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Ti31Ti80Ti75钛锻件钛合金棒在海洋工程设备中的利用事俘

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钛拥有质轻、比强度高、抗冲击性高、耐海水侵蚀机能优异、断裂韧性好、委顿强度高、焊接机能好、无磁、透声性好、耐冷热性优异、抗放射性、减震抗噪等一系列利益 [1-10] ，被誉为“海洋金属”，是一种梦想的、具远景的海洋工程设备用结构资料。

钛在海洋工程设备领域利用极度宽泛，如船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件等，动力驱动装置中的推动器和推动器轴，冷凝器、冷却器、换热器等，舰船声呐导流罩、螺旋桨等 。但目前国内仍未见有关海洋工程设备用钛材的选材手册的报路，未见有关美满的海洋工程设备用钛脊合金使用评价系统的报路，这在很大水平上造约了钛材在海洋工程设备上的推广使用。

本文在介绍钛脊合金在海洋设备领域利用特点的基础上，总结了目前国内表形成的舰船用钛脊合金系统和机能特点，论说了国内表钛脊合金在海洋设备领域的利用近况及优势，瞻望了钛材在海洋设备的利用远景，以期对后续海洋工程设备设计选材提供参考，从而大幅度加快推动钛材在我国海洋设备领域的利用。

1、海洋工程设备用钛

为确保海洋设备的战技机能和航行的绝对安全靠得住性，选择相宜的设备资料至关沉要。

钛脊合金险些具备海洋设备资料所需的全数个性，即钛脊合金的诸多利益。

物理个性

①质轻。钛密度为4.5 g/cm3 ，仅为钢的57.7%，在舰船领域利用可减轻船体质量、增长载沉、提高航速；②热膨胀系数低，焊策应力幼，从而使部件焊接变形量；③无磁性，在强磁场下也不会磁化，并可防电磁滋扰，使装磁引信的水雷或鱼雷失效，预防磁性雷的攻击，从而提高水下潜艇的隐身技术水平和反窥伺能力；④导热率与热传递速度匹 配优良，是梦想的热互换器资料；⑤透声性好，钛材透声系数大于 0.85，甚至高达 0.98，是舰船声呐导流罩最梦想选材；⑥加工性优良，可通过多种加工方式如铸造、轧造、铸造、挤压等出产铸件、板材、丝材、型材、锻件、复杂的零部件等。

力学机能

钛脊合金力学机能优异，其比强度高、塑性好，在?253~600 ℃ 领域内，它的屈强比和比强度在海洋设备用金属资猜中最高；冲击韧性优良，在?60~20 ℃ 领域内，无显著韧-脆转变点；断裂韧性较高，在 80~110 MPa·m1/2之间。委顿强度高，钛材低应力高周委顿均在 107周次以上。

侵蚀机能

钛在海洋环境介质中拥有优异耐侵蚀机能。由于钛和氧亲和力极高，在空气或氧介质中，钛材表表极易急剧形成一层薄、致密、牢固的氧化膜。钛的氧化膜拥有很强的自愈性，当氧化膜受到粉碎或划伤后，也会很快自愈或再生，形成新的氧化膜。这层氧化膜可使钛材险些不被天然海水侵蚀。

国内表舰船用钛材系统

钛材是一种良好的舰船资料，得到了列国水师和造船业的青睐。近五十年来，俄罗斯、美国、中国和日本等先后都成立了合用于自己的舰船用钛脊合金系统。

国表舰船用钛材系统

俄罗斯、美国是最早钻研舰船用钛脊合金的国度，并各自形成舰船用钛脊合金系统，日本相对较晚，舰船用钛材系统较单一。俄、美、日列国常见的舰船用钛脊合金商标及屈服强度 σ 0.2 按低、钟注高强度级别划分见表 1 。

表1俄罗斯、美国、日本常见舰船用钛脊合金商标及屈服强度

国度低强钛合金中强钛合金高强钛合金
商标合金成分σ0.2/MPa商标合金成分σ0.2/MPa商标合金成分σ0.2/MPa
俄罗斯ПT-1M—≥390ПT-3BTi-4Al-2V≥590BT6Ti-6Al-4V≥850
TL3Ti-3.5Al-0.4V≥44037—≥690BT8Ti-6.5Al-3.3Mo-0.3Si≥900
ПT-7MTi-2Al-2.5Zr≥4905B—≥690BT14Ti-5Al-3Mo-1V≥900
TL5Ti-3.5Al-2V≥490———23a—≥1050
美国Gr1Cp-Ti≥165Gr.32Ti-5Al-1Zr-1Sn-  1V-0.8Mo-0.1Si≥586Gr.23Ti-6Al-4VELI≥795
Gr2Cp-Ti≥275—Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo≥655Gr.5Ti-6Al-4V≥820
Gr12Ti-0.3Mo-0.8Ni≥345———Ti38644(βc)Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr≥1100
Gr9Ti-3Al-2.5V≥485——————
日本CP-Ti—≥280———SAT-64Ti-6Al-4V≥830
——————SAT-64ELITi-6Al-4VELI≥795

