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钛及钛合金在海洋装备上的应用

[ 作者:钛业资讯 | 发布时间:2021-11-19 | 浏览:280

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钛材是海洋环境中最理想的材料,使用钛材可使海军舰船及装备大大提高战斗力、降低维护成本、延长使用寿命、提高隐蔽性。俄、美、中国海军已将钛材广泛应用于深潜器、水下潜艇、水面舰艇、舰船等装备的耐压壳体、海水管路系统、上层建筑及其他部件等。

耐压壳体

国内外深潜器载人球壳选用钛材牌号主要有 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI(对应国内牌号 TC4、 TC4ELI)。很多深潜器载人球壳前期选用钢材,但后期都采用钛材替代,既可以减轻重量,增加下潜深度,又可以提高使用寿命。例如:①美国 Alvin 深潜器,1964 年建造时采用的是 HYl00 高强钢 (板厚 33.8 mm),下潜深度为 2000 m,1973 年改建时将耐压壳体换成钛合金 (板厚 49 mm),下潜深度增加到 3600 m,其辅助箱及高压气器也采用 Ti-6Al-4VELI;②日本的“深海 2000”载人球壳采用钢材制备,后续在建造“深海 6500”时选用钛材制备载人球壳以增加下潜深度。

在潜艇耐压壳体应用方面,俄罗斯最早选用钛材,是目前世界上使用钛材制造耐压壳体技术最先进最成熟的国家,其全钛核潜艇制造选用的惟一的钛材牌号为 IIT-3B 钛合金 (对应国内牌号 TA17)。近年来,国内在建造潜艇时也更青睐于选用钛材,牌号主要集中于 TA17、TC4、TC4ELI、TC11、纯钛等。

除此之外,目前许多国家都正在建造大深度载人潜水器和大深度全钛武器装备。国内建造的“奋斗者”号全海深载人潜水器已于 2020 年 11 月 10 日成功挑战全球海洋最深处——马里亚纳海沟,深度达 10909 m,实现了中国人的深海梦,该深潜器的载人球壳材料为高强高韧损伤容限型钛合金,由宝钛股份制造;国内已开始建造全钛的大深度装备。

海水管路系统

海水管路系统复杂、通径规格多,所选材料要求具有耐海水腐蚀、强度高、疲劳性能好等特点,钛材均可满足,采用钛合金制造的管道较传统材料(碳钢、不锈钢、铜合金) 优势显著。

(1) 提高服役寿命,与舰船本体同寿命。俄罗斯对比研究了传统材料和钛材制造的管道系统服役寿命。结果表明,钛材与舰船同寿命,只需投入一次,且在使用过程中仅需简单维护即可;传统材料服役期限约 2~10 a,服役期内必须定期维修,甚至更换,尤其是在高速推动环境作用下,各种接头均会产生局部腐蚀。美国海军舰船应用数据显示,钛制管系寿命为 40 a,铜镍合金管系寿命只有 6~8 a。

国内开展了采用“钛合金”替代“铜合金”制造海水管路系统的验证考核试验,宝钛提供的 TA2 钛无缝管材、配套管件和钛法兰在整套试验系统运行近 3a 后,拆解检验管路及配套材料,均未发现有裂纹、孔洞和腐蚀等异常情况。

(2) 降低成本。采用钛合金部件,虽一次投入成本较高,但一次投入即可满足全寿命使用,使用过程中仅需简单维护保养,大量节省维修和维护费用。美海军舰船热交换器用的铜镍合金管每年大约需更换 97 km,而在LPD17 两栖船坞运输舰的 2 个主海水配管系统上选用了 Gr.2 纯钛管材,约 1000 多个管件,总长度 3350 m 以上,全寿命期节省成本达 1700 万美元。综上所述,钛材在管路系统的使用,既可以减重、又可以实现与本体同寿命,同时,降低成本。近几年,国内已在 022 艇等多型号海洋装备上批量应用。

上层建筑

目前,在国内舰船上层建筑中也已有钛材应用实例,如:桅杆用 Ti70(TA23)、雷达天线用 TA5 和 TA7 棒材、机库蒙皮和框架结构用 TA2 和 TA5 板材。美海军在 LPD17 两栖船坞运输舰的关键部位上层建筑区也大量使用了钛,使其质量减轻约 50%,大大提高了该舰的稳定性。

其他领域应用

除上述耐压壳体、管路系统和上层建筑大量用钛材外,国内外海洋装备上还有其他部件也有用钛。