈦的大局不利。

解決這些問題并不復(fù)雜。我國艦船用鈦已經(jīng)有足夠多的材料可供選擇，關(guān)鍵是擺脫利益因素的干擾，用純技術(shù)經(jīng)濟(jì)的方法去去確定材料體系。我們可以學(xué)習(xí)航空航天用鈦的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)材料的機(jī)械性能（主要是強(qiáng)度）和特殊物理化學(xué)性能（主要是耐蝕性、透聲性、耐溫性等）進(jìn)行分級(jí)，確定不同級(jí)別的材料性能要求，再確定不同級(jí)別的材料可選方案，最終形成材料規(guī)范體系，避免材料壟斷。

3.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

我國艦船鈦及鈦合金工程應(yīng)用主要涉及四大類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、制造標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1） 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

美、俄、日針對(duì)艦船用鈦有專門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而我國目前尚沒有，所以在鈦合金的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面存在很多不確定性，甚至是缺憾。

建議通過各種渠道爭取到國外的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，特別是俄羅斯的相對(duì)完整的設(shè)計(jì)規(guī)范，國內(nèi)再進(jìn)行補(bǔ)充研究形成自己的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2） 材料標(biāo)準(zhǔn)

我國鈦及鈦合金的材料配套生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，材料種類也很多，大部分材料已有對(duì)應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、航空航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。但艦船鈦及鈦合金材料卻沒有船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前主材用的是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，輔材套用了國家標(biāo)準(zhǔn)或其它行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，材料標(biāo)準(zhǔn)的選擇反而成為各單位利益保護(hù)的工具，已失去了其應(yīng)有的技術(shù)規(guī)范作用。

建議由國家相關(guān)部委牽頭，國家鈦工業(yè)協(xié)會(huì)承辦，各相關(guān)設(shè)計(jì)所、材料研究單位、材料生產(chǎn)商、船廠參與，在現(xiàn)有材料標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，整理編制艦船鈦及鈦合金材料的國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)或船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3） 制造標(biāo)準(zhǔn)

我國艦船鈦及鈦合金裝備制造工藝能力和國外先進(jìn)水平還有差距，基本沒有制造標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣和技術(shù)文件上更沒有對(duì)制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。目前各制造單位可能有自己的工藝文件，但不系統(tǒng)。

建議把代表我國先進(jìn)制造能力、相對(duì)成熟的熱處理、機(jī)械加工、切割加工、冷熱成型、焊接、表面改性處理等工藝文件逐步上升為標(biāo)準(zhǔn)，以引領(lǐng)我國艦船鈦及鈦合金裝備制造能力的整體提高，也為設(shè)計(jì)提供必要的工藝規(guī)范和要求的信息，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4） 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

我國艦船鈦及鈦合金的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的最大問題是不完整、不系統(tǒng)、不專業(yè)。目前在外觀、無損檢測、常規(guī)力學(xué)性能、硬度、疲勞等方面大多數(shù)沿用鋼結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏表面處理結(jié)合強(qiáng)度、防接觸電化學(xué)腐蝕的絕緣性能等檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣和技術(shù)文件上對(duì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定極不完整。

建議由國家相關(guān)部委、國家鈦工業(yè)協(xié)會(huì)等牽頭，各相關(guān)設(shè)計(jì)所、材料研究單位、材料生產(chǎn)商、船廠參與，在借鑒其它行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，整理編制艦船鈦及鈦合金材料的完整檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，為我國艦船鈦及鈦合金的工程應(yīng)用服務(wù)，提升裝備質(zhì)量保證能力。

3.4 費(fèi)用過高

制約我國艦船鈦及鈦合金工程應(yīng)用的突出問題就是費(fèi)用過高，而費(fèi)用過高在一定程度上是因壟斷、設(shè)計(jì)局限和無序競爭引起的，我國一度形成艦船用鈦成本過高、海軍經(jīng)費(fèi)難以支撐的認(rèn)識(shí)。

實(shí)際上，艦船用鈦費(fèi)用遠(yuǎn)沒有其表象那么虛高，我們有很多方法可以大幅降低產(chǎn)品費(fèi)用：

1）提高設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，做到鈦材物盡其用，充分利用鈦材的性能優(yōu)勢降低重量、減小體積、減低材料級(jí)別等，可以從源頭削減產(chǎn)品費(fèi)用。

2）建立全壽命周期的經(jīng)濟(jì)分析理念，充分利用鈦裝備在海洋環(huán)境下幾乎免維護(hù)的特性，降低裝備全壽命周期費(fèi)用預(yù)算。

3）全面打破在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料生產(chǎn)、裝備制造領(lǐng)域各種形式的壟斷，引入合理、有序、可控的競爭，全面降低裝備費(fèi)用、提升質(zhì)量。

4、結(jié)束語

鈦及鈦合金無疑是海水條件下非常好的材料，我國綜合國力的提高和鈦工業(yè)的迅猛發(fā)展已經(jīng)為海軍大規(guī)模用鈦提供了可能。為了可靠的應(yīng)用到武器裝備上，國家有關(guān)機(jī)關(guān)、鈦工業(yè)協(xié)會(huì)、應(yīng)用單位等應(yīng)認(rèn)真研究對(duì)策，借鑒國外經(jīng)驗(yàn),加大推廣力度，以龍頭企業(yè)為主體，充分發(fā)揮產(chǎn)、學(xué)、研、軍四位一體的機(jī)制，認(rèn)真解決一系列相關(guān)技術(shù)問題，建立能統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、材料生產(chǎn)、裝備制造、使用維護(hù)等系統(tǒng)工程的組織和機(jī)構(gòu)。打破行業(yè)界限，打破地方主義，開展全國性大協(xié)作，提高水平，降低造價(jià)，盡最大努力推進(jìn)我國艦船鈦及鈦合金工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]夏申琳，王剛，楊曉，李雪峰，王明建 《鈦及鈦合金在船舶中的應(yīng)用》，期刊《金屬加工》20116 年 10 期；

作者簡介：涂政（1972.03-）；男；籍貫：湖北省武漢市；大學(xué)本科；研究方向：艦船輪機(jī)；職稱：高級(jí)工程師；