俄罗斯舰船用钛脊合金钻研及利用水平居世界前列，是最早占有专用舰船用钛合金系统的国度，如船体钛合金ПT-1M，船机用钛合金ПT-7M、3M、 37， 动 力 工 程 用 钛 合 金 ПT-3B、 40、 5B、23a 等。几十年来，俄罗斯在核潜艇、通例潜艇、水面舰艇、航空母舰、深潜器等舰船领域都大量选取了钛材。

美国水师自 1963 年起头对舰船用钛材进行大量的工程利用钻研，重要的船用钛脊合金有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等，现已成功将钛材利用于各类水面舰艇、动力潜艇、民船等。

日本的船用钛脊合金重要有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，集中利用于深潜器耐压壳体、民用渔船、游船等。

国内舰船用钛材系统

国内舰船用钛材的钻研始于 1962 年，五十多年来，我国从研发到利用已逐步形成了较齐全的舰船用钛脊合金系统[1-3,6-9] ，其屈服强度在 320~1130MPa 之间。业界通常按资料屈服强度大幼对其分类，即屈服强度在 500 MPa 以下为低强钛合金，500~790 MPa 为中强钛合金，高于 790 MPa 为高强钛合金。上述强度级别资料根基可满足国内舰船、潜艇、深潜器及深？占湔居媒峁棺柿系闹副暌。现阶段我国已造订了舰船用钛脊合金板材、棒材、锻件、无缝管材及铸件的有关规范，具体舰船用钛脊合金系统、机能、利用及规范尺度号见表2。

