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鈦合金在潛艇制造上的問題（上篇）
作者：admin
發(fā)布時間：23-11-09
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艦船用結(jié)構(gòu)可焊接鈦合金的科學(xué)基礎(chǔ)。鈦應(yīng)用在海洋領(lǐng)域的合理性是基于其優(yōu)異的耐海水腐蝕性能，無磁（順磁），好的焊接性能，無冷脆性，對低循環(huán)和高循環(huán)載荷以及海水侵蝕具有高的抵抗力，在溫度達(dá)350℃時具有應(yīng)變硬化，有代表性的就是使用海水的熱交換器，能夠通過優(yōu)化化學(xué)成分來提供高的腐蝕-機(jī)械強(qiáng)度，碳?xì)浠衔锃h(huán)境中的耐火性，優(yōu)良的加工性能。所有這些特性使得成為海洋工程、化工、核能領(lǐng)域的優(yōu)選材料。
鈦合金用于海洋工程的另一個重要的特點是在長的壽命周期內(nèi)具有廣泛的操作條件（不僅是應(yīng)力狀態(tài)，還有溫度區(qū)間）。還有一個不得不提的原因是鈦合金規(guī)格尺寸的多樣性——從箔到重8噸截面800毫米的鍛件，鑄件，不同直徑和壁厚的管件。
特別重要的是航空航天系統(tǒng)用鈦合金不適用于造船領(lǐng)域，需要建立海洋工程用鈦合金材料體系。
海洋工程用鈦合金具有以下特點：
可焊性，無熱影響脆性區(qū)，無需焊后熱處理；
艦船用鈦合金的尺寸比航空航天用要大很多倍，因此，大型零件的性能必須滿足設(shè)計要求；
合金和他們的焊接接頭在海水中應(yīng)用時應(yīng)耐腐蝕，同時應(yīng)避免異種材料連接時發(fā)生接觸腐蝕；
用于艦船的鈦合金不容易發(fā)生延遲斷裂，應(yīng)該耐腐蝕開裂。
以上特性取決于合金的化學(xué)成分，普羅米修斯中央結(jié)構(gòu)材料研究院成為世界上第一個研發(fā)了專用的海洋工程用鈦合金以及其加工制備技術(shù)的單位。
鈦合金用于深海裝置及大型結(jié)構(gòu)件的很多科學(xué)問題，在研究之初就面臨很多困難。
第一個困難就是可焊鈦合金在海洋應(yīng)用時發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂問題。
鈦合金中的腐蝕開裂是由于裂紋尖端的局部陽極溶解而發(fā)生的，以及裂紋邊緣的陰極表面吸收氫離子，然后氫氣向上擴(kuò)散到頂點處的應(yīng)力最大區(qū)域以及裂紋尖端附近區(qū)域中形成氫化物。
這些過程每一個都取決于合金成分和熱加工類型，海水介質(zhì)的成分，應(yīng)力條件和原生表面的鈍化速度。
鈦合金極高的的腐蝕穩(wěn)定性和電化學(xué)惰性是由金屬表面上存在惰性無缺陷氧化膜引起的。
鈦合金的主要特征之一是在γ-α轉(zhuǎn)變過程中實際沒有相硬化，并且無法通過熱處理來獲得類似于鋼中的索氏體的結(jié)構(gòu)。因此，通過熱處理的方法來提高金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性是不可能的。
提高鈦合金加工材的強(qiáng)度可以有兩種途徑：1）增加合金化元素鋁、釩、鉬、鎢、碳及其他元素；2）通過多向熱塑性變形來細(xì)化組織。
因為用于海洋領(lǐng)域的鈦合金半成品外形尺寸會很大（400-600㎜），提供必須的冷卻速度來消除應(yīng)力開裂的傾向就變得非常困難，特別是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，這個問題更加突出。情況疊加在一起就是，當(dāng)要減小腐蝕開裂傾向時必須升高β穩(wěn)定元素的含量，但是這又會急劇增大熱影響區(qū)淬火現(xiàn)象，降低了熱影響區(qū)的塑性和增加了脆性。
因此，合金中穩(wěn)定元素的含量不能低于消除腐蝕開裂的量以及不能低于所有可能的線性能量焊接接頭熱影響區(qū)塑性和沖擊韌性劇烈降低的量。
為了解決這個問題，引用了鉬當(dāng)量，計算所有元素的對熱影響區(qū)開裂的影響：
[Mo]eq=[Mo]+[V]/1.5+[Nb]/3.6+[Ta]/5+1.25[Cr]+2.5[Fe]+1.7[Co]+1.25[Ni]
通過限制最高鋁當(dāng)量和鉬當(dāng)量，可以建立考慮這些因素下的海洋工程用鈦合金的元素組成區(qū)圖解（如圖1）。
圖1 海洋工程鈦合金體系合金化區(qū)間
現(xiàn)在已經(jīng)利用上述方法建立了高強(qiáng)易焊鈦合金體系，用于深?？萍辑h(huán)境、海洋油氣開采、原子反應(yīng)堆和其他目的。所有這些事實只是舉例說明了先進(jìn)鈦合金建立時產(chǎn)生的科學(xué)問題的一部分。合金成分的選擇不可能解決所有半成品和結(jié)構(gòu)件制備加工工藝時的問題，特別是考慮到他們結(jié)構(gòu)的特殊性、運(yùn)行條件、應(yīng)力狀態(tài)和探傷的方法。在制造海洋鈦合金時出現(xiàn)的問題可以擴(kuò)大其在海洋技術(shù)中的應(yīng)用范圍，但是，各種其他文章中也提出了，在決定使用鈦和基于它的合金制造海上結(jié)構(gòu)的部件或設(shè)備時，除了考慮到海洋條件中的特定行為外，還應(yīng)考慮更高的經(jīng)濟(jì)效率，同時降低維修和維護(hù)環(huán)境的成本，減少故障設(shè)備的更換次數(shù)，并節(jié)省許多其他項目的成本。
掌握鈦合金焊接結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的主要問題是隨著時間的推移可能會產(chǎn)生裂紋，它們甚至可能在焊接后500天就發(fā)生（它們的長度可以達(dá)到1米）。對這種裂縫性質(zhì)的研究表明，它們與鈦及其合金中氫和氧的含量超過臨界值有關(guān)。（表1所示）
表1 焊接成剛性框架的焊接樣品中裂紋的生成與氫含量的關(guān)系
國內(nèi)外常用的鈦合金化學(xué)成分對比如圖2所示：從中可以看出，我們合金中允許的最高氫含量明顯低于美國。氫含量的臨界值在0.008%時，焊接接頭裂紋在實際情況中不發(fā)生。這樣的氫含量可以安全保證避免延遲裂紋的產(chǎn)生。
海洋鈦合金的加工必須解決所有與海水接觸結(jié)構(gòu)腐蝕破壞的問題，無論運(yùn)行環(huán)境是在低溫還是高于100℃的高溫。
合金化，增加鈦的陽極鈍化性，在鈦中引入大量的合金成分（大于15和50 wt.％），這通常會從根本上改變合金的結(jié)構(gòu)，技術(shù)和性能。陰極合金化導(dǎo)致電極電位轉(zhuǎn)移到合金陽極特性不變的鈍化區(qū)域，需要在鈦中引入少量的陰極有效添加劑（0.1-0.4 wt.％）。這樣的合金化不改變合金和加工材、材料工藝和力學(xué)性能的獲得條件的原則，但應(yīng)用起來非常方便，雖然使用了相對昂貴的添加元素。
表2 俄羅斯和美國生產(chǎn)的鈦合金化學(xué)成分
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