1、前言

鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐海水腐蝕及海洋大氣腐蝕、無(wú)磁、透聲、抗沖擊震動(dòng)、可加工性好等綜合性能而成為理想的船用金屬結(jié)構(gòu)材料。鈦及鈦合金在艦船中的使用大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減輕了重量，減少了設(shè)備，提高了整體艦船的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能。

到目前為止，世界上只有俄羅斯、美國(guó)和中國(guó)進(jìn)行專門的船用鈦合金研究，并有自己的船用鈦合金體系。俄羅斯船用鈦合金的研究和實(shí)際應(yīng)用水平居世界前列，擁有490MPa、585MPa、686MPa、785MPa強(qiáng)度級(jí)別的系列船用鈦合金。為便于設(shè)計(jì)選材，俄羅斯把船用鈦合金按其在船舶上的用途分類，如船體用鈦合金IIT-1M，船舶機(jī)械用鈦合金IIT-7M、IIT-3、3M、37，船舶動(dòng)力工程用鈦合金40、IIT-3B、5B、37、23等。但這種分類對(duì)于設(shè)計(jì)選材也不方便，如船舶機(jī)械用鈦合金IIT-7M，多用于核動(dòng)力裝置一回路設(shè)備，動(dòng)力工程用的IIT-3B，也用于船舶球鼻艏。美國(guó)海軍于1950年開始注意到鈦及鈦合金用于艦船工業(yè)的可能性，1963年開始進(jìn)行大量的工程化研究，成功地將鈦用于各類動(dòng)力的航母、潛艇、水面艇、民用船。主要應(yīng)用的合金有：純鈦、Ｔi-０.３Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。鈦合金主要用于耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進(jìn)器和軸、彈簧、航母上的消防設(shè)備等。

中國(guó)船用鈦合金的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，幾十年來(lái)，船用鈦合金的研究及應(yīng)用水平有了很大提高，已形成較完整的船用鈦合金系列，能滿足不同船只和艦艇等對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別的要求并適用于其不同部位。我國(guó)船用鈦合金體系，屈服強(qiáng)度從320MPa～1100MPa，變化范圍大。屈服強(qiáng)度從320ＭPa～490MPa為低強(qiáng)鈦合金，主要有TA2、Ti31、ZTA5等；屈服強(qiáng)度從590MPa～785MPa為中強(qiáng)鈦合金，主要有TA5、ZTi60、Ti75、Ti80等；屈服強(qiáng)度在８800MPa以上為高強(qiáng)鈦合金，主要有TC4、TC11、Ti-B19等。本文針對(duì)我國(guó)創(chuàng)新研制的主要船用鈦合金Ti31、Ｔi75、Ti-B19、Ti90、Ti70、Ti80等做了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)也簡(jiǎn)要介紹了可能用于海洋工程的其他創(chuàng)新研制的鈦合金。

2、Ti31合金

鈦的熱中子吸收截面為56×10-28m2，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３～20×10-19慢中子流輻射下，布氏硬度、屈服強(qiáng)度略有增加，延伸率、電阻率略有下降，但沖擊韌性沒(méi)有改變，合金的密度及產(chǎn)品的尺寸形狀均無(wú)改變。這種穩(wěn)定的核性能及其他優(yōu)異性能使Ti31合金在核動(dòng)力裝置中的高溫高壓、常溫常壓部位使用。

Ti31合金是西北有色金屬研究院“七五”、“八五”期間自行設(shè)計(jì)研制的新型耐高溫、耐腐蝕、抗氫脆Ti-Al-Zr-Mo-Ni系鈦合金，洛陽(yáng)725所負(fù)責(zé)該合金的應(yīng)用研究。該合金集中了多種鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，與同等強(qiáng)度的其他鈦合金相比，具有高的塑韌性、中溫?zé)釓?qiáng)性、高溫持久性、良好的耐蝕性及可焊性；可采用常規(guī)鍛造、擠壓、軋制、冷成型等方法加工成各種板、棒、鍛件、管和餅等產(chǎn)品，合金可在300℃～400℃的高溫環(huán)境下使用。

