艦船是海軍最重要的裝備，是海上運(yùn)輸、戰(zhàn)斗的平臺(tái)，用于建造艦船的材料要能耐海水、海洋大氣的腐蝕，比強(qiáng)度高，塑韌性及加工工藝性好。由于艦船整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所使用的材料量大，且品種、規(guī)格多。選擇性能優(yōu)異的材料制作軍艦是保證海軍裝備完整性和先進(jìn)性的基礎(chǔ)。

    鈦合金在艦船上得以應(yīng)用，主要是基于鈦合金的以下特性：很寬的強(qiáng)度范圍，優(yōu)異的機(jī)械性能，獨(dú)特的物理性能（包括磁性能），較高的比強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)有效性，優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐沖刷腐蝕性能，優(yōu)良的抗沖擊性能，良好的可加工性和焊接性，合理的成本及有效性。大量船用管系材料使用經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，管路系統(tǒng)中傳統(tǒng)材料的使用壽命是有限的，其中，鋼管路系統(tǒng)使用 1.2 ～ 2 年后會(huì)發(fā)生腐蝕，CuNi 管路系統(tǒng)使用壽命為 6 ～ 8 年，而鈦合金管路系統(tǒng)中的管、泵、閥、熱交換器等設(shè)備可服役 40 年以上。由于船用鈦合金需在海洋環(huán)境中長(zhǎng)期服役，設(shè)計(jì)船用鈦合金時(shí)需綜合考慮合金的強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性、可焊性等。

    國(guó)內(nèi)外船用鈦合金應(yīng)用

    1.俄羅斯船用鈦合金應(yīng)用

俄羅斯護(hù)衛(wèi)艦

    俄羅斯是世界上研制和使用船用鈦合金最早的國(guó)家，也是船用鈦合金使用范圍最廣泛、數(shù)量最多的國(guó)家。主要包括PT-7M、PT-1M、PT-3V、37、5V 鈦合金及其相應(yīng)的焊絲，并形成了 490、585、686、785MPa 等不同強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金產(chǎn)品。鈦合金已被成功應(yīng)用于艦船上的以下部件及設(shè)備中：深水立管、補(bǔ)給管、泵、過(guò)濾器、通海管路、飲用水管、鉆井管和地下水管路、熱交換器、柴油機(jī)獨(dú)立消防泵和滅火系統(tǒng)、深水設(shè)備殼體、外井系統(tǒng)柔性管、壓力容器、平臺(tái)緊固接頭的高強(qiáng)柔性拉伸部件、工藝溶液的管系和容器等，并相繼在前蘇聯(lián)系列核動(dòng)力破冰船“列寧號(hào)、”北極“號(hào)、”俄羅斯“號(hào)、”蘇聯(lián)“號(hào)和其他型號(hào)的艦船上使用。前蘇聯(lián)系列核動(dòng)力破冰船上的鈦制蒸汽發(fā)生器，已安全使用 20 ～ 40年，并且未發(fā)生任何嚴(yán)重破損。

    2.美國(guó)船用鈦合金及其應(yīng)用

    美國(guó)船用鈦合金主要以航空用鈦合金為基礎(chǔ)，選取了在海水腐蝕環(huán)境下具有耐蝕性、可焊性和抗應(yīng)力腐蝕性的鈦合金， 包 括 純 鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。此外，針對(duì)船用鈦合金的特點(diǎn)，還研制了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 等其他船用鈦合金。艦船上使用高性能鈦合金對(duì)于提高艦船的移動(dòng)性、穩(wěn)定性、有效性，減輕船體質(zhì)量等都具有顯著的作用。美國(guó)海軍在 20 世紀(jì) 90年代曾對(duì)以下艦船進(jìn)行認(rèn)證考核，包括：核動(dòng)力航母（CVN）、導(dǎo)彈巡洋艦（CG-47）、導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦（FFG-7）、探測(cè)船（MCM）、水陸兩棲登陸艇（LSD41CV）、登陸船、氣墊船（LVCA）、水陸兩棲強(qiáng)擊登陸船（LHD）、快速作戰(zhàn)軍需品補(bǔ)給船（AOE-6）、雙層殼體監(jiān)視船（SWATHT-AGOS19）、海岸探測(cè)船（MHC-51）、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DDG-51）。這些艦船的海水冷卻系統(tǒng)、海水系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)件、推進(jìn)器、污水處理系統(tǒng)、電器元件、緊固件等，均已使用或即將使用高性能鈦合金。

美國(guó)大型游輪

    3.中國(guó)船用鈦合金及其應(yīng)用

    中國(guó)船用鈦合金的研究與應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 60 年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已形成較完整的船用鈦合金體系，能夠滿足艦艇、潛艇和深潛器對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別的要求。應(yīng)用領(lǐng)域涉及船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、特種裝置等。按屈服強(qiáng)度等級(jí)劃分，即屈服強(qiáng)度在 490MPa 以下為低強(qiáng)鈦合金，具有優(yōu)異的塑性；490 ～ 790MPa 為中強(qiáng)鈦合金，高于 790MPa 為高強(qiáng)鈦合金，主要用于船舶動(dòng)力工程中的耐熱耐蝕部件和船舶特種機(jī)械等。

