鈦及鈦合金具有密度小、耐腐蝕、耐磨蝕、無磁等優(yōu)點,是海洋環(huán)境中理想的使用材料,尤其是應用于海軍艦船及其裝備,可大大提高戰(zhàn)斗力、減少維護成本、延長使用壽命、提高隱蔽性。中國有色網。美國、俄羅斯和中國都十分重視鈦和鈦合金在艦船上的應用研發(fā)工作。
它山之石可以攻玉,了解鈦合金在美國等國外艦船應用有利于我國提高船艦的性能,對鈦合金在我國艦船上的應用起到借鑒作用。中國有色網。吸取其有益的經驗,促進鈦及鈦合金在我國艦船上的應用及研發(fā)工作。
鈦及鈦合金及其應用技術研發(fā)
美國國防部根據21世紀海軍新型艦船裝備與海軍陸戰(zhàn)隊的需要,正在開展一系列新材料及其應用技術項目的研發(fā)工作。
連接技術項目:美海軍在艦船和船廠使用了鈦和專用的鈦合金,研究開發(fā)了該類鈦合金的專用連接技術。中國有色網。大型復雜鈦及鈦合金結構件在采用標準產品制造時,為減少機加工量,提高材料利用率,降低該類產品制造成本,連接技術的采用是非常必要的。中國有色網。美陸軍制造技術項目VIII在通過改變現(xiàn)有工業(yè)設備的焊接波形來提高焊接速度方面已取得重大進展。中國有色網。目前,該項新技術開發(fā)成果已轉讓給美陸軍和承包商、工業(yè)與海軍部門。中國有色網。該項目后續(xù)將繼續(xù)通過開發(fā)自動焊接技術來提高焊接速度和焊接效率。中國有色網。該項工藝技術經全面評價考核合格后,將轉讓給美陸軍和其他國防系統(tǒng)部門。中國有色網。國防預研規(guī)劃局鈦焊接中小
企業(yè)創(chuàng)新基金正在研究開發(fā)提高海軍鈦合金如Ti.5111焊接性能的低成本焊接技術。中國有色網。例如美海軍正在致力研究的熔劑焊芯,它在不需要惰性氣體保護的條件下能保護焊縫和新型填充焊絲,以此來增加Ti.5111合金焊縫的焊透深度,進而節(jié)省焊接時間和成本。
為了支持美國PLD17級艦上大量海水配管用鈦的焊接技術,美海軍制造技術項目XII正在開發(fā)能夠增加焊縫區(qū)熔透深度的高電阻焊劑。中國有色網。此外,為了開發(fā)在CVN21航空母艦上應用的鈦結構,美海軍正在船廠進行焊接項目XIII的研究。
海軍用新型Ti.5111鈦合金研制開發(fā):20世紀80年代末期,由美海軍水面作戰(zhàn)中心與鈦金屬
公司合作研制成比現(xiàn)有鈦合金強度更高、成本較低的Ti.5111(Ti-5A1.1V-1Sn-IZr-0.8Mo)鈦合金。中國有色網。由于它強度高、可焊性良好、耐海水應力腐蝕開裂能力強,將取代目前的Ti-6A1.4V ELI鈦合金。中國有色網。目前,Ti.5111合金已被加工成6~51mm厚度板材、棒材、條材、鍛件和鑄件。中國有色網。美國海軍水面作戰(zhàn)中心卡德洛克分部用
鎢極氣保焊制成25.4mm和51mm厚度焊件,進行了激光錘擊試驗,并對焊件在海洋環(huán)境中的使用性能進行了全面評定。中國有色網。由于Ti-5111合金具有中等強度,并具備優(yōu)良的韌性、室溫抗蠕變性能以及耐蝕性,是理想的緊固件材料,可滿足艇用緊固件的強度,以及高韌性、抗應力腐蝕開裂和抗室溫蠕變性能的要求。中國有色網。2002年,該合金首先在新型潛艇通信桅桿上作為商品投入使用,之后又擴大到美TBD轟炸機等結構件上應用。