与俄罗斯、美国相比，中国舰船用钛脊合金系统还不够美满，且利用数据较少，无正确、高效的舰船用钛材的评价系统。

表2 我国舰船用钛脊合金系统、机能及利用

类别商标合金成分Rm/MPaRp0.2/MPaA/%Z/%KV2/J机能特点利用
低强TA2Cp-Ti≥400275~450≥25——成型、焊接机能好，耐海水侵蚀非耐压铸件、冷成型件、管      路等
TA3Cp-Ti≥500380~550≥20——成型、焊接机能好，耐海水侵蚀非耐压铸件、冷成型件、管      路等
TA4Cp-Ti≥580485~655≥20——成型、焊接机能好，耐海水侵蚀低强度承压壳体、冷成型      件、结构件等
Ti- 31(TA22)Ti-3Al-1Mo-1Zr- 0.8Ni>637>490≥18≥35≥47成型、焊接性好，耐180 ℃ 海水侵蚀换热器、冷凝器、泵体、管路、阀门、压力容器、承载      焊接结构件等
ZTA5Ti-4Al-0.005B≥590≥490≥10≥25≥24铸造机能好船舶推动、电子及辅助系统      的泵、阀等
中强TA18 MTi-3Al-2.5V≥620≥515≥15——冷成型性、焊接性优异舰船排气管、喷气偏导装      置，舱盖、舱门等
TA17Ti-4Al-2V685~835≥560≥10——优良焊接机能、抗侵蚀机能、      冲击韧性高封头、声呐导流罩骨架、结      构件等
TA5Ti-4Al-0.005B≥685≥585≥12——耐蚀、可焊性好鱼雷发射装置、框架结构      件、船舶各类机械部件等
ZTi60Ti-5.5Al-4Sn- 2Zr-1Mo-1.0Ta-      0.5Nd-0.5Si≥670≥590≥10≥20≥43铸造机能好、耐蚀、可焊各类耐压系统铸件等
Ti70(TA23)Ti-2.5Al-2Zr-1Fe≥700≥590≥10——耐蚀性、透声性、冷成型、      焊接性好透声罩、声呐导流罩、桅      杆、冷成型件等
Ti75(TA24)Ti-3Al-2Mo-2Zr≥730≥630≥13≥25—耐蚀性、焊接性、成型性优异，      断裂韧性、冲击韧性高船舶结构、压力容器、耐高      压管路、推动系统构件等
Bti431Ti-5Al-3Mo-1V≥770≥650≥9≥25—焊接性、铸造性优良管材结构、紧固件、气瓶等      耐压罐体等
Ti91Ti-3Al-1V-1Zr-      1Fe≥700≥660≥20≥35—冷成型性、焊接性、耐蚀性、透      声性优异透声罩、声呐导流罩等
ZTC4Ti-6Al-4V≥835≥765≥5≥12—抗裂纹扩大、抗委顿、      铸造机能好螺旋桨、可接受沉载荷的壳      体等高强铸件
Ti80(TA31)Ti-6Al-3Nb-2Zr-      1Mo≥880≥785≥10≥40—耐蚀、可焊紧固件、结构件、壳体等
高强TC4ELITi-6Al-4VELI≥860≥795≥10≥25≥24抗裂纹扩大、抗委顿、耐侵蚀、      焊接性好耐压壳体、高压容器、结构      件、船舶部件、紧固件等
TC4Ti-6Al-4V≥895≥830≥10——抗裂纹扩大、抗委顿、耐侵蚀、焊接性好耐压壳体、发起机表壳、蒸汽透平机叶片、蓄电器、船      舶部件、紧固件等
TB8Ti-15Mo- 3Al-      2.7Nb-0.25Si825~1000795~965≥6——高强、塑性、韧性，耐蚀高强紧固件、海水管路、弹      簧、弹射装置等
TB9Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo-4Zr—————塑性好、强度和弹性高、 淬透性好、耐蚀性和抗盐应力      侵蚀机能优异弹簧、紧固件等
TC11Ti-6.5V-3.5Mo-      1.5Zr-0.3Si≥1010≥910≥8≥23≥24高强、高韧、耐高温高压压气机转子、低压压气      机叶片及轮盘等
TiB19Ti-3Al-1Mo-5V-      4Cr-2Zr≥1175≥1130≥5≥10—强度高、塑韧性好、焊接性好船舶高压容器、筒体、机械      部件等
Ti62ATi-6Al-2Sn-2Zr-      3Mo-1Cr-1V≥1010≥930≥9≥18≥20高强、高韧、耐冲击大深度耐压壳体、耐压罐      体、紧固件等
注：1)舰船用钛合金锻件规范 GJB 943A—2018；2)舰船用钛脊合金板材规范 GJB 944A—2018；3)舰船用钛脊合金棒材规范 GJB      9571—2018；4)舰船用钛脊合金铸件规范 GJB    9574—2018；5)舰船用钛脊合金无缝管材规范 GJB    9579—2018。

