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钛合金在舰船的应用及其腐蚀防护
中国表面处理网 2016/07/15

引 言


    舰船是海军最重要的装备,是海上运输、战斗的平台,用于建造舰船的材料要能耐海水、海洋大气的腐蚀,比强度高,塑韧性及加工工艺性好。由于舰船整体结构复杂,所使用的材料量大,且品种、规格多。选择性能优异的材料制作军舰是保证海军装备完整性和先进性的基础。


    钛合金在舰船上得以应用,主要是基于钛合金的以下特性: 很宽的强度范围,优异的机械性能,独特的物理性能( 包括磁性能) ,较高的比强度和结构有效性,优异的耐腐蚀性能和耐冲刷腐蚀性能,优良的抗冲击性能,良好的可加工性和焊接性,合理的成本及有效性。大量船用管系材料使用经验证实,管路系统中传统材料的使用寿命是有限的,其中,钢管路系统使用 1. 2 ~ 2 年后会发生腐蚀,CuNi 管路系统使用寿命为 6 ~ 8 年,而钛合金管路系统中的管、泵、阀、热交换器等设备可服役 40 年以上。由于船用钛合金需在海洋环境中长期服役,设计船用钛合金时需综合考虑合金的强度、应力腐蚀断裂韧性、可焊性等。


    
国内外船用钛合金应用


    2. 1 俄罗斯船用钛合金应用

 

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    俄罗斯护卫舰


    俄罗斯是世界上研制和使用船用钛合金最早的国家,也是船用钛合金使用范围最广泛、数量最多的国家。主要包括 PT-7M、PT-1M、PT-3V、37、5V 钛合金及其相应的焊丝,并形成了 490、585、686、785 MPa 等不同强度级别的船用钛合金产品。,钛合金已被成功应用于舰船上的以下部件及设备中: 深水立管、补给管、泵、过滤器、通海管路、饮用水管、钻井管和地下水管路、热交换器、柴油机独立消防泵和灭火系统、深水设备壳体、外井系统柔性管、压力容器、平台紧固接头的高强柔性拉伸部件、工艺溶液的管系和容器等,并相继在前苏联系列核动力破冰船“列宁号、”北极“号、”俄罗斯“号、”苏联“号和其他型号的舰船上使用。前苏联系列核动力破冰船上的钛制蒸汽发生器,已安全使用 20 ~ 40 年,并且未发生任何严重破损。


    表 1 为俄罗斯船用钛合金的具体应用及产品形式。

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    2. 2 美国船用钛合金及其应用

 

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   美国大型游轮


    美国船用钛合金主要以航空用钛合金为基础,选取了在海水腐蚀环境下具有耐蚀性、可焊性和抗应力腐蚀性的钛合金,包括纯钛、Ti-0. 3Mo-0. 8Ni、Ti-3Al-2. 5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。此外,针对船用钛合金的特点,还研制了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0. 8Mo-0. 1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0. 8Mo 等其他船用钛合金。舰船上使用高性能钛合金对于提高舰船的移动性、稳定性、有效性,减轻船体质量等都具有显著的作用。美国海军在 20 世纪 90 年代曾对以下舰船进行认证考核,包括: 核动力航母( CVN) 、导弹巡洋舰 ( CG-47 ) 、 导 弹 护 卫 舰 ( FFG-7 ) 、 探 测 船( MCM) 、水陆 两 栖 登 陆 艇 ( LSD41CV) 、登 陆 船、气垫船 ( LVCA) 、水陆两栖强击登陆船( LHD) 、快速作战军需品补给船 ( AOE-6) 、双层壳体监视船( SWATH T-AGOS19) 、海岸探测船( MHC-51) 、导弹驱逐舰( DDG-51) 。这些舰船的海水冷却系统、海水系统和灭火系统、结构件、推进器、污水处理系统、电器元件、紧固件等,均已使用或即将使用高性能钛合金。


    表 2 为美国舰船用候选钛合金的相关情况

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    2. 3 中国船用钛合金及其应用


    中国船用钛合金的研究与应用始于 20 世纪 60年代,经过几十年的发展,已形成较完整的船用钛合金体系,能够满足舰艇、潜艇和深潜器对不同强度级别的要求。应用领域涉及船体结构、推进系统、电力系统、电子信息系统、辅助系统、特种装置等。按屈服强度等级划分,即屈服强度在 490 MPa 以下为低强钛合金,具有优异的塑性;490 ~ 790 MPa 为中强钛合金,高于 790 MPa 为高强钛合金,主要用于船舶动力工程中的耐热耐蚀部件和船舶特种机械等。