鈦及鈦合金應用實例
在LPD17兩棲船塢運輸艦上的應用:20世紀90年代中期,美海軍決定在LPD17兩棲船塢運輸艦的2個主海水配管系統(tǒng)上使用了鈦,全壽命期節(jié)省成本可達1700萬美元。中國有色網。配管系統(tǒng)的建造是在船廠現(xiàn)場進行的。中國有色網。該艦的關鍵部位上層建筑區(qū)也大量使用了鈦,使其質量減輕約50%,大大提高了該艦的穩(wěn)定性。中國有色網。此外,LPD17艦上約1000多個管件采用不同直徑的2級純
鈦管,總長度達11000ft(≈3353m)以上。
為降低鈦材應用成本,美海軍開展了大量低成本鈦材應用技術研究工作。中國有色網。試驗驗證表明,在LPD17艦上可使用任何低成本鈦材。中國有色網。此外,美國國防部還設立專門低成本焊接技術項目,來降低鈦材的焊接成本。中國有色網。
在CVN21艦上的應用:質量和穩(wěn)定性是CVN21艦設計的關鍵。中國有色網。為了適應航空母艦50年服役期內質量不增加的使用要求,初始設計質量必須保持最小。中國有色網。如果在船廠可以大范圍應用鈦制造技術的話,CVN21艦大量采用鈦建造結構件可實現(xiàn)減重達4000t。中國有色網。目前,美海軍制造技術計劃項目XIII正在試驗探索CVN21艦上可以改換成鈦建造的候選部件,主要包括消防配管系統(tǒng)、隔離門、升降機門、艙口和水密門、貯存艙和防護裝甲。中國有色網。主要結構部件諸如舷側凸體、島結構和飛行甲板應進行相關試驗檢驗。中國有色網。該項目將影響其國防部正在進行的所有鈦技術項目,并可顯著提高經濟效益,適于船廠應用的鈦制造技術的開發(fā)。中國有色網。這包括鈦適當應用部位的選擇,利用輕質材料優(yōu)點的部件結構設計,降低材料成本(板材、棒材、鑄件和鍛件)以及開發(fā)經濟有效的焊接、彎曲和成型等制造工藝技術。
在濱海戰(zhàn)艦(LCS)上的應用:LCS是美國一種全新型戰(zhàn)艦,具備快速、敏捷和網絡化的特點。中國有色網。LCS的模塊專注使命設計,可為戰(zhàn)斗指揮官提供要求的作戰(zhàn)能力和適應性,以保證聯(lián)合力量的海上優(yōu)勢。中國有色網。該型艦的沖擊速度達40~50kn,可進行超過3500mile(約5633km)的長距離運輸。中國有色網。根據航速和航程的要求,LCS必須要選擇輕質材料。中國有色網。而復合材料、鋁和鈦是殼體和所有結構部件考慮選用的主要材料。中國有色網。然而,在2005年開始LCS首艦的詳細設計和建造時,由于當時還沒有現(xiàn)成的低成本鈦,主要部件選擇鈦受到了限制。中國有色網。目前LCS承包商感興趣的是減輕質量,正在計劃用鈦代替泵、配管、煙囪、門和艙口等結構部件常規(guī)用材料。中國有色網。
鈦合金還需努力才能在艦船建造中成為重要的材料
目前,適合海洋環(huán)境使用的鈦和鈦合金種類有限,難以滿足海軍復雜的使用工況環(huán)境對材料性能的多樣化要求。中國有色網。另外,和傳統(tǒng)材料相比,鈦合金應用成本偏高,嚴重影響了美國在海軍上擴大鈦合金應用的進程。中國有色網。因此,根據不同使用工況環(huán)境要求,研發(fā)更多新型海軍用鈦合金牌號、增加海軍用鈦合金種類、降低成本、改進焊接材料與工藝仍是今后美海軍鈦合金應用的主要方向,也是其擴大鈦合金應用的前提。中國有色網。