'); })();

钛谷有色金属交易中心知识篇——钛合金在舰船上的应用

2020-01-03 15:13:51作者:阅读:
      钛合金在舰船上的应用
 
      钛及钛合金材料在舰船上的应用十分广泛,除去船舶属具与舱室设施以外的所有大的设备、零部件均可能使用到钛及钛合金材料,如电子信息系统、电力系统、辅助系统、船体结构件、推进系统等。钛谷有色金属交易中心国外钛合金材料主要应用于船体结构材料,舰船泵、阀、管道及其他配件,动力驱动装置,热交换器、冷凝器、冷却器、蒸发器,声学装置等;国内钛合金材料则主要应用在深潜器,动力驱动装置,舰载雷达、电子设备,紧固件等。
 
      1.耐压壳体
 
      在舰船领域,主要应用钛合金耐压壳体的是深潜器和潜艇。钛合金比强度大、耐腐蚀性好、无磁性等特点使其成为制造深海设备耐压壳体的优质材料。
 
      俄罗斯是最早在核潜艇上使用钛合金耐压壳体的国家,也是世界技术领先者。从20世纪60年代开始,俄罗斯(前苏联)制造了一系列的钛合金潜艇。最开始,俄罗斯制造了661号钛合金巡航导弹核潜艇,这是一个试验艇。钛谷有色金属交易中心后来,俄罗斯相继制造了7艘“阿尔法”级钛合金潜艇,1艘“麦克”级潜艇,4艘“塞拉”级潜艇。这几艘核潜艇都是攻击型,其中“阿尔法”级钛合金潜艇钛合金使用量达3000t。俄罗斯制造的“台风”级核潜艇是世界上最大体积和吨位的潜艇,其用钛量达9000t。当前,俄罗斯最新一代的“北风之神”级核潜艇也使用的是钛合金耐压壳体。
 
      钛合金耐压壳体的另一个重要应用是深潜器。“蛟龙”号载人潜水器是我国自主研制的载人潜水器,设计的最大下潜深度为7000多米。“蛟龙”号载人潜水器的耐压壳体使用的是钛合金材料。目前,世界上主要的大深度载人潜水器中,多数选用钛合金材料作为耐压壳体的制备材料。例如美国的Alvin号和NewAlvin号,中国的“蛟龙号”,法国的Nautile号,日本Shinkai6500号等大深度载人潜水器的壳体材料都是钛合金[9]。钛合金成为深潜器耐压壳体的首选材料。
 
      2.动力推进装置
 
      舰船的螺旋桨由于受海水和海洋气候的影响,螺旋桨材料需要有较高的腐蚀疲劳强度和抗空蚀能力。与铜合金、钢相比,钛合金在腐蚀疲劳强度和抗空蚀能力方面具有优势。此外,由于钛合金的密度小,在制作同等规模的螺旋桨时,与其他常用材料相比,钛合金螺旋桨的质量小。因此,使用钛合金螺旋桨的舰船的驱动效率更高。结合钛合金螺旋桨的高腐蚀疲劳强度和抗空蚀能力,其维护和保养会更容易,延长了螺旋桨的服役寿命。钛合金是理想的舰船螺旋桨材料。
 
      俄罗斯、英国等早在20世纪60年代就开始尝试在舰船上使用钛合金螺旋桨。如俄罗斯在其“阿尔法”级和“麦克”级等核潜艇中都使用了钛合金螺旋桨。美国也已经在多艘舰船上使用钛合金螺旋桨。例如,美国海军在50t级的研究型猎潜艇使用的是直径为812.8mm的,三叶片、可拆式、超空泡钛合金螺旋桨。“阿希维尔”号高速炮艇使用的是四叶片变螺距钛合金螺旋桨。美国大型军用水翼艇“普兰维尤”号利用的是由Ti-6Al-4V材料制造的直径为1.52m的,四叶片、可拆式、超空泡钛合金螺旋桨。我国也已经成功研制了多种钛合金螺旋桨,并成功运用在多艘舰船上。例如,1972年研制成功Ti-5Al-2.5Sn和Ti-6Al-4V钛合金水翼艇螺旋桨,到目前为止已经在多艘舰船上使用。多年的使用结果显示,钛合金螺旋桨的耐腐蚀性强,其使用寿命是传统铜合金螺旋桨的3倍之多。
 