Ti31合金性能如表１所示。合金板材、鍛件、管材典型的力學(xué)性能為：R_m>590MPa，R_p0.2>490MPa，Ａ>16%，Ｚ＞35%，ａｋ≥59J/cｍ２。Ti31強(qiáng)度約為純鈦的1.5倍，但工藝塑性與純鈦相當(dāng)，具有良好的彎曲、壓扁、擴(kuò)口性能。采用2d（ｄ：管子直徑）和2t（ｔ：管子壁厚）彎心，管材及板材彎曲可達(dá)180°；采用60°錐頭，管材擴(kuò)口量大于50%；最小壓扁板間距可達(dá)4.5t不出現(xiàn)裂紋。在反復(fù)塑性應(yīng)變中合金不發(fā)生循環(huán)軟化現(xiàn)象。耐海水腐蝕性能優(yōu)異：在榆林港天然海水全浸腐蝕速率為0mm/a，在180±5℃以下天然海水介質(zhì)中無(wú)縫隙腐蝕，動(dòng)海水腐蝕（流速為3m/s）腐蝕率為0mm/a，與船體鋼電偶腐蝕效果為1.25。焊接性能良好，焊接接頭Ｒｍ＞590MPa，ａｋ≥58.8J/cm2，焊接系數(shù)大于0.9。應(yīng)用的產(chǎn)品有板、棒、餅及管材和各種功能的機(jī)加件，如法蘭、異徑三通管、管座等，使用的環(huán)境有高溫氯化物、高溫海水、常溫高速海水，用該合金制造各類熱交換器、管路、泵體、閥門等，并取得了成功應(yīng)用。“九五”之后，開展了該合金的工業(yè)化生產(chǎn)。Ti31合金已成功用于余熱排出冷卻器，它是我國(guó)首臺(tái)全鈦合金焊接結(jié)構(gòu)管式換熱器，是一回路余熱排出系統(tǒng)的主要設(shè)備。

3、Ti75合金

Ti75合金是西北有色金屬研究院在“七五”、“八五”期間自行設(shè)計(jì)研制的中強(qiáng)耐高溫耐腐蝕抗氫脆Ti-Al-Zr-Mo系鈦合金，洛陽(yáng)725所負(fù)責(zé)該合金的應(yīng)用研究。Ti75合金強(qiáng)度、塑韌性、耐蝕性、加工性能等綜合性能優(yōu)于TA5，它是動(dòng)力裝置設(shè)備、船舶焊接結(jié)構(gòu)件的重要材料。合金性能如表２所示。其板材、棒材、鍛件等的典型力學(xué)性能為：Ｒｍ＞730MPa，R_p0.2＞630MPa，Ａ＞13％，Ｚ＞25％，ＫＩＣ≥80MPa·ｍ1/2，ａｋ≥580kJ/m2，ＫISCC≥75MPa·ｍ1/2。Ti75合金耐海水腐蝕性優(yōu)異：海水浸泡腐蝕、縫隙腐蝕、動(dòng)海水腐蝕（流速為３m/s）腐蝕速率為０mm/a；與船體鋼電偶腐蝕效果為1.33。焊接性能：焊接系數(shù)大于０.９。TA5的２倍，并且具有比TA5合金優(yōu)異的冷、熱加工性、低的雜質(zhì)敏感性。該合金填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)730MPa級(jí)船用鈦合金空白，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。目前已能夠批量生產(chǎn)Ti75合金的板材、鈦棒材、管材、環(huán)材、鍛餅、絲材、鑄件以及寬厚

板和大環(huán)鍛件，也已試制成功Ti75合金外徑為φ650mm的無(wú)縫彎管和φ350mm的無(wú)縫直管等。

由Ti75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，并且已有15個(gè)Ti75合金零件于1993年安裝到某艇上進(jìn)行裝艇使用，正常運(yùn)行至今。Ti75合金在艇上的成功應(yīng)用，開創(chuàng)了鈦合金在某潛艇二回路系統(tǒng)中實(shí)艇應(yīng)用的先例，綜合水平居20世紀(jì)90年代國(guó)際領(lǐng)先水平。目前，Ti75合金已被指定用于某工程，是我國(guó)主要的一種船用耐蝕鈦合金。Ti75合金也已用于制作我國(guó)永磁推進(jìn)電機(jī)所需的鈦合金轉(zhuǎn)子支架（直徑約3m，壁厚約100mm）。

