深水工程Ti31、Ti75、TC4、Ti80鈦合金的介紹及應(yīng)用

一、Ti31、Ti75、TC4、Ti80鈦合金棒、鈦鍛件

近幾十年來,鈦材在海水淡化叫、海洋考察與救生用的深潛器、海洋石油開采中平臺與鉆具器件“”、核電站與海洋溫發(fā)電設(shè)備等方面有了很好的應(yīng)用。實踐已證實鈦材在海洋工程中的應(yīng)用,充分展現(xiàn)其優(yōu)異的綜合性能。本文就我國多年來自行開發(fā)與研仿的幾種海洋工程用鈦合金—Ti31、Ti75、TC4、Ti80鈦合金棒、鈦鍛件的品種、規(guī)格與海洋工程環(huán)境的適應(yīng)性、機械加工時的可成形性、可焊接性以及應(yīng)用狀況,作一簡要敘述。為我國海洋工程設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計選材提供可靠的信息。

二、Ti31、Ti75、TC4、Ti80鈦合金性質(zhì)與海洋工程環(huán)境的適應(yīng)性

1、i31、Ti75、T80、TC4合金的物理、力學(xué)性能

在下面研究中表1、表2列舉了Ti31、Ti75、Ti80、TC4四種合金材料的物理和力學(xué)性能

從上表1、表2可以看出這幾種金屬密度小、相變點高、電阻率大、線膨脹系數(shù)小、彈性模量只有鋼材的一半，但拉伸強度高、沖擊韌性好。

2、幾種鈦合金耐海洋介質(zhì)的適應(yīng)性

鈦合金在海洋大氣及海水介質(zhì)中,其表面很容易產(chǎn)生致密的氧化鈦膜而鈍化,大大地提高了鈦的穩(wěn)定性,在海水介質(zhì)中浸泡,其腐蝕速率近于0,如表3所示。在低于100℃海水中,縫隙腐蝕速率也很低,尤其是Ti31合金耐縫隙腐蝕可達180℃(海水),這些特點非常有利于換熱器等設(shè)備的使用。

由表3所測得腐蝕數(shù)據(jù)看,上述幾種鈦合金非常適應(yīng)海洋介質(zhì),是優(yōu)良的海洋工程材料。

3、幾種鈦合金材料的可成形性與可焊接性

從材料制成機械產(chǎn)品,其加工工藝種類繁多,其中成形工藝與焊接丁藝的應(yīng)用最為普遍,因而材料的可成形性與可焊接性成為材料在產(chǎn)品制造中的重要工藝性能。

3.1幾種鈦合金的可成形性與溫度——變形塑性圖

固態(tài)金屬成形是在外力作用下,使金屬材料產(chǎn)生預(yù)期的塑性變形,以獲得所需形狀尺寸和力學(xué)性能的毛坯或零件的加工方法,在機械工業(yè)中,這種成形藝主要是鍛造和板材沖壓。成形必須具備基本條件,即被成形金屬具有可成形性,也就是在受外力作用下,可改變自己的形狀而不產(chǎn)生破裂。鈦合金與鋼、鋁、銅合金不同,在室溫條件下由于斷裂強度與屈服強度差小,變形抗力大、塑性低,因而成形性較差,但是金屬材料的成形塑性是與溫度相關(guān)的,鈦合金在加熱過程中,隨著溫度的升高,變形抗力下降,而塑性大增。圖1是Ti31、Ti75、Ti80、TC4鈦合金的溫度-變形塑性圖由該圖表明,這幾種鈦合金冷變形性能較差(低于再結(jié)品溫度以下成形、但熱變形性能好,合金隨溫度的升高,合金中塑性高的B相增多,當(dāng)B相達到50%時,在低速變形條件下出現(xiàn)超塑性(圖1),成形性能非常好。

