我国创新研制的主要船用钛合金及其应用

赵永庆

(西北有色金属研究院, 陕西 西安, 710016)

1 前 言

钛合金因密度小、比强度高、耐海水腐蚀及海洋大气腐蚀、无磁、透声、抗冲击震动、可加工性好等综合性能而成为理想的船用金属结构材料。钛及钛合金在舰船中的使用大大延长了设备的使用寿命，减轻了重量，减少了设备，提高了整体舰船的技术战术性能。

到目前为止，世界上只有俄罗斯、美国和中国进行专门的船用钛合金研究，并有自己的船用钛合金体系。俄罗斯船用钛合金的研究和实际应用水平居世界前列，拥有490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa强度级别的系列船用钛合金。为便于设计选材，俄罗斯把船用钛合金按其在船舶上的用途分类，如船体用钛合金ПТ-1M，船舶机械用钛合金ПТ-7M、ПТ3、3M、37，船舶动力工程用钛合金40、ПТ-3B、5B、37、23等。但这种分类对于设计选材也不方便，如船舶机械用钛合金ПТ-7M，多用于核动力装置一回路设备，动力工程用的ПТ-3B，也用于船舶球鼻艏。美国海军于1950年开始注意到钛及钛合金用于舰船工业的可能性，1963年开始进行大量的工程化研究，成功地将钛用于各类动力的航母、潜艇、水面艇、民用船。主要应用的合金有：纯钛、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。钛合金主要用于耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器和轴、弹簧、航母上的消防设备等。

中国船用钛合金的研究与应用始于20世纪60年代，几十年来，船用钛合金的研究及应用水平有了很大提高，已形成较完整的船用钛合金系列，能满足不同船只和舰艇等对不同强度级别的要求并适用于其不同部位。我国船用钛合金体系，屈服强度从320 MPa～1 100 MPa，变化范围大。屈服强度从320 MPa～490 MPa为低强钛合金，主要有TA2、Ti31、ZTA5等；屈服强度从590 MPa～785 MPa为中强钛合金，主要有TA5、ZTi60、Ti75、Ti80等；屈服强度在800 MPa以上为高强钛合金，主要有TC4、TC11、Ti-B19等。本文针对我国创新研制的主要船用钛合金Ti31、Ti75、Ti-B19、Ti91、Ti70、Ti80等做了简要介绍, 同时也简要介绍了可能用于海洋工程的其他创新研制的钛合金。

2 Ti31合金

钛的热中子吸收截面为56×10-28m2，大约是锆的30倍、铪的1/2。钛合金的核性能也比较稳定，在3～20×10-19慢中子流辐射下，布氏硬度、屈服强度略有增加，延伸率、电阻率略有下降，但冲击韧性没有改变，合金的密度及产品的尺寸形状均无改变。这种稳定的核性能及其他优异性能使Ti31合金在核动力装置中的高温高压、常温常压部位使用[1-2]。

Ti31合金是西北有色金属研究院“七五”、“八五”期间自行设计研制的新型耐高温、耐腐蚀、抗氢脆Ti-Al-Zr-Mo-Ni系钛合金[1]，洛阳725所负责该合金的应用研究。该合金集中了多种钛合金的优点，与同等强度的其他钛合金相比，具有高的塑韧性、中温热强性、高温持久性、良好的耐蚀性及可焊性；可采用常规锻造、挤压、轧制、冷成型等方法加工成各种板、棒、锻件、管和饼等产品，合金可在300 ℃～400 ℃的高温环境下使用。

