趙永慶
(西北有色金屬研究院, 陜西 西安, 710016)
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490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa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ПТ-1M,船舶機(jī)械用鈦合金ПТ-7M、ПТ3、3M、37,船舶動(dòng)力工程用鈦合金40、ПТ-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ПТ-7M,多用于核動(dòng)力裝置一回路設(shè)備,動(dòng)力工程用的ПТ-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,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320 MPa~1 100 MPa,變化范圍大。屈服強(qiáng)度從320 MPa~490 MPa為低強(qiáng)鈦合金,主要有TA2、Ti31、ZTA5等;屈服強(qiáng)度從590 MPa~785 MPa為中強(qiáng)鈦合金,主要有TA5、ZTi60、Ti75、Ti80等;屈服強(qiáng)度在800 MPa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、Ti91、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。
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,但沖擊韌性沒有改變,合金的密度及產(chǎn)品的尺寸形狀均無改變。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[1-2]。
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[1],洛陽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:Rm>590 MPa,Rp0.2>490 MPa,A>16%,Z>35%,ak≥59 J/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0 mm/a,在180±5 ℃以下天然海水介質(zhì)中無縫隙腐蝕,動(dòng)海水腐蝕(流速為3 m/s)腐蝕率為0 mm/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>590 MPa,ak≥58.8 J/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?!熬盼濉敝螅_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。
表1 Ti31合金主要性能Table 1 The main mechanical properties of Ti31 alloy
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[3],洛陽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[1]。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>730 MPa,Rp0.2>630 MPa,A>13%,Z>25%,KIC≥80 MPa·m1/2,ak≥580 kJ/m2,KISCC≥75 MPa·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3 m/s)腐蝕速率為0 mm/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。
與TA5鈦合金相比,Ti75合金在保證良好的綜合性能前提下,強(qiáng)度高出50 MPa,沖擊韌性和斷裂韌性是TA5的1.4倍和1.2倍,KISCC為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)730 MPa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、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φ650 mm的無縫彎管和φ350 mm的無縫直管等。
表2 Ti75合金典型產(chǎn)品及性能Table 2 Typical products and main mechanical properties of Ti75 alloy
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3 m,壁厚約100 mm)。
“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[4],
洛陽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,并通過了壓力試驗(yàn),其筒體尺寸為:φ450/φ215×2 008 mm,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 ℃、3.5%NaCl溶液中無腐蝕發(fā)生,腐蝕率為0 mm/a。在10 m/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3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕斷裂韌性KISCC為69 MPa·m1/2,KISCC/KIC≥0.8。Ti-B19 合金的典型力學(xué)性能如表3所示。
表3 Ti-B19 合金典型力學(xué)性能Table 3 Typical mechanical properties of Ti-B19 alloy
由于海水中聲波比光波、無線電波、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(Rm≥700 MPa)、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。俄羅斯過去也選用玻璃鋼,但后來大多采用近α鈦合金ПТ-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[5]和Ti70[2]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4×900~1 000×Lmm和6×900~1 000×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[5]。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Rm≥700 MPa,A≥20%;在60 ℃海水中浸泡,均勻腐蝕率≤0.001 mm/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:1~4 mm厚度板材的透聲系數(shù)大于96%。
Ti70合金是Ti-2.5Al-2Zr-1Fe系近α鈦合金[2]。板材力學(xué)性能:Rm>700 MPa,Rp0.2>600 MPa,A>20%。耐海水腐蝕性:在60 ℃海水中浸泡均勻腐蝕率為0 mm/a。焊接性能:Rm>630 MPa,D=7 a,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。
表4 Ti91 合金主要性能Table 4 The main mechanical properties of Ti91 alloy
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[2],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22×1 000 mm及48×2 400×2 700 mm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。
表5 Ti80合金與Ti-6Al-4V ELI的拉伸性能、斷裂韌性的對(duì)比(厚30~48 mm板)Table 5 Comparison between Ti80 and Ti-6Al-4V ELI alloys for tensile properties and fracture toughness (plate:thickness 30~80 mm)
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[6-7],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[8]。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1 t鑄錠擴(kuò)大到2009年的5 t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~φ500 mm棒材,也已試制成功φ600 mm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40~100×2 500×Lmm的厚板和1~10×1 500×Lmm的薄板,合金板材的性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。
表6 TC4-DT合金不同規(guī)格棒材的力學(xué)性能Table 6 The mechanical properties of TC4-DT alloy bars with different size
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[9-10],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1 t鑄錠擴(kuò)大到2009年的5 t以上規(guī)模鑄錠,研制的合金棒材有φ20 mm、φ90 mm、φ130 mm、φ180 mm、φ300 mm、φ500 mm,目前西部超導(dǎo)公司已能批量生產(chǎn)TC21合金φ300 mm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[8]。同時(shí),也試制出TC21合金厚度為2 mm和12 mm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1 000 MPa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。
表7 TC21合金不同規(guī)格棒材的力學(xué)性能Table 7 The mechanical properties of TC21 alloy bars with different size
Ti-1300是西北有色金屬研究院在2005年研制成功的一種1 350 MPa級(jí)別的新型超高強(qiáng)鈦合金[11-12]。合金研制的規(guī)模已達(dá)到1 000 kg鑄錠,研制的棒材規(guī)格已由φ20 mm擴(kuò)大至φ200 mm。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1 200 MPa的鈦合金承力結(jié)構(gòu)件。
表8 Ti-1300合金不同規(guī)格棒材的力學(xué)性能Table 8 The mechanical properties of Ti-1300 alloy bars with different size
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[13]。表9為CT20合金室溫和20 K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。
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[14-17]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)合金,開展定量計(jì)算,定量設(shè)計(jì)了兩種合金成分。針對(duì)定量設(shè)計(jì)的兩種新合金, 按照鈦合金制備的常規(guī)方法,采用0級(jí)海綿鈦、Al-Mo、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25 kg鑄錠。經(jīng)鑄錠開坯鍛造及棒材軋制后得到φ22 mm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98%,延伸率準(zhǔn)確度超過93%。這說明兩種新合金(Ti-1500、Ti-1600)的合金成分定量設(shè)計(jì)是成功的。
表9 CT20合金4種規(guī)格棒材室溫及20 K下拉伸性能和沖擊性能Table 9 The mechanical properties of CT20 alloy bars with different size
在海洋工程領(lǐng)域,新合金可用于要求屈服強(qiáng)度1 300 MPa的承力結(jié)構(gòu)件。
表10 定量設(shè)計(jì)的兩種合金試驗(yàn)驗(yàn)證的力學(xué)性能Table 10 The mechanical properties of two quantitative designed titanium alloys
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)。
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