低强

TA2Cp-Ti≥400275~450≥25——成型、焊接机能好，耐海水侵蚀非耐压铸件、冷成型件、管   路等
TA3Cp-Ti≥500380~550≥20——成型、焊接机能好，耐海水侵蚀非耐压铸件、冷成型件、管   路等
TA4Cp-Ti≥580485~655≥20——成型、焊接机能好，耐海水侵蚀低强度承压壳体、冷成型   件、结构件等
Ti- 31(TA22)Ti-3Al-1Mo-1Zr- 0.8Ni>637>490≥18≥35≥47成型、焊接性好，耐180 ℃ 海水侵蚀换热器、冷凝器、泵体、管路、阀门、压力容器、承载   焊接结构件等
ZTA5Ti-4Al-0.005B≥590≥490≥10≥25≥24铸造机能好船舶推动、电子及辅助系统   的泵、阀等
中强TA18 MTi-3Al-2.5V≥620≥515≥15——冷成型性、焊接性优异舰船排气管、喷气偏导装   置，舱盖、舱门等
TA17Ti-4Al-2V685~835≥560≥10——优良焊接机能、抗侵蚀机能、   冲击韧性高封头、声呐导流罩骨架、结   构件等
TA5Ti-4Al-0.005B≥685≥585≥12——耐蚀、可焊性好鱼雷发射装置、框架结构   件、船舶各类机械部件等
ZTi60Ti-5.5Al-4Sn- 2Zr-1Mo-1.0Ta-   0.5Nd-0.5Si≥670≥590≥10≥20≥43铸造机能好、耐蚀、可焊各类耐压系统铸件等
Ti70(TA23)Ti-2.5Al-2Zr-1Fe≥700≥590≥10——耐蚀性、透声性、冷成型、   焊接性好透声罩、声呐导流罩、桅   杆、冷成型件等
Ti75(TA24)Ti-3Al-2Mo-2Zr≥730≥630≥13≥25—耐蚀性、焊接性、成型性优异，   断裂韧性、冲击韧性高船舶结构、压力容器、耐高   压管路、推动系统构件等
Bti431Ti-5Al-3Mo-1V≥770≥650≥9≥25—焊接性、铸造性优良管材结构、紧固件、气瓶等   耐压罐体等
Ti91Ti-3Al-1V-1Zr-   1Fe≥700≥660≥20≥35—冷成型性、焊接性、耐蚀性、透   声性优异透声罩、声呐导流罩等
ZTC4Ti-6Al-4V≥835≥765≥5≥12—抗裂纹扩大、抗委顿、   铸造机能好螺旋桨、可接受沉载荷的壳   体等高强铸件
Ti80(TA31)Ti-6Al-3Nb-2Zr-   1Mo≥880≥785≥10≥40—耐蚀、可焊紧固件、结构件、壳体等
高强TC4ELITi-6Al-4VELI≥860≥795≥10≥25≥24抗裂纹扩大、抗委顿、耐侵蚀、   焊接性好耐压壳体、高压容器、结构   件、船舶部件、紧固件等
TC4Ti-6Al-4V≥895≥830≥10——抗裂纹扩大、抗委顿、耐侵蚀、焊接性好耐压壳体、发起机表壳、蒸汽透平机叶片、蓄电器、船   舶部件、紧固件等
TB8Ti-15Mo- 3Al-   2.7Nb-0.25Si825~1000795~965≥6——高强、塑性、韧性，耐蚀高强紧固件、海水管路、弹   簧、弹射装置等
TB9Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo-4Zr—————塑性好、强度和弹性高、 淬透性好、耐蚀性和抗盐应力   侵蚀机能优异弹簧、紧固件等
TC11Ti-6.5V-3.5Mo-   1.5Zr-0.3Si≥1010≥910≥8≥23≥24高强、高韧、耐高温高压压气机转子、低压压气   机叶片及轮盘等
TiB19Ti-3Al-1Mo-5V-   4Cr-2Zr≥1175≥1130≥5≥10—强度高、塑韧性好、焊接性好船舶高压容器、筒体、机械   部件等
Ti62ATi-6Al-2Sn-2Zr-   3Mo-1Cr-1V≥1010≥930≥9≥18≥20高强、高韧、耐冲击大深度耐压壳体、耐压罐   体、紧固件等
注：1)舰船用钛合金锻件规范 GJB 943A—2018；2)舰船用钛脊合金板材规范 GJB 944A—2018；3)舰船用钛脊合金棒材规范 GJB   9571—2018；4)舰船用钛脊合金铸件规范 GJB  9574—2018；5)舰船用钛脊合金无缝管材规范 GJB  9579—2018。

2、钛材在海洋设备上的利用近况及优势

钛材是海洋环境中最梦想的资料，使用钛材可使水师舰船及设备大大提高战斗力、降低守护成本、耽搁使用寿命、提高荫蔽性[1,10] 。俄、美、中国水师已将钛材宽泛利用于深潜器、水下潜艇、水面舰艇、舰船等设备的耐压壳体、海水管路系统、上层构筑及其他部件等[9-11] 。

耐压壳体

国内表选用钛材作为耐压壳体的事俘较多，重要用于深潜器载人球壳、潜艇壳体[11] ，具体典型利用所选用钛材的商标及拉伸机能见表 3。

表 3 国内表载人球舱和潜艇耐压壳体材质、造备工艺及资料机能

商标成型、焊接工艺拉伸机能潜艇名称设计深度/mm使用年份
σ0.2/MPaσb/MPaA/%Z/%
俄罗斯BT6瓜瓣/拼焊      手工TIG焊接≥800≥850≥10≥20“和平”号60001987
美国Ti-6Al-4VELI整半球冲压成型    赤路缝电子束焊接      螺栓衔接≥760≥825≥8         ≥15新“阿尔文”号        Triton 36000/26500        110001994        2019
法国Ti-6AL-4VELI整半球冲压成型      螺栓衔接≥795≥860≥10—“鹦鹉螺”号60001985
         中国TC4 ELI整半球冲压成型      赤路缝电子束焊接≥795≥860≥10—“深海勇士”号45002017
TC4瓜瓣/拼焊      手工TIG焊接≥825≥895≥10—“蛟龙”号70002009
日本Ti-6Al-4VELI整半球冲压成型      赤路缝电子束焊接≥810———深海“6500”号65001989
俄罗斯ΠT-3B      (对应国内TA17)—640~835≥590≥9≥15核潜艇—1960

国内表深潜器载人球壳选用钛材商标重要有 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI(对应国内商标TC4、TC4ELI)。

