４５卷增刊中国造船Ｖ０１．４５Ｓｐｅｃｉａｌ２００４年１０月ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧＯＦＣＨＩＮＡＯｃｔ一２００４文章编号：１０００—４８８２（２００４）０３—００３８—６几种海洋工程用钛合金及其应用孟祥军陈春和余巍刘茵琪（中船重工七二五所）摘要开发海洋资源是本世纪重大技术课题。由于海水中有较高的氧化物、硫化物含量，以及水压对工程构件的强大压力作用，因而对海洋工程材料提出耐腐蚀、高比强度、高比韧性和良好的加工性的苛刻要求，钛合金恰好具备这些特点，可以说它是一种天生的海洋工程结构材料。我国经过长时间的研究开发，用ＴＣ４、Ｔｉ８０、Ｔｉ７５钛合金生产了多种海洋结构设备，如大深度深潜器耐压壳体及框架、海水介质的换热器、高温海水介质的盐水泵、各种管道、阀门、石油勘探器具等。文中简要介绍了ＴＣ４、Ｔｉ８０、Ｔｉ７５三种合金的力学、物理性能，耐海水腐蚀性能，以及这些合金的高温、常温加工与焊接等工艺性能。为推进钛合金材在我国海洋工程结构设备中的应用提供参考依据。关键词：钛合金：海洋工程：应用１前言随着世界人口的急剧增加，社会经济的高速发展，全球资源短缺的现象已经呈现，如淡水资源、能源资源的短缺成为全球经济持续发展的障碍，因而人们提出了开发海洋资源，并将成为本世纪重大研究课题。开发海洋首先要制作各种工具作为开发的手段，为此目的需制造相关机械设备。海洋和陆地不同，海水与海洋大气中含有氯化物和硫化物，对机械装置材料腐蚀作用很大，而深海海水的强大压力，需求设备结构强度高，否则会出现失效。故海洋设备构件，特别是在大深度海水中作业的构件，需求选用比强度高，比韧性好、耐海水腐蚀的材料加工制造ｎ１，钛合金恰好具有这些优点，是一种天生的海洋工程材料。近几十年来，钛材在海水淡化口１、海洋考察与救生用的深潜器ｐ１、海洋石油开采中平台与钻具器件Ｍ、５１、核电站与海洋温差发电设备陋１等方面有了很好的应用。实践已证实钛材在海洋工程中的应用，充分展现其优异的综合性能。本文就我国多年来自行开发与研仿的几种海洋工程用钛合金—ｍ３Ｉ、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４材料的品种、规格与海洋工程环境的适应性、机械加工时的可成形性、可焊接性以及应用状况，作一简要叙述。为我国海洋工程设备结构设计选材提供可靠的信息。２四种钛合金性质与海洋工程环境的适应性２．１ｉ３１、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４合金的物理、力学性能在设备结构设计中，材料的物理与力学性能是基本的设计资料，表１、表２列举了Ｔｉ３１、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４四种合金材料的物理和力学性能。４５卷增千Ｉ盂祥军陈春和余巍刘茵琪：几种海洋工程用钛合金及其应用表１Ｔｉ３１、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４合金的物理性能数Ｔｉ３ｌ４．５９４０－９６０Ｔｉ７５４．５３９２０－９３０１．３１０．１３１．１０１．１５性能名称密度（ｇ／ｅｍ３）ｄ＋Ｂ／８相变点（℃）试验温度℃室温据Ｔｉ８０４．４９９７０－９９０１．７ＴＣ４４．４５９８０－１０００１．６８．８１．１６电阻率（Ｑ・ｍｍ２／ｍ）线膨胀系数（Ｘ１０“／℃）弹性模量（×１０５／ＭＰａ）室温０～１００１．２１１．００１．０８室温表２产品形式Ｔｉ３１、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４合金材料的力学性能合金牌号Ｔｉ３１Ｔｉ７５Ｔｉ７５Ｔｉ８０Ｔｉ８０Ｔｉ８０ＴＣ４Ｔｉ３１Ｒ。ＭＰａ６３５７２０７００８７０８８０８８０８６０５９０Ｒ口０２ＭＰａ４９０６３０５５０８２０７８５７８５７９０４９０规格ｍｍ４—１８４－２０＞２０－７０力学性能Ａ１８１３１３１２１２１０１０１６％Ｚ％３５３０２５２５２５２５３０３５５９０５９０５９０ＡｈＫ．１／ｍ。