Ti31合金性能如表1所示。合金板材、锻件、管材典型的力学性能为：Rm>590 MPa,Rp0.2>490 MPa,A>16%,Z>35%,ak≥59 J/cm2。Ti31强度约为纯钛的1.5倍，但工艺塑性与纯钛相当，具有良好的弯曲、压扁、扩口性能。采用2d(d：管子直径)和2t(t：管子壁厚)弯心，管材及板材弯曲可达180°；采用60°锥头，管材扩口量大于50%；最小压扁板间距可达4.5t不出现裂纹。在反复塑性应变中合金不发生循环软化现象。耐海水腐蚀性能优异：在榆林港天然海水全浸腐蚀速率为0 mm/a，在180±5 ℃以下天然海水介质中无缝隙腐蚀，动海水腐蚀(流速为3 m/s)腐蚀率为0 mm/a，与船体钢电偶腐蚀效果为1.25。焊接性能良好，焊接接头Rm>590 MPa,ak≥58.8 J/cm2, 焊接系数大于0.9。应用的产品有板、棒、饼及管材和各种功能的机加件，如法兰、异径三通管、管座等，使用的环境有高温氯化物、高温海水、常温高速海水，用该合金制造各类热交换器、管路、泵体、阀门等，并取得了成功应用。“九五”之后，开展了该合金的工业化生产。Ti31合金已成功用于余热排出冷却器，它是我国首台全钛合金焊接结构管式换热器，是一回路余热排出系统的主要设备。

表1 Ti31合金主要性能Table 1 The main mechanical properties of Ti31 alloy

3 Ti75合金

Ti75合金是西北有色金属研究院在“七五”、“八五”期间自行设计研制的中强耐高温耐腐蚀抗氢脆Ti-Al-Zr-Mo系钛合金[3]，洛阳725所负责该合金的应用研究。Ti75合金强度、塑韧性、耐蚀性、加工性能等综合性能优于TA5，它是动力装置设备、船舶焊接结构件的重要材料[1]。合金性能如表2所示。其板材、棒材、锻件等的典型力学性能为：Rm>730 MPa,Rp0.2>630 MPa,A>13%,Z>25%,KIC≥80 MPa·m1/2,ak≥580 kJ/m2,KISCC≥75 MPa·m1/2。Ti75合金耐海水腐蚀性优异：海水浸泡腐蚀、缝隙腐蚀、动海水腐蚀(流速为3 m/s)腐蚀速率为0 mm/a；与船体钢电偶腐蚀效果为1.33。焊接性能：焊接系数大于0.9。

与TA5钛合金相比，Ti75合金在保证良好的综合性能前提下，强度高出50 MPa，冲击韧性和断裂韧性是TA5的1.4倍和1.2倍，KISCC为TA5的2倍，并且具有比TA5合金优异的冷、热加工性、低的杂质敏感性。该合金填补了国内730 MPa级船用钛合金空白，达到国际先进水平。目前已能够批量生产Ti75合金的板材、棒材、管材、环材、锻饼、丝材、铸件以及宽厚板和大环锻件，也已试制成功Ti75合金外径为φ650 mm的无缝弯管和φ350 mm的无缝直管等。

表2 Ti75合金典型产品及性能Table 2 Typical products and main mechanical properties of Ti75 alloy

由Ti75合金制作的零部件已成功应用于某工程的往复式盐水泵、通海系统、海水四通、接管和舷侧双座双球阀阀杆等，并且已有15个Ti75合金零件于1993年安装到某艇上进行装艇使用，正常运行至今。Ti75合金在艇上的成功应用，开创了钛合金在某潜艇二回路系统中实艇应用的先例，综合水平居20世纪90年代国际领先水平。目前, Ti75合金已被指定用于某工程,是我国主要的一种船用耐蚀钛合金。Ti75合金也已用于制作我国永磁推进电机所需的钛合金转子支架(直径约3 m，壁厚约100 mm)。

4 Ti-B19合金

“九五”期间，西北有色金属研究院设计、研制成功一种新型高强高韧耐蚀钛合金——近β钛合金Ti-B19[4]，

洛阳725所为该合金的应用研究单位。Ti-B19合金具有较高的强度，良好的塑性，较高的断裂韧性、可焊性及耐海水腐蚀、冲刷腐蚀和应力腐蚀等综合性能。该合金具有良好的加工性，可生产各种规格的棒、板、丝、饼等，并且焊接性能、工艺性能良好。“九五”期间完成高强钛合金Ti-B19筒体的研制，并通过了压力试验，其筒体尺寸为：φ450/φ215×2 008 mm，主要力学性能达标，它是我国当前高强β钛合金最大的锻件。

