鈦合金防腐材料在艦船推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件上的應(yīng)用

引言

鈦是一種稀有金屬，具有很明顯的化學(xué)特性，它極易與干燥的氯氣發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)而生成四氯化鈦，再進(jìn)一步分解生成二氧化鈦，甚至可能伴隨燃燒。但鈦可以耐濕氯氣的腐蝕，在一定含量的濕氯氣中可以保持很強(qiáng)的穩(wěn)定性。鈦由于其屈服強(qiáng)度要高于鋼鐵、鋁，且比強(qiáng)度和比模量也表現(xiàn)出優(yōu)勢，所以在現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展的情況下，鈦的需求量越來越大，隨著科技的發(fā)展，對(duì)鈦的提取技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步。鈦的金屬特性使其在航空、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)都有極其廣泛的應(yīng)用，但相對(duì)而言，鈦的成本高于鋼鐵、鋁、鎂等常規(guī)的金屬，這在一定程度上限制了鈦的應(yīng)用，而現(xiàn)在鈦合金的研究可以大大降低鈦的成本，鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)大大拓寬，鈦的應(yīng)用也更為廣泛。

鈦合金的質(zhì)量較輕，極好的力學(xué)性能、化學(xué)性能，使其成為極佳的艦船材料。鈦合金作為一種優(yōu)異的耐腐蝕材料，被應(yīng)用在艦船關(guān)鍵的零部件位置。

1、鈦及鈦合金

鈦在高溫下極其容易與空氣反應(yīng)，但是熔點(diǎn)卻超過 1 500 ℃。鈦在常溫下的耐腐性較好，不易被王水等強(qiáng)酸腐蝕，對(duì)海水的耐腐蝕性也極好。鈦合金由于熔點(diǎn)較高，且質(zhì)量較輕，所以被用來代替鋁合金做飛機(jī)的機(jī)翼。

由于鈦的提煉成本較高，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍，和其他金屬一樣，鈦可以形成合金，且合金依然保持鈦優(yōu)良的機(jī)械性能、化學(xué)性能。鈦可以和釩、鐵、鋁等形成合金，所制得的合金質(zhì)地較輕，但機(jī)械性能良好，可以應(yīng)用在航天、醫(yī)療、航海、汽車及海洋等領(lǐng)域。

按應(yīng)用的領(lǐng)域來分，應(yīng)用在航天上的鈦合金主要分為三大類 [1, 2]：

1）高強(qiáng)鈦合金　成型的合金強(qiáng)度高于100 MPa，和其他鈦合金及其他種類的合金相比，此類鈦合金的強(qiáng)度可以滿足對(duì)材料強(qiáng)度要求極高的起落架、翼梁等零部件；

2）高溫鈦合金　此類合金可以在溫度高達(dá) 500 ℃的情況下正常應(yīng)用；

3）阻燃鈦合金　由于鈦合金存在由于快速氧化，而出現(xiàn)燃燒的弊端，這在很大程度上會(huì)限制鈦合金的應(yīng)用。國際上的很多國家都在尋找不同的方式來解決這個(gè)問題，中國也自行研發(fā)了阻燃鈦合金。

由于鈦合金和鈦一樣，可以不受濕氯氣的腐蝕，所以鈦合金在艦船上有廣闊的應(yīng)用空間，為航海及海洋戰(zhàn)略提供了更多的可能。在國際上俄羅斯是較早將鈦合金應(yīng)用到艦船上的國家，現(xiàn)已研發(fā)了不同強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金。我國也研發(fā)了可以應(yīng)用于艦船上的鈦合金，部分已經(jīng)在艦船上試用。

鈦合金可以作為一種防腐材料應(yīng)用在艦船上，它表現(xiàn)出的優(yōu)異的抗腐蝕性是因?yàn)槠浔砻婵梢孕纬芍旅艿难趸瘜樱搜趸ぴ谑艿胶Ｋ母g后，也可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)原，這些優(yōu)點(diǎn)可以大大地降低艦船的維修費(fèi)用，延長艦船的維護(hù)周期和使用壽命。

鈦合金的這些優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)鈦合金成本較高的不足。

為了說明鈦合金具有較好的抗腐蝕性，將 3 種船用金屬材料在流動(dòng)的海水中的腐蝕速率進(jìn)行了對(duì)比，如表 1所示。

表 1 的數(shù)據(jù)表明，鉻-鎳合金和銠系合金這 2 種材料，隨著海水流速的增加，腐蝕速率都增大。而鈦合金，在海水的流速從 4 m/s 增加到 12 m/s 時(shí)，鈦合金沒有表現(xiàn)出受到海水腐蝕的跡象，可以認(rèn)為當(dāng)海水的流速達(dá)到 12 m/s 時(shí)，鈦合金受腐蝕的速率依然是 0。此時(shí)鈦合金表現(xiàn)出了十分優(yōu)異的耐腐蝕性能。