５９０５９０５９０板材４一１０＞１０－２５＞２５—５０１—１０书５０—９０（棒）出３００—６５０×２４０（饼）由５０—９０（棒）锻件击２２００／出１７００×Ｔｉ３ｌ５９０４９０１６３５５９０Ｔｉ７５Ｔｉ７５７００７００６３０６３０１３１３３０３０５９０５９０３００（环）击８７０×１００（饼）小１００—１５０（饼）Ｔｉ８０ＴＣ４Ｔｉ７５９００８９５６７０８４０８２５５９０７１６２０５９０３４０９１１２３５３０铸件击２５×１．２５（ＺＴｉ６０）ＺＴＣ４Ｔｉ７５Ｔｉ３１８９０７３０６３５８２０６３０４９０６１３１８管材由１０－１５Ｘ１．２５从表１、２中可以看出，这几种钛合金密度小、相变点高、电阻率大、线膨胀系数小、弹性模量只有钢材的一半，但拉伸强度高、冲击韧性好。２．２几种钛合金耐海洋介质的适应性钛合金在海洋大气及海水介质中，其表面很容易产生致密的氧化钛膜而钝化，大大地提高了钛的稳定性，在海水介质中浸泡，其腐蚀速率近于０，如表３所示。在低于１００℃海水中，缝隙腐蚀速率也很低，尤其是Ｔｉ３１合金耐缝隙腐蚀可达１８０ｃＣ（海水），这些特点非常有利于换热器等设备的使用。中囝造船学术论文表３Ｔｉ３１、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４合金的耐海水腐蚀。Ｈ：能腐蚀试验项日合金海水浸泡腐蚀率牌号ｍｍ］ａＴｉ３ｌＴｉ７５Ｔｉ８０ＴＣ４０．００００ｌＯ．Ｏｏ００３０．００００５０．００００７高速流动海水（流量＜８ｍ／ｓ）腐蚀率ｍｍ／ａ００００应力腐蚀（预制裂纹）Ｋ。－／Ｋ。０．８Ｏ．８５（）．７５０．７０由表３所测得腐蚀数据看，上述几种钛合金非常适应海洋介质，是优良的海洋＿［程材料。３几种钛合金材料的可成形性与可焊接性从材料制成机械产品，其加工工艺种类繁多，其中成形：‘ｆ艺与焊接丁：艺的应用最为普遍＋因而材料的可成形性与可焊接性成为材料在产品制造中的重要工艺性能，、３．１几种钛合金的可成形性与温度一变形塑性图固态金属成形是在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法，在机械工业中，这种成形ｒ艺主要是锻造和板材冲Ｊ蠢，成形必须具备基本条件，即被成形金属具有可成形性，也就是在受外力作用下，可改变自己的形状而不产生破裂。钛合金与钢、铝、铜合金不同，在室温条件下由于断裂强度与屈服强度差小，变形抗力大、塑性低，因而成形性较差，但是金属材料的成形塑性是与温度相关的，钛合金在加热过程中，随着温度的升高，变形抗力下降，而塑性大增。图１是Ｔｉ３１、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４合金的温度一变形塑性图。由该图表明，这几种钛合金冷变形性能较差（低于再结晶温度以下成形），但热变形性能好，合金随着温度的升高，合金中塑性高的Ｂ相增多，当ｐ相达到５０％时，在低速变形条件下．ｍ现超塑性（图１），成形性能非常好。３．２几种合金的可焊性与焊接接头性能金属的焊接是机械制造业中最主要的连接方法，也是造船ｊ【业中最重要最关键的Ｉ：艺之一，因此，金属材料焊接性的优劣是致关重要的。所谓金属材料的可焊接性，一般指在某种焊接方法下．得到优质焊接接头的能力，通常把焊接时的抗裂性和接头的性能作为重要的评价指标。表４列举了Ｔｉ３１、７ｒｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４合金的抗裂性和焊接接头性能。表４合金牌号基材Ｔｉ３ｌＴｉ７５Ｔｉ８０ＴＣ４Ｔｉ３ｌ、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４合金的ＴＩＧ焊接特性接头性能焊丝Ｔｉ３１ＡＴｉ７５ＡＴｉ８０Ａ５Ａ１３Ｖ抗裂性试验（巴东法）优优优尚好接头强度系数１１冷弯角≥。１００（ｄ＝４ａ）１００（ｄ＝５ａ）９０（ｄ＝８ａ）１００（ｄ＝１６ａ）ｌｌ４５卷增ｉ１Ｊ盂祥军陈春和余巍刘茵琪：几种海洋Ｉｊ程用钛合金及其应用从ｌ：表中可以看出，Ｔｉ３１、Ｔｉ７５、ＴｉＳＯ合金钨极氩弧焊，焊接抗裂性非常好，焊接接头强度与母材一致，达到强度系数为ｌ，ＴＣ４合金的焊接抗裂性比前三种合金稍差。Ｔｉ８０的拉伸塑性（９００。Ｃ）ＴＣ４的拉伸塑性（９００。Ｃ）图１几种钛合金的温度一变形塑性４应用事例４．