钛合金在美国海军船舰中的应用

  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。

  它山之石可以攻玉,了解钛合金在美国等国外舰船应用有利于我国提高船舰的性能,对钛合金在我国舰船上的应用起到借鉴作用。吸取其有益的经验,促进钛及钛合金在我国舰船上的应用及研发工作。

  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。

  连接技术项目: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。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。该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。国防预研规划局钛焊接中小企业创新基金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。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。

  为了支持美国PLD17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。此外,为了开发在CVN21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。

  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有钛合金强度更高、成本较低的Ti.5111(Ti-5A1.1V-1Sn-IZr-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-6A1.4V ELI钛合金。目前,Ti.5111合金已被加工成6~51mm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25.4mm和51mm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。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。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。

  钛及钛合金应用实例

  在LPD17两栖船坞运输舰上的应用:20世纪90年代中期,美海军决定在LPD17两栖船坞运输舰的2个主海水配管系统上使用了钛,全寿命期节省成本可达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,LPD17舰上约1000多个管件采用不同直径的2级纯钛管,总长度达11000ft(≈3353m)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LPD17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。

  在CVN21舰上的应用:质量和稳定性是CVN21舰设计的关键。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,CVN21舰大量采用钛建造结构件可实现减重达4000t。目前,美海军制造技术计划项目XIII正在试验探索CVN21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,并可显着提高经济效益,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。

  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40~50kn,可进行超过3500mile(约5633km)的长距离运输。根据航速和航程的要求,LCS必须要选择轻质材料。而复合材料、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,由于当时还没有现成的低成本钛,主要部件选择钛受到了限制。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。

  钛合金还需努力才能在舰船建造中成为重要的材料

  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,钛合金应用成本偏高,严重影响了美国在海军上扩大钛合金应用的进程。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合金应用的主要方向,也是其扩大钛合金应用的前提。

 

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