Ti-B19合金在600 ℃、3.5%NaCl溶液中无腐蚀发生，腐蚀率为0 mm/a。在10 m/s流速下，冲刷腐蚀率为2.9×10-4mm/a, 具有良好的抗冲刷性能。Ti-B19合金在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀断裂韧性KISCC为69 MPa·m1/2，KISCC/KIC≥0.8。Ti-B19 合金的典型力学性能如表3所示。

表3 Ti-B19 合金典型力学性能Table 3 Typical mechanical properties of Ti-B19 alloy

5 Ti91和 Ti70 合金

由于海水中声波比光波、无线电波、电磁波的衰减小，人们将声纳作为探测和搜索的工具。一般将船舶声纳安装在流线型声纳导流罩内，其目的是减小舰船运动时产生的水动力噪音，保证水声设备有效和正常工作，从而提高声纳的作用距离。声纳导流罩必须有良好的透声性能，使水声信号通过时只有很小的损耗和畸变。另外，声纳导流罩又是船体的一部分，它必须有足够的强度和刚度，以经受得住舰船航行时作用在它上面的流体压力。制作导流罩的材料要求具有中等强度(Rm≥700 MPa)、良好的塑性(A≥20%)、冷成型性、易焊接、耐海水腐蚀、透声等特点，并适合于各种冷成型产品的加工和生产。

声纳导流罩材料包括不锈钢、玻璃钢、橡胶、钛合金等。我国现役海军在役舰艇声纳导流罩所选用的壳板透声材料基本有两种：一种是不锈钢，另一种是纤维增强的复合材料——玻璃钢。俄罗斯过去也选用玻璃钢，但后来大多采用近α钛合金ПТ-3B，并取得了良好的效果。

我国于20世纪90年代开始研制声纳导流罩钛合金。目前，我国有两种声纳导流罩钛合金：近α的Ti91[5]和Ti70[2]合金，合金分别属于Ti-Al-Fe系和Ti-Al-Fe-Zr系。两种合金均已轧制成4×900～1 000×Lmm和6×900～1 000×Lmm板材。

Ti91钛合金是西北有色金属研究院于1994年开始设计、研制的一种新型中强透声近α型钛合金[5]。众所周知，纯钛和β钛合金冷成型性良好，但纯钛的拉伸性能较低，而β钛合金的合金元素则较多，需添加成本较高的中间合金，且加工成本也高于α钛合金，使合金总体成本高。另外，β钛合金的焊接性能不如α型钛合金。因此两种类型合金均不能满足要求。由于β稳定元素Fe的加入，使Ti91合金的加工性能得到改善，同时也为通过热处理调整性能提供了有利条件。该合金具有中等强度、高的塑性、良好的透声性能、冷成形性能、可焊性及耐海水腐蚀等性能的良好匹配，明显优于船用TA5钛合金。

Ti91合金典型的性能如表4所示。关键力学性能达到Rm≥700 MPa,A≥20%；在60 ℃海水中浸泡，均匀腐蚀率≤0.001 mm/a；冷成型性：R/t≤2.5。Ti91合金与其他钛合金的强度、塑性、冷弯性等性能综合比较，Ti91合金综合性能明显优于等强度合金TC1和TA5。Ti91合金焊接接头性能达到基材的0.9。合金声学性能良好：1～4 mm厚度板材的透声系数大于96%。