2、鈦合金防腐材料在艦船推進(jìn)系統(tǒng)上的應(yīng)用

純鈦具有耐腐蝕性，是因?yàn)殁伒谋砻嬖诳諝庵锌梢孕纬赦g化膜，此氧化膜可以抗腐蝕，且此氧化膜在受到破壞之后，在有氧的環(huán)境里可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)再生，且此氧化膜對(duì)氯離子、硝酸等具有良好的耐腐蝕性。

鈦合金是將鈦與其他的金屬一起組成合金，合金中成分的差異及各元素含量的多少也可以影響合金的性能。艦船作為一種在海水中游走的工具，鈦合金是極佳的材料。它良好的耐腐蝕性決定了它可能是一種可以應(yīng)用在艦船上的耐腐蝕材料，而其高的比強(qiáng)度又決定了它可以作為一種結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在艦船上。

推進(jìn)系統(tǒng)為艦船提供前行的動(dòng)力，是艦船的心臟，推進(jìn)系統(tǒng)不僅要求其結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)穩(wěn)定，在較高的溫度下可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還要求結(jié)構(gòu)材料本身的比強(qiáng)度高，疲勞強(qiáng)度高，抗斷裂的韌性高，鈦合金正好可以滿足推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)材料的多方面的要求。現(xiàn)在鈦合金不僅被應(yīng)用在艦船的推進(jìn)軸上、發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管道、推進(jìn)器上，還被應(yīng)用在深潛船的耐壓容器上等。

發(fā)動(dòng)機(jī)上的排氣管道對(duì)整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行也起著非常重要的作用，由于排氣管道長期浸漬在海水中，受到流動(dòng)海水的沖刷，減少排氣管的腐蝕可以延長艦船的維修期。鈦合金在高溫下容易受空氣的氧化，所以鈦合金材料的管道在焊接成型時(shí)要全程在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行，一般用氬氣進(jìn)行保護(hù)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同壁厚的鈦合金管道材料，應(yīng)采用不同的焊接方式，其中 TIG 焊接的參考數(shù)據(jù)規(guī)范如表 2 所示 [3] 

由于鈦合金的成本較高，為了降低生產(chǎn)的成本和擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍，包括俄羅斯在內(nèi)的國家都在研究鈦合金的鑄造技術(shù)。鑄造技術(shù)的進(jìn)步可以使鈦合金更好地發(fā)揮其良好的機(jī)械性能。現(xiàn)在國際上也對(duì)如何進(jìn)一步提高鈦合金的鑄造技術(shù)做了很多的研究。

鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用較多，它不僅要求鑄造成型的零件精密度高，還要求其耐用性好。飛機(jī)零部件的制造技術(shù)包括精密制造、大型的薄壁零件的制造、金屬性鑄造等。這些發(fā)展的技術(shù)都可以借鑒到艦船的推進(jìn)系統(tǒng)中的零部件上 但是到目前為止 鈦合金的種類還是偏少，不能使鈦合金的應(yīng)用像其他鋁合金等一樣的廣泛，鈦合金的融合技術(shù)、鑄造技術(shù)都需要進(jìn)一步的加強(qiáng)，進(jìn)一步降低鈦合金的成本。在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，探索更易于和鈦組成合金的元素和條件，也是未來鈦合金發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3、鈦合金防腐材料在艦船上的應(yīng)用展望

鈦和鈦合金的應(yīng)用水平已經(jīng)成為現(xiàn)代衡量一個(gè)國家技術(shù)發(fā)展程度的重要標(biāo)志之一，它的發(fā)展和開發(fā)應(yīng)用對(duì)一個(gè)國家戰(zhàn)略也有十分重要的影響。未來艦船的制造方向在一定程度上也依賴于鈦合金的發(fā)展。縱觀國內(nèi)外，鈦合金的發(fā)展還存在研發(fā)成本高、鈦合金的種類較少、相應(yīng)的設(shè)備陳舊的困境，現(xiàn)在鈦合金的研究水平還不能滿足現(xiàn)代化對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)多樣性、鈦合金優(yōu)異性能的需求。要使鈦合金能在艦船、潛艇等水上及水下大型設(shè)備上有更充足的應(yīng)用空間，就需要更新現(xiàn)代的鈦合金的生產(chǎn)設(shè)備，減少生產(chǎn)過程中的能耗，增加鈦合金的種類。鈦合金作為一種優(yōu)異的防腐材料，依舊是未來艦船更新和升級(jí)中的極具有潛力的結(jié)構(gòu)材料，因此對(duì)鈦合金的研究是具有重要的戰(zhàn)略意義的。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 周佳宇, 哈軍. 鈦合金材料在艦船管系上的應(yīng)用[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2006(6).