海洋工程用Ti31/Ti75/Ti80/TC4鈦合金的特性與應用

1、前言

隨著世界人口的急劇增加，社會經濟的高速發展，全球資源短缺的現象已經呈現，如淡水資源、能源資源的短缺成為全球經濟持續發展的障礙，因而人們提出了開發海洋資源，并將成為本世紀重大研究課題。開發海洋首先要制作各種工具作為開發的手段，為此目的需制造相關機械設備。海洋和陸地不同，海水與海洋大氣中含有氯化物和硫化物，對機械裝置材料腐蝕作用很大，面對深海海水的強大壓力，需求設備結構強度高，否則會出現失效。故海洋設備構件，特別是在大深度海水中作業的構件，需求選用比強度高，比韌性好、耐海水腐蝕的材料加工制造"，做合金恰好具有這些優點，是一種天生的海洋工程材料。近幾十年來，鈦材在海水淡化"、海洋考察與教生用的深潛器"、海洋石泊開采中平臺與鉆具器件”、核電站與海洋溫差發電設備”等方面有了很好的應用。實踐已證實鈦材在海洋工程中的應用，充分展現其優異的綜合性能。本文就我國多年來自行開發與研仿的幾種海洋工程用鈦合金一Ti31、Ti75，Ti80，TC4材料的品種、規格與海洋工程環境的適應性、機械加工時的可成形性、可焊接性以及應用狀況，作一簡要敘述。為我國海洋工程設備結構設計進材提供可靠的信息。

2、四種鈦合金性質與海洋工程環境的適應性

2.1 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的物理、力學性能

在設備結構設計中，材料的物理與力學性能是基本的設計資料，表1、表2列舉了Ti31、Ti75、Ti80、TC4四種合金材料的物理和力學性能。

表1 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的物理性能

表2 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金材料的力學性能

從表1、2中可以看出，這幾種鈦合金密度小、相變點高、電阻率大、線膨脹系數小、彈性模量只有鋼材的一半，但拉伸強度高、沖擊韌性好。

2.2 幾種鈦合金耐海洋介質的適應性

鈦合金在海洋大氣及海水介質中，其表面很容易產生致密的氧化鈦膜而鈍化，大大地提高了鈦的穩定性，在海水介質中浸泡，其腐蝕速率近于0，如表3所示。在低于100℃海水中，縫隙腐蝕速率也很低，尤其是Ti31合金耐縫隙腐蝕可達180℃(海水)，這些特點非常有利于換熱器等設備的使用。

表3 Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的耐海水腐蝕性能

由表3所測得腐蝕數據看，上述幾種鈦合金非常適應海洋介質，是優良的海洋工程材料。

3、幾種鈦合金材料的可成形性與可焊接性

從材料制成機械產品，其加工工藝種類繁多，其中成形工藝與焊接工藝的應用最為普遍，因而材料的可成形性與可焊接性成為材料在產品制造中的重要工藝性能。

3.1 幾種鈦合金的可成形性與溫度一變形塑性圖

固態金屬成形是在外力作用下，使金屬材料產生預期的塑性變形，以獲得所需形狀尺寸和力學性能的毛坯或零件的加工方法，在機械工業中，這種成形工藝主要是鍛造和板材沖壓，成形必須具備基本條件，即被成形金屬具有可成形性，也就是在受外力作用下，可改變自己的形狀而不產生破裂。鈦合金與鋼、鋁、銅合金不同，在室溫條件下由于斷裂強度與屈服強度差小，變形抗力大、塑性低，因而成形性較差，但是金屬材料的成形塑性是與溫度相關的，鈦合金在加熱過程中，隨著溫度的升高，變形抗力下降，而塑性大增。圖1是Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的溫度一變形塑性圖。由該圖表明，這幾種鈦合金冷變形性能較差(低于再結晶溫度以下成形)，但熱變形性能好，合金隨著溫度的升高，合金中塑性高的β相增多，當β相達到50％時，在低速變形條件下，出現超塑性(圖1)，成形性能非常好。

