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        鈦合金在艦船的應用及其腐蝕防護

        2018/3/15 8:16:57點擊:

              艦船是海軍最重要的裝備,是海上運輸、戰斗的平臺,用于建造艦船的材料要能耐海水、海洋大氣的腐蝕,比強度高,塑韌性及加工工藝性好。由于艦船整體結構復雜,所使用的材料量大,且品種、規格多。選擇性能優異的材料制作軍艦是保證海軍裝備完整性和先進性的基礎。

          鈦合金在艦船上得以應用,主要是基于鈦合金的以下特性:很寬的強度范圍,優異的機械性能,獨特的物理性能(包括磁性能),較高的比強度和結構有效性,優異的耐腐蝕性能和耐沖刷腐蝕性能,優良的抗沖擊性能,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經驗證實,管路系統中傳統材料的使用壽命是有限的,其中,鋼管路系統使用1. 2~2年后會發生腐蝕,CuNi管路系統使用壽命為6~8年,而鈦合金管路系統中的管、泵、閥、熱交換器等設備可服役40年以上。由于船用鈦合金需在海洋環境中長期服役,設計船用鈦合金時需綜合考慮合金的強度、應力腐蝕斷裂韌性、可焊性等。

          俄羅斯是世界上研制和使用船用鈦合金最早的國家,也是船用鈦合金使用范圍最廣泛、數量最多的國家。主要包括PT-7M、PT-1M、PT-3V、37、5V鈦合金及其相應的焊絲,并形成了490、585、686、785 MPa等不同強度級別的船用鈦合金產品。,鈦合金已被成功應用于艦船上的以下部件及設備中:深水立管、補給管、泵、過濾器、通海管路、飲用水管、鉆井管和地下水管路、熱交換器、柴油機獨立消防泵和滅火系統、深水設備殼體、外井系統柔性管、壓力容器、平臺緊固接頭的高強柔性拉伸部件、工藝溶液的管系和容器等,并相繼在前蘇聯系列核動力破冰船“列寧號、”北極“號、”俄羅斯“號、”蘇聯“號和其他型號的艦船上使用。前蘇聯系列核動力破冰船上的鈦制蒸汽發生器,已安全使用20~40年,并且未發生任何嚴重破損。

          美國船用鈦合金主要以航空用鈦合金為基礎,選取了在海水腐蝕環境下具有耐蝕性、可焊性和抗應力腐蝕性的鈦合金,包括純鈦、Ti-0. 3Mo-0. 8Ni、Ti-3Al-2. 5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。此外,針對船用鈦合金的特點,還研制了Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0. 8Mo-0. 1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0. 8Mo等其他船用鈦合金。艦船上使用高性能鈦合金對于提高艦船的移動性、穩定性、有效性,減輕船體質量等都具有顯著的作用。美國海軍在20世紀90年代曾對以下艦船進行認證考核,包括:核動力航母(CVN)、導彈巡洋艦(CG-47)、導彈護衛艦(FFG-7)、探測船(MCM)、水陸兩棲登陸艇(LSD41CV)、登陸船、氣墊船(LVCA)、水陸兩棲強擊登陸船(LHD)、快速作戰軍需品補給船(AOE-6)、雙層殼體監視船(SWATH T-AGOS19)、海岸探測船(MHC-51)、導彈驅逐艦(DDG-51)。這些艦船的海水冷卻系統、海水系統和滅火系統、結構件、推進器、污水處理系統、電器元件、緊固件等,均已使用或即將使用高性能鈦合金。

          中國船用鈦合金的研究與應用始于20世紀60年代,經過幾十年的發展,已形成較完整的船用鈦合金體系,能夠滿足艦艇、潛艇和深潛器對不同強度級別的要求。應用領域涉及船體結構、推進系統、電力系統、電子信息系統、輔助系統、特種裝置等。按屈服強度等級劃分,即屈服強度在490 MPa以下為低強鈦合金,具有優異的塑性;490~790 MPa為中強鈦合金,高于790 MPa為高強鈦合金,主要用于船舶動力工程中的耐熱耐蝕部件和船舶特種機械等。