    表 3为我国船用钛合金及其具体应用。

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    2. 4 日本船用钛合金及其应用


    日本船用钛合金主要有纯 钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI,主要被应用于深潜器的耐压壳体及各种民用游船、渔船。


  
  使用中存在问题及解决方法


    3. 1 缝隙腐蚀


    腐蚀问题:舰船中使用的可拆卸连接件( 法兰、螺纹连接等) 等部件存在较小缝隙,缝隙内会存在具有侵蚀性的高浓度氯离子和氟离子,这就要求钛合金在海水环境中具有良好的抗高温缝隙腐蚀能力。钛合金热交换器和海水淡化设备内,工况环境为 90~250℃ 、介质 pH 值为1.5~4.0( 尤其是在盐和煤油状沉积物处) ,其缝隙腐蚀是非常致命的。


    防腐措施:


    (1)在钛合金中添加Pd、Ru 元素可有效改善钛合金的耐缝隙腐蚀性能。


    (2)在钛合金表面进行含 Ru/Pd 的表面处理,例如在钛合金表面渗入 Ru/Pd  元素或者进行微弧氧化在钛合金表面形成含 Ru/Pd元素的氧化物。为减少表面处理的成本,也可以在钛合金表面制备含Ru/Pd元素的梯度涂层。


    (3)采用阴极保护技术保护钢结构时,电位在-800 mV ~-1050 mV 之间,避免产生氢过饱和导致钛合金出现氢致开裂。


    3. 2 电偶腐蚀


    钛与钢、铜连接时极易出现电偶腐蚀,防护措施包括:


    1、管材进行热氧化、微弧氧化、阳极氧化,在金属表面形成氧化层或陶瓷层以实现绝缘。对钛管进行氧化处理,形成的氧化膜可降低钛合金阴极极化效应 80%~ 90% ,氧化膜寿命等同于钛管寿命。


    2、在管材、阀嘴与钢、铜设备接触的界面处用沥青质橡胶进行绝缘处理;


    3、在钛管与不锈钢喷嘴连接处进行中间凸缘保护。


    3. 3 大型结构件的焊接腐蚀


    防护措施包括:


    1、舰船上使用的壳体、高压压力容器、拉伸部件等大型结构件基于耐压性能要求需要使用高强钛合金,并且要求高强钛合金厚壁焊接件的连接在海水中要有极好的可操作性,焊后无须进行热处理。


    2、美国和欧洲采用 TC4 钛合金和低间隙 TC4 钛合金(氧含量控制在 0. 13%以内); 俄罗斯普罗米修斯结构材料中央研究 院 研 发 了 PT-3V、37、5V 船 用 钛 合金; 中国研发了 TA24、TA31 钛合金。


    3、对于大型结构件,焊接后不能进行热处理,而表面存在拉伸应力,大大降低钛合金构件耐腐蚀和抗疲劳性能。可对焊接件表面进行超声冲击处理,将焊接件表面拉伸应力转变成为压应力,以利于疲劳性能的提高。


    
中国船用钛合金的发展展望


    对于材料研究来说,中国船用钛合金还需开展钛合金在海洋环境中的性能研究,包括:


    ①工况环境( 温度、pH 值、溶液成分) 、受力方式 ( 自由状态、反向弯曲、扭转) 、交变载荷对钛合金在空气和海水中腐蚀疲劳、疲劳裂纹扩展速率、应力腐蚀断裂韧性的影响研究;


    ②加工工艺对钛合金管材织构类型( 径向织构、轴向织构) 以及织构类型对管材加工工艺( 扩口、压扁、爆破) 性能的影响;


    ③Pd、Ru微量元素对钛合金在H2S、Cl-环境中耐蚀机理的研究;


    ④钛合金在辐照环境下的拉伸、疲劳性能评价;


    ⑤耐蚀钛合金不同焊接形式的焊接变形控制和矫正研究;


    ⑥耐蚀钛合金新型近净成形技术的研究与评价。

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