      除舰船的螺旋桨外,钛合金材料还应用在舰船的发动机上。如俄罗斯制造的原子动力破冰船使用了含钛合金材料的蒸汽发动机。使用钛合金动力推进装置,能够使舰船在航行时不受因切割地球磁力线而产生较大的感应电流的影响。此外,一些舰船的喷水推进装置也使用了钛合金材料,如美国SES-100A试验艇和日本的“PT-10”号鱼雷艇。他们的喷水推进装置使用了工业纯钛和钛合金锻件,减轻了装置的质量,提高了喷水推进装置的效率。
 
      3.泵、阀、管道和其他配件
 
      俄罗斯对舰船管道系统运行的要求是结构材料应该保证在第一次进船坞修理前有8~9年的使用寿命,系统完全更换前的使用寿命不应少于15年。该要求能够保障所有级别的船舶可以有效服役25~30年。而舰船在海上进行作业,因此舰船上的泵、阀、管道和其他配件面临着严峻的海洋环境的考验。
 
      俄罗斯民用船舶的管道系统一般根据水流的速度而选用M3C铜管,MH-5-1铜合金管,而阀门、泵、热交换器则使用铜合金。如果舰船的管道使用铜合金材料,其在第2年就有可能已经出现腐蚀破坏,难以满足上述所提的使用要求。钛谷亏损为了满足使用要求,可能需要加厚管道的厚度,同时为保障水流速度,需要扩大管道的直径。船舶的整体管道系统的重量和造价增加了。
 
      然而,俄罗斯军舰的泵、阀、管道等较多使用钛合金材料。军舰的服役时间较长,其使用实践证明,钛合金管道、阀门、泵、热交换器等产品的抗海水腐蚀性强,具有较长的使用寿命。如果全部使用钛材制造舰船取水系统时,可显著延长系统寿命并提高使用可靠性。
 
      美国海军在舰船上使用钛合金管道系统。与传统的铜镍合金管道相比,钛合金抗腐蚀能力强,即使在高速流动的海水中(流速为13m/s的情况下),也不会被海水冲刷腐蚀,特别适用于工作介质为动海水、高流速、高压的管路。因此,在保证同样海水流量情况下,钛合金的高抗腐蚀性允许管道设计得更薄,钛谷诈骗管道的直径变小,其所占舰船的空间变小,布置的灵活性增强,维护成本也有所降低。此外,钛合金的密度小,约为铜镍合金的一半,其制造的管路质量小,从而使得用于辅助支撑管路的设备减少。舰船的负载变少,油耗降低。
 
      4.声学装置
 
      舰船上的声学装置也可使用钛合金材料,如声呐导流罩、水声换能部件、传声器、电话零件等的制造。声呐是舰船在水下进行目标探测的最有效设备。我国多使用不锈钢和纤维增强的玻璃钢,但是与钛合金材料相比,其透声性能和耐撞性能相对较弱。俄罗斯已经将钛合金制声呐导流罩应用于“库尔斯克号”核潜艇、“明斯克”航母、“基辅”号航母等,实际声呐探测效果较好。
 
      结束语
 
      舰船是国家海军力量的重要组成部分,为舰船制造选择优异的材料十分关键。钛合金材料拥有众多优异的性能,可广泛应用于舰船制造。世界上的军事强国关于舰船用钛合金的研发和应用已经经过几十年的发展,在舰船壳体、动力推进装置、管路、声呐等方面拥有众多的成功案例。当前,这些国家依旧将钛合金视为具有战略意义的新材料,重视钛合金的研究和应用。未来将会出现更多种性能优异的钛合金材料和成功的应用案例。(DOI:10.19599/j.issn.1008-892x.2018.12.003)

 
 
copyright©2018-2020 ,All Rights Reserved 粤ICP备15022573号