3.2幾種合金的可焊性與焊接接頭性能

金屬的焊接是機械制造業(yè)中最主要的連接方法,也是造船[業(yè)中最重要最關(guān)鍵的L藝之一,因此,金屬材料焊接性的優(yōu)劣是致關(guān)重要的。所謂金屬材料的可焊接性,一般指在某種焊接方法下得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力,通常把焊接時的抗裂性和接頭的性能作為重要的評價指標(biāo)。表4列舉了Ti31、Ti75、Ti80、TC4鈦合金的抗裂性合金焊接能。

從上表中可以看出Ti31 Ti75 Ti80 合金鎢極氬弧焊接，焊接抗裂性非常好，焊接接頭強度與母材一致，可達到系數(shù)為1，TC4合金的焊接抗裂性比前三種合金稍差。

4應(yīng)用事例

4.1深潛器耐壓球殼及構(gòu)件

在深潛器耐壓殼體的應(yīng)用方面美國開展的比較早,如Aim科研深潛器,1973年改建時將耐壓殼體換成鈦合金(板厚49mm),代替1964年建造時采用的HY0高強鋼(板厚38mx,下潛深度從200m增加到3600m.它的輔助箱及高壓空氣容器也采用T-6lVE鈦合金建造。1981年和1982年建造的“海崖”號深潛器裝備了鈦的觀察艙和操縱艙,下潛深度可達600m。由此也可以看出,大深度深潛器的殼體材料發(fā)展趨勢也是用鈦合金。我國目前也在用鈦合金研制深潛器的壓

艙和浮力球等部件。

4.2換熱器

在海洋工程中,熱交換器的應(yīng)用最廣泛的采用鈦合金。俄羅斯自1962年以來各種類型的熱交換器建造并成功運行六千多臺,已經(jīng)達到了完全商業(yè)化的水平。我國也成功的運用鈦合金生產(chǎn)了多臺船用熱交換器,并成功的運行在船上。

4.3閥門

船上的泵、閥及管子,由于工作介質(zhì)為海水,對材料要求耐海水腐蝕性能好。有的泵,工作條件非常惡劣,如造水系統(tǒng)的往復(fù)式鹽水泵,介質(zhì)為高度濃縮的鹽水。以前泵內(nèi)的柱塞、閥、閥座等采用1Crl3不銹鋼制造,并在表面鍍鉻。使用時間不長,就銹蝕嚴(yán)重,須經(jīng)常更換。用鈦合金更換后不再存在維修問題

4.4緊固件

緊固件是機械基礎(chǔ)件的重要組成部分,俗稱"工業(yè)之米”,在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用,緊固件包括螺釘、螺栓、螺母、墊圈、銷、鍵、擋圈等產(chǎn)品。隨著鈦合金設(shè)備、結(jié)構(gòu)、管系、法蘭,各型泵、閥等在海洋上的廣泛應(yīng)用,鈦合金緊固件在海洋工程上的應(yīng)用也有較大提高,特別是在艦船上的應(yīng)用更為廣泛。如我國某艇通海管道用螺栓已采用Ti80鈦合金和TC4鈦合金,螺母采用TA5合金,墊片采用TA2鈦棒。我國近幾年引進的多條各型艦船,其上面的鈦設(shè)備用緊固件大都采用鈦合金,從實船考察發(fā)現(xiàn)鈦合金緊固件經(jīng)過幾十年的海水浸泡,其表面沒有產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。所以采用鈦合金緊固件可以解決耐海水腐蝕、異種材料間的電化學(xué)腐蝕等問題,并可大大提高螺栓的使用壽命、并減輕設(shè)備重量,

5.結(jié)論

5.1鈦合金由于比強度高,比韌性好、耐海水腐蝕特別是耐海水中的氯離子腐蝕,是海洋工程應(yīng)用中的優(yōu)秀材料,又被譽為“海洋金屬”,應(yīng)該在海洋工程中大力推廣應(yīng)用。

5.2我國多年來自行開發(fā)與研制的Ti31、Ti75、Ti80、TC4鈦棒四種海洋工程用鈦合金材料的物理、力學(xué)、耐海水腐蝕性能,以及其可成形性、可焊接性非常良好,部分材料已經(jīng)在船上成功應(yīng)用.可以進一步推廣