    4.日本船用鈦合金及其應(yīng)用

    日 本 船 用 鈦 合 金 主 要 有 純 鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，主要被應(yīng)用于深潛器的耐壓殼體及各種民用游船、漁船。

    使用中存在問(wèn)題及解決方法

    1.縫隙腐蝕

    腐蝕問(wèn)題：艦船中使用的可拆卸連接件（法蘭、螺紋連接等）等部件存在較小縫隙，縫隙內(nèi)會(huì)存在具有侵蝕性的高濃度氯離子和氟離子，這就要求鈦合金在海水環(huán)境中具有良好的抗高溫縫隙腐蝕能力。鈦合金熱交換器和海水淡化設(shè)備內(nèi)，工況環(huán)境為 90 ～ 250℃、介質(zhì) pH 值為 1.5 ～ 4.0（尤其是在鹽和煤油狀沉積物處），其縫隙腐蝕是非常致命的。防腐措施：（1）在鈦合金中添加 Pd、Ｒ u 元素可有效改善鈦合金的耐縫隙腐蝕性能。（2）在鈦合金表面進(jìn)行含 Ru/Pd 的表面處理，例如在鈦合金表面滲入 Ru/Pd 元素或者進(jìn)行微弧氧化在鈦合金表面形成含 Ru/Pd 元素的氧化物。為減少表面處理的成本，也可以在鈦合金表面制備含 Ru/Pd 元素的梯度涂層。（3）采用陰極保護(hù)技術(shù)保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，電位在－ 800mV ～－ 1050mV之間，避免產(chǎn)生氫過(guò)飽和導(dǎo)致鈦合金出現(xiàn)氫致開(kāi)裂。

    2.電偶腐蝕

    鈦與鋼、銅連接時(shí)極易出現(xiàn)電偶腐蝕，防護(hù)措施包括：

    ⑴管材進(jìn)行熱氧化、微弧氧化、陽(yáng)極氧化，在金屬表面形成氧化層或陶瓷層以實(shí)現(xiàn)絕緣。對(duì)鈦管進(jìn)行氧化處理，形成的氧化膜可降低鈦合金陰極極化效應(yīng) 80% ～ 90%，氧化膜壽命等同于鈦管壽命。

    ⑵在管材、閥嘴與鋼、銅設(shè)備接觸的界面處用瀝青質(zhì)橡膠進(jìn)行絕緣處理；⑶在鈦管與不銹鋼噴嘴連接處進(jìn)行中間凸緣保護(hù)。

    3.大型結(jié)構(gòu)件的焊接腐蝕

    防護(hù)措施包括：

    ⑴艦船上使用的殼體、高壓壓力容器、拉伸部件等大型結(jié)構(gòu)件基于耐壓性能要求需要使用高強(qiáng)鈦合金，并且要求高強(qiáng)鈦合金厚壁焊接件的連接在海水中要有極好的可操作性，焊后無(wú)須進(jìn)行熱處理。

    ⑵美國(guó)和歐洲采用 TC4 鈦合金和低間隙 TC4 鈦合金（氧含量控制在 0.13% 以內(nèi)）；俄羅斯普羅米修斯結(jié)構(gòu)材料中央研究院研發(fā)了 PT-3V、37、5V 船用鈦合金；中國(guó)研發(fā)了TA24、TA31 鈦合金。

    ⑶對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件，焊接后不能進(jìn)行熱處理，而表面存在拉伸應(yīng)力，大大降低鈦合金構(gòu)件耐腐蝕和抗疲勞性能。可對(duì)焊接件表面進(jìn)行超聲沖擊處理，將焊接件表面拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變成為壓應(yīng)力，以利于疲勞性能的提高。

    中國(guó)船用鈦合金的發(fā)展展望

    對(duì)于材料研究來(lái)說(shuō)，中國(guó)船用鈦合金還需開(kāi)展鈦合金在海洋環(huán)境中的性能研究，包括：

    ①工況環(huán)境（溫度、pH 值、溶液成分）、受力方式（自由狀態(tài)、反向彎曲、扭轉(zhuǎn)）、交變載荷對(duì)鈦合金在空氣和海水中腐蝕疲勞、疲勞裂紋擴(kuò)展速率、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性的影響研究；②加工工藝對(duì)鈦合金管材織構(gòu)類型（徑向織構(gòu)、軸向織構(gòu)）以及織構(gòu)類型對(duì)管材加工工藝（擴(kuò)口、壓扁、爆破）性能的影響；③ Pd、Ru 微量元素對(duì)鈦合金在 H 2 S、Cl - 環(huán)境中耐蝕機(jī)理的研究；④鈦合金在輻照環(huán)境下的拉伸、疲勞性能評(píng)價(jià)；⑤耐蝕鈦合金不同焊接形式的焊接變形控制和矯正研究；⑥耐蝕鈦合金新型近凈成形技術(shù)的研究與評(píng)價(jià)。