鈦合金材料在艦船鑄件上的應用研究

引言

鈦是一種耐濕氯氣腐蝕的金屬材料，本身的質量較輕，且比強度較高，是一種很適合用在艦船、航空、醫療、汽車等領域的材料，但由于其提取過程對設備和環境的要求較高，且易被空氣氧化而不用保存，這諸多的原因造成了鈦的生產成本較高，對于工業化應用的材料而言，成本的高低在一定程度上可以決定金屬材料的應用范圍。鈦就屬于這種由于生產成本較高而使用范圍受到限制的金屬。國際上很多國家都加入到了對鈦合金的推廣應用中，不僅包括對鈦合金研究較早的俄羅斯、美國等，中國、日本也在如何擴大鈦合金的應用領域方面做了大量的研究。鈦合金是一種揚長避短的戰略技術。

隨著技術的發展，鈦合金鑄造工藝也不斷提升，鈦合金鑄件的需求和應用范圍也隨之得到不斷的擴大，鈦合金鑄件的類型由最初簡單的厚壁鑄件往薄壁化、大型化、復雜化的方向發展 [1] ，如何鑄造出機械性能良好、鑄造成型后易于處理的鑄件將是未來鈦合金鑄件的研究方向。鈦合金具有良好的耐腐蝕性，鈦合金鑄件在流動的海水中也具有良好的耐沖擊腐蝕性，所以是艦船鑄件的理想材料。鈦合金在艦船及海洋運輸行業中都有應用，主要集中在推進器軸、泵、閥門和其他的附件，這些以鈦合金材料的鑄件，不僅有優異的力學性能，且結構性能好，還具有耐腐蝕性，能滿足艦船長期在水中和潮濕環境中對其自身結構材料的要求。鈦合金鑄件有比較長的生命周期，相應的船的維修費用降低，船的使用期限變長，有很大的經濟價值。因此研究如何制得性能更優異的鈦合金鑄件依然是現在和未來的熱點和趨勢。

本文以鈦合金鑄造的泵為例，通過對鈦合金澆注前后化學成分的對比和室溫下力學性能的對比，來研究鈦合金材料在艦船鑄件上的應用。

1、鈦合金鑄件的性能

1.1 常用鈦合金鑄件的力學性能

鈦作為一種金屬，它的質量較輕，鈦及常規鈦合金的密度也較小，大概為 4.5 g/cm 3 ，造船所使用的鈦一般為工業純鈦、鈦鋁合金及鈦鋁釩合金等，不同合金的力學性能也有較大差異，表 1 為幾種鈦合金的力學性能比較 [2] 。

1.2 以 ZTi2 為材料制造艦船泵

對鈦研究較早的國家是俄羅斯，在研究初期，鈦主要應用在飛機上，可以作為飛機的發動機組件和機翼等，但由于鈦的成本較高，在一定程度上限制了鈦的應用。鈦合金的出現實現了鈦更廣泛應用的設想，隨著研究的深入，鈦合金也慢慢地被應用在艦船上。

鑄造技術的進步，也更進一步推進了鈦合金的發展，通過合適的鑄造工藝，鈦合金可以被鑄造成薄壁、結構較為復雜的組件。現在鈦合金鑄件在現在艦船、飛機及其他設備零部件上都有應用，常用的鈦合金鑄件如圖 1 所示。

由于鈦合金優良的耐腐蝕性能和力學性能，鈦合金可以按生產的實際需求被加工成滿足需求的各種的形狀的鑄件。泵在機械裝備中，都是極其重要的動力源泉，艦船作為一種大型的設備，更要求其動力設備有較好的壽命和質量。鈦合金在艦船上的最主要的應用之一就是制造鈦合金泵體。本文以 ZTA2 為材料加工鈦合金泵體。

選定材料后，根據要成型的鑄件的尺寸和結構特征選擇合適的澆注系統對鑄件的成型和質量也具有非常重要的影響。本文選擇的澆注系統為底注開放式，澆道包括直澆道和橫澆道，直澆道的半徑為 30 mm，橫澆道的橫截面為 40 mm 的正方形。根據要鑄造的泵

的造型，通過設計圖紙、選擇材料設計生產出合適的鑄型，本文選擇石墨材質鑄型。整個澆鑄系統要在真空環境下進行。在澆注之前，在真空環境中將鑄型加熱到 1 000 ℃下，并在此溫度下保留 3 h。所有的澆注完成后，將鑄件在熔爐中自然冷卻 3 h，在溫度冷卻至 250 ℃時將鑄件取出，此時根據需求還可以對鑄件進行打磨等工藝，實現小的微調。經過處理后，得到的鑄件尺寸和需求的一致，能完美的滿足需求。

對鑄件泵進行力學性能的測試，同時對 ZTA2 澆鑄前的試樣和澆注后的隨爐鑄件在室溫下按國標的方法進行化學成分和力學性能的測試，在化學成分的測試中，Ti 的含量在鑄件和基材中的一樣，并沒有在澆鑄過程中損失，其他元素的測試的數據和力學性能數據分別如表 2 和表 3 所示。

從表 2 的數據可看出，澆鑄成型后的鑄件中的Si，Fe，Mn，C，N 等元素的含量都大量的降低，其中 Si，Fe，Mn 是 ZTi2 的主要成分，C，N 含量的減少降低了鑄件的脆性，保證鑄件具有更好的性能。N、C 是 ZTi2 中的雜質組分，其含量的減少說明在澆鑄過程中，基材的質量得到提升。

表 3 中的力學性能數據說明，澆注成型的鑄件泵的力學性能與基材相比，力學性能都有所提高。我們將表 2 和 GB/T15073-1994《鑄造鈦及鈦合金牌號和化學成分》、將表 3 的數據和 GB/T6614-1994《鈦及鈦合金鑄件》進行對比 [3] ，比較之后發現，我們澆注得到的鑄件泵符合標準對鑄件的要求。

2、結論

1）鈦合金通過澆注工藝，可以制得多種結構的鈦合金鑄件。

2）鈦合金基材通過合理的澆注工藝，可以得到力學性能比基材高的鈦合金鑄件。

3）通過適當的澆注工藝，可以得到滿足國家相關標準的鈦合金鑄件。

參考文獻：

[1] LMAM M A, CHU H P, RATH B B. Fatigue properities of titanium alloy Ti-6Al-2Cb-Ta-0.8Mo [J]. Corrosion Engineering, 1999, 48(9): 597–602.

[2] 范玉利, 鈦合金鑄件在造船工業中的應用[J]. 艦船科學技術 1997, 19(2).

[3] 胡和平, 楊學東, 鄭申清. 鈦合金泵體鑄造工藝研究 [J]. 材料開發與應用, 2010: 35–37.