钛及钛合金在美海军舰船上的应用

匡蒙生, 胡伟民, 郭爱红, 吴始栋, 蒋 鹏



钛及钛合金在美海军舰船上的应用

匡蒙生, 胡伟民, 郭爱红, 吴始栋, 蒋 鹏

(洛阳船舶材料研究所, 河南 洛阳, 471003)

阐明了钛及钛合金在海洋环境中具有的优点, 论述了美海军在新型舰船上开发与应用钛及钛合金研究所取得的进展和成果, 分析了美海军钛及钛合金今后发展的主要方向: 根据不同使用工况环境要求, 研发更多新型海军用钛合金牌号, 增加海军用钛合金种类, 降低钛材成本, 改进焊接材料与工艺。

钛及钛合金; 舰船; 海洋环境; 美海军

0 引言

钛及钛合金具有密度小、耐腐蚀、耐磨蚀、无磁等优点, 是海洋环境中理想的使用材料, 尤其是应用于海军舰船及其装备, 可大大提高战斗力、减少维护成本、延长使用寿命、提高隐蔽性。美国、俄罗斯和中国都十分重视钛和钛合金在舰船上的应用研发工作。本文通过对美海军目前在新型舰船上开展的钛及钛合金研发及应用工作所取得的进展和成果加以综述, 使读者从中受到启示, 并吸取有益的经验, 以便促进钛及钛合金在我国海军上的应用及研发工作。

1 钛及钛合金的优点

钛及钛合金具有下列优点[1]。

1) 密度低/质量轻

按照美国ASTM标准生产的管材, 2级纯钛管材与同样尺寸的Cu-Ni管材比较, 质量可减轻49.5%。

2) 耐腐蚀

a. 在天然海水全浸条件下无腐蚀;

b. 在所有180℉(≈82 ℃)(在某些条件下高于180 ℉)的水中耐一般腐蚀和坑蚀;

c. 港口和码头等污染水中无腐蚀;

d. 在静水条件下无腐蚀;

e. 冲击氯处理可有效防止/清除生物附着;

f. 在使用工况环境下, 2级工业纯钛无应力腐蚀开裂现象;

g. 海水冷却管服役40年或40年以上无腐蚀。

各种材料耐腐蚀性能如表1所示。

表1 各种材料耐腐蚀性能比较

3) 耐磨蚀

a. 钛具有“陶瓷态”外层保护氧化膜TiO2, 使其具有很强的抗磨蚀能力;

b. 钛表面具有很强的自修复能力, 一旦表面保护氧化膜TiO2破损, 便迅速再生;

c. 在没有悬浮固体颗粒的条件下可经受≥90 ft/s (≈27 m/s)的流速;

d. 在含有砂粒条件下可承受流速≥15 ft/s (≈4.6 m/s)。

4) 使用性能优

a. 低热膨胀系数, 减少焊接应力;

b. 导热率与热传递速率匹配性好, 是理想的热交换器用材料;

c. 弹性模量低, 可承受较高冲击量;

d. 具有良好的防弹性能;

e. 无磁性, 不仅可防电磁干扰, 还可降低电子设备侦察探测的信号, 提高武器装备的隐身技术水平及反侦察能力。

2 美海军钛及钛合金及其应用技术研发

美国国防部根据21世纪海军新型舰船装备与海军陆战队的需要, 正在开展一系列新材料及其应用技术项目的研发工作。

2.1 海军高含氧量钛合金项目VII

该项目具体情况介绍见表2。

2.2 连接技术项目

大型复杂钛及钛合金结构件在采用标准产品制造时, 为减少机加工量, 提高材料利用率, 降低该类产品制造成本, 连接技术的采用是非常必要的。美陆军制造技术项目VIII在通过改变现有工业设备的焊接波形来提高焊接速度方面已取得重大进展。目前, 该项新技术开发成果已转让给美陆军和承包商、工业与海军部门。本项目后续将继续通过开发自动焊接技术来提高焊接速度和焊接效率。该项工艺技术经全面评价考核合格后, 将转让给美陆军和其他国防系统部门。

表2 美海军高含氧量钛合金项目VII

美海军在舰船和船厂使用了钛和专用的钛合金, 研究开发了该类钛合金的专用连接技术。表3所示的海军/国防预研规划局钛焊接中小企业创新基金研究项目IX正在研究开发提高海军钛合金如Ti-5111焊接性能的低成本焊接技术[2]。例如美海军正在致力研究的熔剂焊芯, 它在不需要惰性气体保护的条件下能保护焊缝(项目X, 见表4)和新型填充焊丝, 以此来增加Ti-5111合金焊缝的焊透深度, 进而节省焊接时间和成本(项目XI, 见表5)。