          日本船用鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI,主要被應用于深潛器的耐壓殼體及各種民用游船、漁船。

          使用中存在問題及解決方法3. 1縫隙腐蝕

          腐蝕問題:艦船中使用的可拆卸連接件(法蘭、螺紋連接等)等部件存在較小縫隙,縫隙內會存在具有侵蝕性的高濃度氯離子和氟離子,這就要求鈦合金在海水環境中具有良好的抗高溫縫隙腐蝕能力。鈦合金熱交換器和海水淡化設備內,工況環境為90~250℃、介質pH值為1.5~4.0(尤其是在鹽和煤油狀沉積物處),其縫隙腐蝕是非常致命的。

          防腐措施:

          (1)在鈦合金中添加Pd、Ru元素可有效改善鈦合金的耐縫隙腐蝕性能。

          (2)在鈦合金表面進行含Ru/Pd的表面處理,例如在鈦合金表面滲入Ru/Pd 元素或者進行微弧氧化在鈦合金表面形成含Ru/Pd元素的氧化物。為減少表面處理的成本,也可以在鈦合金表面制備含Ru/Pd元素的梯度涂層。

          (3)采用陰極保護技術保護鋼結構時,電位在-800 mV~-1050 mV之間,避免產生氫過飽和導致鈦合金出現氫致開裂。

          3. 2電偶腐蝕

          鈦與鋼、銅連接時極易出現電偶腐蝕,防護措施包括:

          1、管材進行熱氧化、微弧氧化、陽極氧化,在金屬表面形成氧化層或陶瓷層以實現絕緣。對鈦管進行氧化處理,形成的氧化膜可降低鈦合金陰極極化效應80%~90%,氧化膜壽命等同于鈦管壽命。

          2、在管材、閥嘴與鋼、銅設備接觸的界面處用瀝青質橡膠(12910, 25.00, 0.19%)進行絕緣處理;

          3、在鈦管與不銹鋼噴嘴連接處進行中間凸緣保護。

              3. 3大型結構件的焊接腐蝕

          防護措施包括:

          1、艦船上使用的殼體、高壓壓力容器、拉伸部件等大型結構件基于耐壓性能要求需要使用高強鈦合金,并且要求高強鈦合金厚壁焊接件的連接在海水中要有極好的可操作性,焊后無須進行熱處理。

          2、美國和歐洲采用TC4鈦合金和低間隙TC4鈦合金(氧含量控制在0. 13%以內);俄羅斯普羅米修斯結構材料中央研究院研發了PT-3V、37、5V船用鈦合金;中國研發了TA24、TA31鈦合金。

          3、對于大型結構件,焊接后不能進行熱處理,而表面存在拉伸應力,大大降低鈦合金構件耐腐蝕和抗疲勞性能。可對焊接件表面進行超聲沖擊處理,將焊接件表面拉伸應力轉變成為壓應力,以利于疲勞性能的提高。

          中國船用鈦合金的發展展望

          對于材料研究來說,中國船用鈦合金還需開展鈦合金在海洋環境中的性能研究,包括:

          ①工況環境(溫度、pH值、溶液成分)、受力方式(自由狀態、反向彎曲、扭轉)、交變載荷對鈦合金在空氣和海水中腐蝕疲勞、疲勞裂紋擴展速率、應力腐蝕斷裂韌性的影響研究;

          ②加工工藝對鈦合金管材織構類型(徑向織構、軸向織構)以及織構類型對管材加工工藝(擴口、壓扁、爆破)性能的影響;

          ③Pd、Ru微量元素對鈦合金在H2S、Cl-環境中耐蝕機理的研究;

          ④鈦合金在輻照環境下的拉伸、疲勞性能評價;

          ⑤耐蝕鈦合金不同焊接形式的焊接變形控制和矯正研究。

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