好多深潜器载人球壳前期选用钢材，但后期都选取钛材代替，既能够减轻沉量，增长下潜深度，又能够提高使用寿命。例如：①美国 Alvin 深潜器，1964 年建造时选取的是 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)，下潜深度增长到3600 m， 其 辅 助 箱 及 高 压 气 器 也 采 用 Ti-6Al-4VELI；②日本的“深海 2000”载人球壳选取钢材造，后续在建造“深海 6500”时选用钛材造备载人球壳以增长下潜深度。

在潜艇耐压壳体利用方面，俄罗斯最早选用钛材，是目前世界上使用钛材造作耐压壳体技术最先进最成熟的国度，其全钛核潜艇造作选用的惟一迪胙材商标为 IIT-3B 钛合金 (对应国内商标 TA17)。近年来，国内涵建造潜艇时也更青睐于选用钛材，商标重要集中于 TA17、TC4、TC4ELI、TC11、纯钛等。

除此之表，目前很多国度都在建造大深度载人潜水器和大深度全钛兵器设备。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资料为高强高韧危险容限型钛合金，由宝钛股份造作；国内已起头建造全钛的大深度设备。

海水管路系统

海水管路系统复杂、通径规格多，所选资料要求拥有耐海水侵蚀、强度高、委顿机能好等特点，钛材均可满足，选取钛合金造作的管路较传统资料(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。俄罗斯对比钻研了传统资料和钛材造作的管路系统服役寿命。了局批注，钛材与舰船同寿命，只需投入一次，且在使用过程中仅需单一守护即可；传统资料服役期限约 2~10 a，服役期内必须定期维建，甚至更换，尤其是在高速推动环境作用下，各类接头均会产生部门侵蚀。美国水师舰船利用数据显示，钛

造管系寿命为 40 a，铜镍合金管系寿命只有 6~8 a。

国内发展了选取」合金”代替“铜合金”造作海水管路系统的验证查核试验，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资料，均未发现有裂纹、孔洞和侵蚀等异常情况。(2) 降低成本。选取钛合金部件，虽一次投入成本较高，但一次投入即可满足全寿命使用，使用过程中仅需单一守护保养，大量节俭维建和守护费

用。美水师舰船热互换器用的铜镍合金管每年约莫需更换 97 km，而在 LPD17 两栖船厂运输舰的 2 个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，全寿命期节俭成本达1700万美元。

综上所述，钛材在管路系统的使用，既能够减沉、又能够实现与本体同寿命，同时，降低成本。

近几年，国内已在 022 艇等多型号海洋设备上批量利用。

上层构筑

目前，在国内舰船上层构筑中也已有钛材利用事俘，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。美水师在 LPD17 两栖船厂运输舰的关键部位上层构筑区也大量使用了钛，使其质量减轻约 50%，大大提高了该舰的不变性。

其他领域利用

除上述耐压壳体、管路系统和上层构筑大量用钛材表，国内表海洋设备上还有其他部件也有效钛，利用事俘见表 4。

表4 国内表海洋设备其他部件用常见钛材

序号用处常用商标产品类型
1泵、阀纯钛、ZTC4、ZTA5、ZTi60铸件
2螺旋桨ZTC4铸件
3声呐导流罩、透声罩Ti70、ΠT-3B板材
4框架结构TA2、TA5、TC4板材、型材
5气瓶、耐压罐体Bti341、TC4、TC4ELI、Ti62A棒材、板材
6冷却器/管/水套、冷凝器等TA2、TA16、Ti75、Ti31管材
7紧固件、弹簧、销TC4、TC4ELI、TC11、TB8、TB9(Ti38644)棒材、丝材

实现语

钛合金不仅使海洋设备实现向“深、大、远、高、低”的方向发展，也可齐全实现与海洋设备本体同寿命，是海洋设备的最佳选材。目前，我国对钛材在海洋设备上的利用也越来越器沉，用钛量也在不休的增长。深海耐压壳体、海水管路、气瓶、上层构筑、框架等将成为海洋用钛的沉点发展方向。

现阶段国内表钛材在船舶领域利用事俘较多，但有关规范中资料系统并不美满。但愿有关单元组织会商并美满现杏坠造压力容器”、“资料与焊接”等有关规范中的资料系统，以便于设计人员参考。

参考文件

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方志刚, 刘斌, 李国明, 等. 舰船设备资料系统发展与需要分析.中国资料进展, 2014，33(7)：385[14]

作者简介：海敏娜 (1987—)，女，陕西宝鸡人，工程师，硕士，2015 年毕业于西安构筑科技大学资料加工工程专业，工作于宝鸡钛业股份有限公司，重要从事与海洋设备领域用钛有关的钻研。通讯地址：721013 陕西省宝鸡市渭滨区高新大路 88 号，E-mail：haiminna@126.com。

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