为了支持 PLD 17级舰上大量海水配管用钛的焊接技术, 美海军制造技术项目 XII正在开发能够增加焊缝区熔透深度的高电阻焊剂(见表6)。此外, 为了开发在CVN 21航空母舰上应用的钛结构, 美海军正在船厂进行焊接项目XIII的研究(见表7)。

2.3 海军用新型Ti-5111钛合金研制开发

20世纪80年代末期, 由美海军水面作战中心与钛金属公司合作研制成比现用钛合金强度更高、成本较低的Ti-5111(Ti-5Al-1V-1Sn-1Zr-0.8Mo)钛合金。由于它强度高、可焊性良好、耐海水应力腐蚀开裂能力强, 将取代目前的Ti-6Al-4V ELI钛合金。目前, Ti-5111合金已被加工成6~51 mm厚度板材、棒材、条材、锻件和铸件。美国海军水面作战中心卡德洛克分部用钨极气保焊制成25.4 mm和51 mm厚度焊件,进行了激光锤击试验, 并对焊件在海洋环境中的使用性能进行了全面评定[3]。由于Ti-5111合金具有中等强度, 并具备优良的韧性、室温抗蠕变性能以及耐蚀性, 是理想的紧固件材料, 可满足艇用紧固件的强度, 以及高韧性、抗应力腐蚀开裂和抗室温蠕变性能的要求[4]。2002年, 该合金首先在新型潜艇通信桅杆上作为商品投入使用, 之后又扩大到美TBD轰炸机等结构件上应用。

表3 美海军用钛的焊接项目IX

表4 美海军用钛合金焊接熔剂项目X

表5 美海军用Ti- 5111合金的焊接项目XI

表6 美海军用钛管焊接项目XII

表7 美海军CVN 21航空母舰上钛的应用项目XIII

除了上述所列特定项目外, 美国国防预研规划局和所有服务单位还进行了搅拌摩擦焊技术研究与开发。搅拌摩擦焊工艺技术的主要难点之一是搅拌头的磨损问题, 因此, 在搅拌摩擦焊技术投入钛结构生产过程使用前, 需要研制出较好的搅拌头工具材料和进行良好的工具结构设计。

3 钛及钛合金在美海军舰船上的应用

3.1 应用概况

钛及钛合金凭借着自身优异的使用性能, 引起了美海军的极大兴趣。

美海军在舰艇的海水配管、厕所排水管、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸馏装置、压气机、消防泵、蒸汽弹射器部件和紧固件等结构上大量使用钛及钛合金。舰艇翻修时, 上述部件大多数采用钛是为了解决多年来诸如90/10Cu-Ni配管和铝青铜、Monel合金和不锈钢泵部件的磨蚀/腐蚀所带来的频繁维修等诸多问题。这些部件已经在CVN, CG-47, DDG-51和LHA 级舰, 以及SSN 688和SSN-21潜艇上大量应用。此外, 阿里·伯克级DDG-53及其后续舰的排气烟囱结构上也采用了钛合金, 以代替现用的不锈钢材料。

3.2 应用实例

3.2.1 在LPD 17两栖船坞运输舰上的应用

20世纪90年代中期, 美海军决定在LPD 17两栖船坞运输舰(见图1)的2个主海水配管系统上使用了钛, 全寿期节省成本可达1700万美元。配管系统的建造是在船厂现场进行的。该舰的关键部位上层建筑区也大量使用了钛, 使其质量减轻约50%, 大大提高了该舰的稳定性。此外, LPD 17舰上约1 000多个管件采用不同直径的2级纯钛管, 总长度达11000 ft(≈3353 m)以上。

为降低钛材应用成本, 美海军开展了大量低成本钛材应用技术研究工作。试验验证表明, 在LPD 17舰上可使用任何低成本钛材。此外, 美国国防部还设立专门低成本焊接技术项目, 来降低钛材的焊接成本。这些项目包括第2节介绍的项目VIII, IX, X和XII。

图1 LPD 17圣安东尼奥级两栖船坞运输舰

3.2.2 在水密门上的应用

目前, 美海军大约有50000扇水密门, 均为20世纪50年代设计, 采用DH-36结构钢建造, 腐蚀严重, 常常需要维修, 而且该类水密门质量大, 使用操作困难。为此, 美海军目前正在进行钛合金水密门和露天舱口(见图2)的研制, 并将其安装在IIA DDG-51驱逐舰上试用并进行使用性能评价。