Ti70合金是Ti-2.5Al-2Zr-1Fe系近α钛合金[2]。板材力学性能：Rm>700 MPa,Rp0.2>600 MPa,A>20%。耐海水腐蚀性：在60 ℃海水中浸泡均匀腐蚀率为0 mm/a。焊接性能：Rm>630 MPa，D=7 a，冷弯角180°。与船体钢电偶腐蚀效果为1.43。成功研制了Ti70透声钛合金实船钛合金声纳导流罩，并已成功应用于多条水面舰艇。

表4 Ti91 合金主要性能Table 4 The main mechanical properties of Ti91 alloy

6 Ti80合金

Ti80合金是上海钢研所于20世纪80年代研制的一种新型的Ti-6.0Al-2.5Nb-2.2Zr-1.2Mo系近α钛合金[2]，具有高强、高韧、可焊、耐蚀等综合性能，主要用于深潜器和舰船的耐压壳体。其配套焊丝为Ti531合金，成份为Ti-5Al-3Nb-0.5Mo。Ti80已进行工业性试验，轧制出22×1 000 mm及48×2 400×2 700 mm板材。Ti80合金的拉伸性能、断裂韧性与Ti-6Al-4V ELI的对比如表5所示。合金采用焊接+热处理焊接工艺可使接头性能达到焊接系数0.9，焊接性优于Ti-6Al-4V ELI。Ti80合金主要用于大通径压力管道及承受较大载荷的结构件中, 如法兰、承压结构的耐压壳体、耐高压管路、紧固件、铸件等，是目前较多使用的船用钛合金之一。

表5 Ti80合金与Ti-6Al-4V ELI的拉伸性能、断裂韧性的对比(厚30～48 mm板)Table 5 Comparison between Ti80 and Ti-6Al-4V ELI alloys for tensile properties and fracture toughness (plate：thickness 30～80 mm)

7 其它有可能用于海洋工程的创新研制的钛合金

7.1 中强高韧损伤容限型钛合金TC4-DT

TC4-DT是针对航空长寿命结构件研发的一种中强高韧损伤容限型钛合金[6-7]，物理性能和力学性能与TC4 ELI一致，差异主要在于合金成分的控制、锻造工艺及热处理工艺。TC4 ELI是海洋工程用钛合金的一种重要选择，在美国舰船上已获得成功应用。中国研制的TC4-DT合金已在我国航空飞机上获得成功应用，也应获得海洋工程方面的应用。表6为TC4-DT合金不同规格棒材的力学性能，不同规格棒材的性能稳定，一致性好[8]。同时该合金具有良好的工艺性能和焊接性能。

TC4-DT由西北有色金属研究院和北京航空材料研究院在2005年研制成功，之后得到高度重视和快速发展。TC4-DT合金研制规模已由2005年的1 t铸锭扩大到2009年的5 t以上规模铸锭，西部超导公司已成功批量生产出TC4-DT合金φ200～φ500 mm棒材，也已试制成功φ600 mm超大规格棒材。同时，西部钛业公司也研制出TC4-DT合金40～100×2 500×Lmm的厚板和1～10×1 500×Lmm的薄板，合金板材的性能达到技术指标要求。

表6 TC4-DT合金不同规格棒材的力学性能Table 6 The mechanical properties of TC4-DT alloy bars with different size

7.2 高强高韧损伤容限型钛合金TC21

TC21合金是我国研制的第一个高强高韧损伤容限型钛合金，由西北有色金属研究院于2003年研制成功[9-10]，北京航空材料研究院负责该合金的应用研究。2005年以后得到高度重视和快速发展。TC21合金研制规模已由2005年的1 t铸锭扩大到2009年的5 t以上规模铸锭，研制的合金棒材有φ20 mm、φ90 mm、φ130 mm、φ180 mm、φ300 mm、φ500 mm，目前西部超导公司已能批量生产TC21合金φ300 mm以上大规格棒材。TC21合金棒材的典型性能如表7所示，合金不同规格棒材的性能稳定，一致性好[8]。同时，也试制出TC21合金厚度为2 mm和12 mm的板材。