4、Ti-B19合金

“九五”期間，西北有色金屬研究院設(shè)計(jì)、研制成功一種新型高強(qiáng)高韌耐蝕鈦合金——近β鈦合金Ti-B19，洛陽(yáng)725所為該合金的應(yīng)用研究單位。

Ti-B19合金具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較高的斷裂韌性、可焊性及耐海水腐蝕、沖刷腐蝕和應(yīng)力腐蝕等綜合性能。該合金具有良好的加工性，可生產(chǎn)各種規(guī)格的棒、板、絲、餅等，并且焊接性能、工藝性能良好?！熬盼濉逼陂g完成高強(qiáng)鈦合金Ti-B19筒體的研制，并通過(guò)了壓力試驗(yàn)，其筒體尺寸為：φ450/φ215×2008mm，主要力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，它是我國(guó)當(dāng)前高強(qiáng)β鈦合金最大的鍛件。

Ti-B19合金在600℃、３3.5%NaCl溶液中無(wú)腐蝕發(fā)生，腐蝕率為0mm/a。在10m/s流速下，沖刷腐蝕率為2.9×10-4mm/a，具有良好的抗沖刷性能。

Ti-B19合金在３3.5％NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕斷裂韌性ＫISCC為６69MPa.m1/2，KISCC/KIC≥0.8。Ti-B19合金的典型力學(xué)性能如表３所示。

5、Ti91和Ti70合金

由于海水中聲波比光波、無(wú)線電波、電磁波的衰減小，人們將聲納作為探測(cè)和搜索的工具。一般將船舶聲納安裝在流線型聲納導(dǎo)流罩內(nèi)，其目的是減小艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水動(dòng)力噪音，保證水聲設(shè)備有效和正常工作，從而提高聲納的作用距離。聲納導(dǎo)流罩必須有良好的透聲性能，使水聲信號(hào)通過(guò)時(shí)只有很小的損耗和畸變。另外，聲納導(dǎo)流罩又是船體的一部分，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以經(jīng)受得住艦船航行時(shí)作用在它上面的流體壓力。制作導(dǎo)流罩的材料要求具有中等強(qiáng)度（R_m≥700Mpa）、良好的塑性（A≥20%）、冷成型性、易焊接、耐海水腐蝕、透聲等特點(diǎn)，并適合于各種冷成型產(chǎn)品的加工和生產(chǎn)。

聲納導(dǎo)流罩材料包括不銹鋼、玻璃鋼、橡膠、鈦合金等。我國(guó)現(xiàn)役海軍在役艦艇聲納導(dǎo)流罩所選用的殼板透聲材料基本有兩種：一種是不銹鋼，另一種是纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料———玻璃鋼。俄羅斯過(guò)去也選用玻璃鋼，但后來(lái)大多采用近α鈦合金IIT-3B，并取得了良好的效果。

我國(guó)于20世紀(jì)90年代開始研制聲納導(dǎo)流罩鈦合金。目前，我國(guó)有兩種聲納導(dǎo)流罩鈦合金：近α的Ti91和Ti70合金，合金分別屬于Ti-Al-Fe系和Ti-Al-Fe-Zr系。兩種合金均已軋制成４×900～1000×Lmm和６×900～1000×Lmm板材。

Ti91鈦合金是西北有色金屬研究院于1994年開始設(shè)計(jì)、研制的一種新型中強(qiáng)透聲近α型鈦合金。

眾所周知，純鈦和β鈦合金冷成型性良好，但純鈦的拉伸性能較低，而β鈦合金的合金元素則較多，需添加成本較高的中間合金，且加工成本也高于α鈦合金，使合金總體成本高。另外，β鈦合金的焊接性能不如α型鈦合金。因此兩種類型合金均不能滿足要求。由于β穩(wěn)定元素Fe的加入，使Ti91合金的加工性能得到改善，同時(shí)也為通過(guò)熱處理調(diào)整性能提供了有利條件。該合金具有中等強(qiáng)度、高的塑性、良好的透聲性能、冷成形性能、可焊性及耐海水腐蝕等性能的良好匹配，明顯優(yōu)于船用TA5鈦合金。