3.2 幾種合金的可焊性與焊接接頭性能

金屬的焊接是機械制造業中最主要的連接方法，也是造船工業業中最重要最關鍵的工藝之一，因此，金屬材料焊接性的優劣是致關重要的。所謂金屬材料的可焊接性，一般指在某種焊接方法下，得到優質焊接接頭的能力，通常把焊接時的抗裂性和接頭的性能作為重要的評價指標。表4列舉了Ti31、Ti75、Ti80、TC4合金的抗裂性和焊接接頭性能。

表4 Ti31、Ti75 、Ti80、TC4合金的TIG 焊接特性

從上表中可以看出，Ti31、Ti75、Ti80合金鎢極氬弧焊，焊接抗裂性非常好，焊接接頭強度與母材一致，達到強度系數為1，TC4合金的焊接抗裂性比前三種合金稍差。

4、應用事例

4.1 深潛器耐壓球殼及構件

在深潛器耐壓殼體的應用方面美國開展的比較早，如Alvin科研深潛器，1973年改建時將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49 mm)，代替1964年建造時采用的HYl00高強鋼(板厚33.8 mm)，下潛深度從2000m增加到3600m，它的輔助箱及高壓空氣容器也采用Ti-6Al-4VELI鈦合金建造。1981年和1982年建造的“海崖”號深潛器裝備了鈦的觀察艙和操縱艙，下潛深度可達6100m。由此也可以看出，大深度深潛器的殼體材料發展趨勢也是用鈦合金，我國目前也在用鈦合金研制深潛器的耐壓艙和浮力球等部件。

4.2 換熱器

在海洋工程中．熱交換器的應用最廣泛的采用鈦合金。俄羅斯自1962年以來各種類型的熱交換器建造并成功運行六千多臺，已經達到了完全商業化的水平。我國也成功的運用鈦合金生產了多臺船用熱交換器，并成功的運行在船上。

4.3 閥門

船上的泵、閥及管子，由于工作介質為海水，對材料要求耐海水腐蝕性能好。有的泵，工作條件非常惡劣，如造水系統的往復式鹽水泵，介質為高度濃縮的鹽水。以前泵內的柱塞、閥、閥座等采用1Crl3不銹鋼制造，并在表面鍍鉻。使用時間不長，就銹蝕嚴重，須經常更換。用鈦合金更換后不再存在維修問題。

4.4 緊固件

緊固件是機械基礎件的重要組成部分，俗稱”工業之米”，在各行各業廣泛應用，緊固件包括螺釘、螺栓、螺母、墊圈、銷、鍵、擋圈等產品。隨著鈦合金設備、結構、管系、法蘭，各型泵、閥等在海洋工程上的廣泛應用，鈦合金緊固件在海洋工程上的應用也有較大提高，特別是在艦船上的應用更為廣泛。如我國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，墊片采用TA2。我國近幾年引進的多條各型艦船，其上面的鈦設備用緊固件大都采用鈦合金，從實船考察發現鈦合金緊固件經過幾十年的海水浸泡，其表面沒有產生腐蝕現象。所以采用鈦合金緊固件可以解決耐海水腐蝕、異種材料間的電化學腐蝕等問題，并可大大提高螺栓的使用壽命、并減輕設備重量，

5、結論

鈦合金由于比強度高，比韌性好、耐海水腐蝕特別是耐海水中的氯離子腐蝕，是海洋工程應用中的優秀材料，又被譽為“海洋金屬”，應該在海洋工程中大力推廣應用。

我國多年來自行開發與研制的Ti31、Ti75、Ti80、TC4四種海洋工程用鈦合金材料的物理、力學、耐海水腐蝕性能，以及其可成形性、可焊接性非常良好，部分材料已經在船上成功應用，可以進一步推廣。