TC21合金已成功应用于我国航空飞机，在海洋工程方面可用于要求屈服强度为1 000 MPa的承力结构件，该合金在具有高强度、高韧性同时，还具有良好的焊接性能。

表7 TC21合金不同规格棒材的力学性能Table 7 The mechanical properties of TC21 alloy bars with different size

7.3 超高强钛合金Ti-1300

Ti-1300是西北有色金属研究院在2005年研制成功的一种1 350 MPa级别的新型超高强钛合金[11-12]。合金研制的规模已达到1 000 kg铸锭，研制的棒材规格已由φ20 mm扩大至φ200 mm。棒材的典型性能见表8，不同规格棒材的性能稳定。该合金制造的零部件已在航空、航天等部门获得应用，在海洋工程方面，Ti-1300可用于要求屈服强度为1 200 MPa的钛合金承力结构件。

表8 Ti-1300合金不同规格棒材的力学性能Table 8 The mechanical properties of Ti-1300 alloy bars with different size

7.4 CT20低温钛合金

西北有色金属研究院根据航天火箭发动机管路系统的需求，自主开发了一种Ti-Al-Mo-Zr系近α型中强低温CT20钛合金[13]。表9为CT20合金室温和20 K下的力学性能，该合金具有优良的超低温物理性能，减少了热量传递，改善热漏，替代钢制管路后可减轻1/3重量。CT20合金制造的液氢管路用弯管、接管嘴、连接法兰等零部件，已被组装到发动机上进行试车试验并获得成功，获得了实际应用，发动机管路重量减轻约1/3，提高了发动机的性能。该合金同时具有良好的工艺性能和焊接性能。西北有色金属研究院先后生产了CT20钛合金管材、棒材、丝材几十吨，并且制造出了CT20钛合金螺旋弯管、异径三通和直角三通等复杂产品，增加了该合金产品的品种。CT20钛合金在海洋工程方面应有较好的应用前景。

7.5 定量设计的超高强钛合金

以往，钛合金成分设计主要采用经验方法、Al当量、Mo当量及电子浓度理论进行定性设计。近几年在发明钛合金定量设计方法[14-17]的基础上，针对两个不同强度级别要求的目标合金，开展定量计算，定量设计了两种合金成分。针对定量设计的两种新合金, 按照钛合金制备的常规方法，采用0级海绵钛、Al-Mo、Al-V、Al-Sn等中间合金及原子能级Zr、高纯电解Cr，Fe等，采用真空自耗电弧熔炼方法，制备了25 kg铸锭。经铸锭开坯锻造及棒材轧制后得到φ22 mm的棒材，热处理后测试了合金的室温力学性能。性能测试结果如表10所示，可以看出，设计合金的强度准确度超过98%，延伸率准确度超过93%。这说明两种新合金(Ti-1500、Ti-1600)的合金成分定量设计是成功的。

表9 CT20合金4种规格棒材室温及20 K下拉伸性能和冲击性能Table 9 The mechanical properties of CT20 alloy bars with different size

在海洋工程领域，新合金可用于要求屈服强度1 300 MPa的承力结构件。

表10 定量设计的两种合金试验验证的力学性能Table 10 The mechanical properties of two quantitative designed titanium alloys

8 结 语

舰船用钛合金是我国钛合金研究开发的重要方向之一。经过近50年的努力，创新研制的船用钛合金和仿制的船用钛合金已形成我国船用钛合金体系，利用我国钛合金工业化生产设备，可以生产出钛合金板、管、棒、饼、环、丝和铸件等产品, 通过研究合金的物理、力学性能，为舰船及海洋工程构件的设计、制造和使用提供了依据。创新研制的部分钛合金在舰船上已装艇使用，为扩大钛合金在海洋工程方面的应用奠定了基础，同时可以推广针对航空、航天等研制的钛合金到舰船上应用，为舰船应用选材提供更宽广的材料基础。

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