Ti91合金典型的性能如表４所示。關(guān)鍵力學(xué)性能達(dá)到R_m≥700Mpa，A≥20%；在60℃海水中浸泡，均勻腐蝕率≤0.001mm/a；冷成型性：R/t≤2.5。Ti91合金與其他鈦合金的強(qiáng)度、塑性、冷彎性等性能綜合比較，Ti91合金綜合性能明顯優(yōu)于等強(qiáng)度合金TC1和TA5。Ti91合金焊接接頭性能達(dá)到基材的0.9。合金聲學(xué)性能良好：1~4mm厚度板材的透聲系數(shù)大于96%。

Ti70合金是Ft-2.5Al-2Zr-1Fe系近α鈦合金。板材力學(xué)性能：m≥700Mpa，R_p0.2》600MPa，A>20%。耐海水腐蝕性：在60℃海水中浸泡均勻腐蝕率為0mm/a。焊接性能：R_m>630MPa，D=7a，冷彎角180°。與船體鋼電偶腐蝕效果為1.43。成功研制了Ti70透聲鈦合金實(shí)船鈦合金聲納導(dǎo)流罩，并已成功應(yīng)用于多條水面艦艇。

6、Ti80合金

Ti80合金是上海鋼研所于20世紀(jì)80年代研制的一種新型的Ti-6.0Al-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo系近α鈦合金，具有高強(qiáng)、高韌、可焊、耐蝕等綜合性能，主要用于深潛器和艦船的耐壓殼體。其配套焊絲為Ti531合金，成份為Ti-5Al-3Nb-0.5Mo。Ti80已進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，軋制出22×1000mm及48×2400×2700mm板材。Ti80合金的拉伸性能、斷裂韌性與Ti-6Al-4v ELI的對(duì)比如表５所示。合金采用焊接＋熱處理焊接工藝可使接頭性能達(dá)到焊接系數(shù)0.9，焊接性優(yōu)于Ti-6Al-4v ELI。Ti80合金主要用于大通徑壓力管道及承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件中，如法蘭、承壓結(jié)構(gòu)的耐壓殼體、耐高壓管路、緊固件、鑄件等，是目前較多使用的船用鈦合金之一。

7、其它有可能用于海洋工程的創(chuàng)新研制的鈦合金

7.1 中強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金TC4-DT

TC4-DT是針對(duì)航空長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)件研發(fā)的一種中強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，物理性能和力學(xué)性能與TC4 ELI一致，差異主要在于合金成分的控制、鍛造工藝及熱處理工藝。TC4 ELI是海洋工程用鈦合金的一種重要選擇，在美國(guó)艦船上已獲得成功應(yīng)用。中國(guó)研制的TC4-DT合金已在我國(guó)航空飛機(jī)上獲得成功應(yīng)用，也應(yīng)獲得海洋工程方面的應(yīng)用。表６為TC4-DT合金不同規(guī)格棒材的力學(xué)性能，不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定，一致性好。同時(shí)該合金具有良好的工藝性能和焊接性能。

TC4-DT由西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院在2005年研制成功，之后得到高度重視和快速發(fā)展。TC4-DT合金研制規(guī)模已由2005年的1t鑄錠擴(kuò)大到2009年的5t以上規(guī)模鑄錠，西部超導(dǎo)公司已成功批量生產(chǎn)出TC4-DT合金φ200～500mm棒材，也已試制成功φ600mm超大規(guī)格棒材。同時(shí)，西部鈦業(yè)公司也研制出TC4-DT合金40～100×2500×Lmm的厚板和1～10×1500×Lmm的薄板，合金板材的性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

7.2 高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金TC21

TC21合金是我國(guó)研制的第一個(gè)高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，由西北有色金屬研究院于2003年研制成功，北京航空材料研究院負(fù)責(zé)該合金的應(yīng)用研究。2005年以后得到高度重視和快速發(fā)展。TC21合金研制規(guī)模已由2005年的1t鑄錠擴(kuò)大到2009年的5t以上規(guī)模鑄錠，研制的合金棒材有φ20mm、φ90mm、φ130mm、φ180mm、φ300mm、φ500mm，目前西部超導(dǎo)公司已能批量生產(chǎn)TC21合金φ300mm以上大規(guī)格棒材。TC21合金棒材的典型性能如表７所示，合金不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定，一致性好。同時(shí)，也試制出TC21合金厚度為2mm和12mm的板材。