图2 海军水密门

3.2.3 在CVN 21舰上的应用

质量和稳定性是CVN 21舰(见图3)设计的关键。为了适应航空母舰50年服役期内质量不增加的使用要求, 初始设计质量必须保持最小。如果在船厂可以大范围应用钛制造技术的话, CVN 21舰大量采用钛建造结构件可实现减重达4000 t。

目前, 美海军制造技术计划项目XIII正在试验探索CVN 21舰上可以改换成钛建造的候选部件, 主要包括消防配管系统、隔离门、升降机门、舱口和水密门、贮存舱和防护装甲。主要结构部件诸如舷侧凸体、岛结构和飞行甲板应进行相关试验检验。该项目将影响其国防部正在进行的所有钛技术项目, 并可显著提高经济效益, 适于船厂应用的钛制造技术的开发。这包括钛适当应用部位的选择, 利用轻质材料优点的部件结构设计, 降低材料成本(板材、棒材、铸件和锻件)以及开发经济有效的焊接、弯曲和成型等制造工艺技术。

图3 CVN 21舰概念图

3.2.4 在滨海战舰(LCS)上的应用

LCS是美国一种全新型战舰, 具备快速、敏捷和网络化的特点。LCS的模块专注使命设计,可为战斗指挥官提供要求的作战能力和适应性, 以保证联合力量的海上优势。该型舰的冲击速度达40~50 kn, 可进行超过3 500 mile(≈5 633 km)的长距离运输。图4为美国洛克西德·马丁航空航天公司和通用动力航空航天公司2种具有竞争性的LCS概念。

图4 美国海军LCS概念

根据航速和航程要求, LCS必须要选择轻质材料。复合材料、铝和钛是壳体和所有结构部件考虑选用的主要材料。然而, 在2005年开始LCS首舰的详细设计和建造时, 由于还没有现成的低成本钛, 主要部件选择用钛受到了限制。目前 LCS承包商感兴趣的是减轻质量, 正在计划用钛代替泵、配管、烟囱、门和舱口等结构部件常规用材料。

4 结束语

目前适合海洋环境使用的钛和钛合金种类有限, 难以满足海军复杂的使用工况环境对材料性能的多样化要求。另外, 和传统材料相比, 钛和钛合金应用成本偏高, 严重影响了美国在海军上扩大钛及钛合金应用的进程。因此, 根据不同使用工况环境要求, 研发更多新型海军用钛合金牌号、增加海军用钛合金种类、降低成本、改进焊接材料与工艺仍是今后美海军钛和钛合金的主要方向, 也是其扩大钛和钛合金应用的前提[5]。

[1] John A. Mountford. Titanium–Properties, Advantages and Applications Solving the Corrosion Problems in Marine Services[C]//“RUST 2001”, U.S. Navy & Industry Corrosion Technology Information Exchange, 2001: 17- 20.

[2] Czyryca E J. Titanium Alloy Ti-5111 in Naval Applications[C]//Naval Surface Warfare Center, Carderock Division, West Bethesda, MD.17th AeroMat Conference & Exposition: 2006: 15-18.

[3] Stauffer C, Czyryca E J, Koss D. Microstructure Evolution of Titanium Alloy Ti-5111 for US Naval Applications[C]//ASM Materials Solutions Conference & Show, Columbus, OH USA, 2004: 18-21.

[4] Been J, Faller K. Using Ti-5111 for Marine Fastener Applications[J]. Overview Titanium, 1999(6): 10-16.

[5] DOD. An Integrated Plan for the Development and Processing of Low-Cost Titanium Materials and Associated Manufacturing Processes[R]. Report to Congress Department of Defense, 2004.

Application of Titanium and Titanium Alloys to Ships of US Navy

KUANG Meng-sheng, HU Wei-min, GUO Ai-hong, WU Shi-dong, JIANG Peng

(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471003, China)

The advantages of titanium and its alloys in marine environment, as well as the achievements in development and application of these materials for new ships of US Navy, are discussed. The main trends of developing titanium and titanium alloys for US Navy are analyzed, i.e. developing more types of titanium alloys according to different environmental requirements, increasing the kinds of titanium alloys for navy usage, reducing cost of titanium alloys, and improving welding materials and techniques.

titanium and titanium alloys; ship; marine environment; US Navy

TG146.2; TG146.23

A

1673-1948(2012)05-0331-05

2012-03-27;

2012-04-20.

匡蒙生(1961-), 男, 硕士, 研究方向为舰船钛合金应用与开发.

(责任编辑: 陈 曦)