１深潜器耐压球壳及构件在深潜器耐压壳体的应用方面美国开展的比较早，如Ａｌｖｉｎ科研深潜器，１９７３年改建时将耐压壳体换成钛合金（板厚４９ｍｍ），代替１９６４年建造时采用的ＨＹｌ００高强钢（板厚３３．８ｍｍ），下潜深度从２０（ｈｑｍ增加到３６（）（３ｍ，它的辅助箱及高压空气容器也采用Ｔｉ一６Ａ１—４ＶＥＬＩ钛合金建造。１９８１年和１９８２年建造的“海崖”号深潜器装备了钛的观察舱和操纵舱，下潜深度可达６１００ｒｎ。由此也可以看出，大深度深潜器的壳体材料发展趋势也是用钛合金，、我国目前也在用钛合金研制深潜器的耐压舱和浮力球等部件。４．２换热器在海洋＿１‘：程中．热交换器的应用最广泛的采用钛合金。俄罗斯自１９６２年以来各种类型的热交换器建造并成功运行六千多台，已经达到了完全商业化的水平。我国也成功的运用钛合金生产了多台船用热交换器，并成功的运行在船卜。４２中国造船学术论文４．３阀门船上的泵、阀及管子，由于工作介质为海水，对材料要求耐海水腐蚀性能好。有的泵，工作条件非常恶劣，如造水系统的往复式盐水泵，介质为高度浓缩的盐水。以前泵内的柱塞、阀、阀座等采用１Ｃｒｌ３不锈钢制造，并在表面镀铬。使用时间不长，就锈蚀严重，须经常更换。用钛合金更换后不再存在维修问题。４．４紧固件紧固件是机械基础件的重要组成部分，俗称”工业之米”，在各行各业广泛应用，紧固件包括螺钉、螺栓、螺母、垫圈、销、键、挡圈等产品。随着钛合金设备、结构、管系、法兰，各型泵、阀等在海洋工程上的广泛应用，钛合金紧固件在海洋工程上的应用也有较大提高，特别是在舰船上的应用更为广泛。如我国某艇通海管道用螺栓已采用Ｔｉ８０合金和ＴＣ４合金，螺母采用ＴＡ５合金，垫片采用ＴＡ２。我国近几年引进的多条各型舰船，其上面的钛设备用紧固件大都采用钛合金，从实船考察发现钛合金紧固件经过几十年的海水浸泡，其表面没有产生腐蚀现象。所以采用钛合金紧固件可以解决耐海水腐蚀、异种材料间的电化学腐蚀等问题，并可大大提高螺栓的使用寿命、并减轻设备重量，５结论５．１钛合金由于比强度高，比韧性好、耐海水腐蚀特别是耐海水中的氯离子腐蚀，是海洋工程应用中的优秀材料，又被誉为“海洋金属”，应该在海洋工程中大力推广应用。５．２我国多年来自行开发与研制的Ｔｉ３１、Ｔｉ７５、Ｔｉ８０、ＴＣ４四种海洋工程用钛合金材料的物理、力学、耐海水腐蚀性能，以及其可成形性、可焊接性非常良好，部分材料已经在船上成功应用，可以进一步推广。参考文献１２３４５６７孙建科、盂祥军等，金属学报，２００１北一泰，手夕ｙ，２００１．Ｖ５２．Ｎ２王继尧、宋学斌．国外舰船技术．潜艇类１９８１．Ｐ３９黄金昌，钛工业进展，１９９６．６．Ｐ３４森口康夫，手夕ｙ，２００１．Ｖ５２．Ｎ２．Ｐ７赖田，手夕ｙ，１９８６．Ｖ３４．Ｎ２．Ｐ７上原春明，手夕ｙ，２００１．Ｖ７４．Ｎ４．Ｐ２５４５卷增刊孟祥军陈春和余巍刘茵琪：几种海洋工程用钛合金及其应用４３ＳｏｍｅｋｉｎｄｓｏｆｍａｒｉｎｅｐｒｏｊｅｃｔｓｕｓｅＴｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＹＵＭＥＮＧＸｉａｎｇ－ｊａｎＣＨＥＮＣｈｕｎ—ｈｅＷｅｉＬＩＵＹｉｎ－ｑｉＡｂｓｔｒａｃｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｇｒａｍｔＯｄｅｖｅｌｏｐｍａｒｉｎｅｒｅｓｏｕｒｃｅ．～ＴｈｅｒｅａｓＩｔｉｓｃｅｎｔｕｒｙａｒｅｈｉｇｈｅｒｏｘｉｄｅａｎｄｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎｔｈｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔｉｎｓｅａｗａｔｅｒ，ａｓｗｅｌｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｔｈｅｐｏｗｅｒｆｕｌｐｒｅｓｓｕｒｅｒｏｌｅｆｏｒｐｒｏｊｅｃｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｔｈｕｓｉｔｉｓａｎｔｉ—ｃｏｒｒｏｓｉｖｅｔｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｆｏｒｍａｒｉｎｅｔｈａｎｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｉｓｔｈａｔｉｔｉｓｏｆｔｅｎａｃｉｔｙａｎｄｇｏｏｄｏｕｒａｐｒｏｊｅｃｔｍａｔｅｒｉａｌ，ｉｓｔｈｅｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈｉｇｈｋｉｎｄｏｆｉｎｂｏｒｎｍａｒｉｎｅｐｒｏｊｅｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｈｉｇｈｔｈａｎｔｈｅｈａｒｓｈｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｈａｖｅｐｒｏｃｅｓｓａｂｉｌｉｔｙ，Ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔａｌｌｙ，ＣａｎＴｉｔａｎｉｕｍｓａｙ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｕｎＵ＇ｙｏｆｌｏｎｇｔｉｍｅｐｒｏｃｅｓｓｕｓｅｓＴＣ４ａｎｄＴｉ８０，Ｔｉ７５ａｌｌｏｙｈａｖｅｐｒｏｄｕｃｅｄｖａｒｉｏｕｓｍａｒｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｓｂｉｇｄｅｐｔｈｉｓｄｅｅｐＱｉａｎｗａｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｈｏｕｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｐｕｍｐｏｆｓａｌｔｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅａｗａｔｅｒｍｅｄｉｕｍｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｏｆｆｒａｍｅａｎｄｓｅａｗａｔｅｒｍｅｄｉｕｍ，ｖａｒｉｏｕｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓ，ｖａｌｖｅａｎｄｐｅｔｒｏｌｅｕｍｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｕｔｅｎｓｉｌｅｔｃ．．ＩｎｗｒｉｔｉｎｇｈａｖｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄＴＣ４，Ｔｉ８０ａｎｄＴｉ７５ｂｒｉｅｆｌｙｐｈｙｓｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆ３ｋｉｎｄｓｏｆａｌｌｏｙ，ｅｎｄｕｒｅａｓｓｅａｗａｔｅｒｃｏｒｒｏｓｉｖｅｌｙＣａｎ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｓｕｃｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆａｓｗｅｌｄｉｎｇ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｗｅｌｌａｓｔｈｅｓｅａｌｌｏｙｓ．ＴｏｍｏｖｅｆｏｒｗａｒｄＴｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｍａｔｅｒｉａｌｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍａｒｉｎｅｐｒｏｊｅｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆＯｕｒｃｏｕｎｔｒｙｏｆｆｅｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｂａｓｉｓ．作者简介孟祥军男，１９６４年２月生，高级工程师；中国船舶重工集团公司第七二五研究所工作。几种海洋工程用钛合金及其应用
作者：作者单位：
孟祥军， 陈春和， 余巍， 刘茵琪中船重工七二五所
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