TC21合金已成功應(yīng)用于我國(guó)航空飛機(jī)，在海洋工程方面可用于要求屈服強(qiáng)度為100MPa的承力結(jié)構(gòu)件，該合金在具有高強(qiáng)度、高韌性同時(shí)，還具有良好的焊接性能。

7.3 超高強(qiáng)鈦合金Ti-1300

Ti-1300是西北有色金屬研究院在2005年研制成功的一種1350MPa級(jí)別的新型超高強(qiáng)鈦合金。合金研制的規(guī)模已達(dá)到1000Kg鑄錠，研制的棒材規(guī)格已由φ20mm擴(kuò)大至φ200mm。棒材的典型性能見表８，不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定。該合金制造的零部件已在航空、航天等部門獲得應(yīng)用，在海洋工程方面，Ti-1300可用于要求屈服強(qiáng)度為1200MPa的鈦合金承力結(jié)構(gòu)件。

7.4 CT20低溫鈦合金

西北有色金屬研究院根據(jù)航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)的需求，自主開發(fā)了一種Ti-Al-Mo-Zr系近α型中強(qiáng)低溫CT20鈦合金。表９為CT20合金室溫和20K下的力學(xué)性能，該合金具有優(yōu)良的超低溫物理性能，減少了熱量傳遞，改善熱漏，替代鋼制管路后可減輕1/3重量。CT20合金制造的液氫管路用彎管、接管嘴、連接法蘭等零部件，已被組裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試車試驗(yàn)并獲得成功，獲得了實(shí)際應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)管路重量減輕約1/3，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。該合金同時(shí)具有良好的工藝性能和焊接性能。西北有色金屬研究院先后生產(chǎn)了CT20鈦合金管材、棒材、絲材幾十噸，并且制造出了CT20鈦合金螺旋彎管、異徑三通和直角三通等復(fù)雜產(chǎn)品，增加了該合金產(chǎn)品的品種。CT20鈦合金在海洋工程方面應(yīng)有較好的應(yīng)用前景。

7.5 定量設(shè)計(jì)的超高強(qiáng)鈦合金

以往，鈦合金成分設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)方法、Al當(dāng)量、Mo當(dāng)量及電子濃度理論進(jìn)行定性設(shè)計(jì)。近幾年在發(fā)明鈦合金定量設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩個(gè)不同強(qiáng)度級(jí)別要求的目標(biāo)Al-V、Al-Sn等中間合金及原子能級(jí)Zr、高純電解Cr，F(xiàn)e等，采用真空自耗電弧熔煉方法，制備了25kg鑄錠。經(jīng)鑄錠開坯鍛造及棒材軋制后得到φ22mm的棒材，熱處理后測(cè)試了合金的室溫力學(xué)性能。性能測(cè)試結(jié)果如表10所示，可以看出，設(shè)計(jì)合金的強(qiáng)度準(zhǔn)確度超過(guò)98%，延伸率準(zhǔn)確度超過(guò)93%。這說(shuō)明兩種新合金（Ti-1500、Ti-1600）的合金成分定量設(shè)計(jì)是成功的。

在海洋工程領(lǐng)域，新合金可用于要求屈服強(qiáng)度1300MPa的承力結(jié)構(gòu)件。

8、結(jié)語(yǔ)

艦船用鈦合金是我國(guó)鈦合金研究開發(fā)的重要方向之一。經(jīng)過(guò)近50年的努力，創(chuàng)新研制的船用鈦合金和仿制的船用鈦合金已形成我國(guó)船用鈦合金體系，利用我國(guó)鈦合金工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備，可以生產(chǎn)出鈦合金板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等產(chǎn)品，通過(guò)研究合金的物理、力學(xué)性能，為艦船及海洋工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造和使用提供了依據(jù)。創(chuàng)新研制的部分鈦合金在艦船上已裝艇使用，為擴(kuò)大鈦合金在海洋工程方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)可以推廣針對(duì)航空、航天等研制的鈦合金到艦船上應(yīng)用，為艦船應(yīng)用選材提供更寬廣的材料基礎(chǔ)。

節(jié)選自《中國(guó)材料進(jìn)展》