钛在海军装备—潜艇上的应用与展望

董洁 李献民 姜忠林 刘立 赵普

(宝钛集团有限公司,宝鸡721014)

 要:钛以高的耐海水腐蚀性能、高比强度、高抗冲击性能、优良的可塑性、加工成型性、无磁性、可循环使用等特性,可很好的满足人们在海军装备,特别是潜艇应用的要求。本文概述了国内外海军装备潜艇用钛的应用举例,并简述了海军装备用钛的主要问题及展望。

关键词:钛;海军装备;实用性;现状;举例

Titanium naval equipment - Application and Prospect on submarines

Dong Jie   Li Xianmin   Jiang Zhongli  Liu Li   Zhao Pu

(Baoti Group Ltd., Baoji, Shaanxi, 721014)

Abstract: Titanium with high resistance to seawater corrosion resistance, high strength, high impact resistance, excellent plasticity, formability, non-magnetic, reusable and other characteristics, can be very good to meet people in naval equipment, especially submarines application requirements. This article provides an overview of the domestic and foreign naval equipment - submarine current development application and application examples of titanium and naval equipment outlined the main problems with titanium and its prospects.

 

Keywords: titanium; naval equipment; practicality; the status quo; for example

 


1、前言

当前的海军装备发展十分迅猛,每个国家都把先进武器装备作为最重要的国防战略之一。而每种先进武器的诞生都离不开新材料的应用,随着对海军装备的要求越来越高,例如钢、铁、铝、镁等金属及其合金在很多领域已经不能满足要求,钛及其钛合金以其良好的耐海水腐蚀性能、高比强、无磁性、透声、抗冲击、可加工性(包括铸、锻、焊接)好的特点优势正在逐步进入更多的海洋装备、军事领域。满足了当代军事对武器装备的轻量化,高性能化的要求。正日益受到船舶及海洋工程装备的关注,被称为“海洋金属”1

    潜艇作为“海军装备”的核心,是战略核力量的中坚,具有举足轻重的作用。下潜深度是核潜艇一项重要的战术技术要素,核潜艇加大潜深具有以下作用:一是可减少被反潜飞机上磁探仪发现的可能,而且钛合金又具有低磁性的优点,更是适合建筑潜艇的材料;二是________________________

 

作者简介:董洁,女,高级工程师,陕西宝鸡721014,电话:0917-3258038E –mail dongjiecool@163.com

可利用水面舰艇声呐在深海的盲区,避开水面舰艇的搜索;三是可延缓螺旋桨空泡的出现,从而降低螺旋桨噪声;四是在遭敌深水炸弹攻击时,具有更长的机动时间,降低了潜艇被深水炸弹命中的可能;五是可以扩大潜艇坐沉海底的范围,以及通过反潜区的可能性。另外,用钛合金制造艇体,可以大大减轻艇的排水量2。钛合金与特制钢相比,具有强度大、质量轻的明显优点,并且更耐海水3

钛及钛合金的大量使用,可以大幅降低海军装备的结构重量,实现高机动性,保障海洋装备的高可靠性和安全性,实现同寿命服役。极大降低海军装备的维护时间和成本,保障装备战斗力。钛合金是保障舰艇装备性能和战术水平的重要支撑材料,海军装备钛合金是海洋强国战略的必然选择。因此,发展海军装备---潜艇用钛最有重要的战略意义。


2钛在海军装备---潜艇中的应用及举例

钛是海军装备最有应用前途的金属材料,被世界各国广泛应用于水面舰艇、水下潜艇、深潜器、水中兵器、通讯设备等领域。在核潜艇中的冷凝器、热交换器、声纳导流罩、通海管路系统、波纹管等都采用钛材。常规潜艇(636, K877)中的耐压壳体、柴油机燃气排出系统、声纳导流罩、通海管路系统、波纹管、泵、阀也都大量应用钛材4。其经过了北极、南极、赤道、太平洋、印度洋、大西洋的全球海域航行,解决了设计许用应力、安全系数选取等问题。美国、日本多种潜艇的喷水推进装置上也都使用钛材,有效地克服了采用铜合金在航行时切割地球磁力线而产生较大感应电流的不利影响。

2.1 潜艇和深潜器的耐压壳体

当潜艇结构已定时,潜艇的极限下潜深度与壳体材料的屈服强度和壳体厚度的乘积成正比。用加厚压力壳的办法增加下潜深度,会减少潜艇的有效载重量,若保持其有效载重量,则会使潜艇尺寸增大到实际不能使用的程度,因此必须考虑使用更高比强度的材料。在几种目前可用于潜艇壳体的材料中,钛合金的性能最好(具体比较见表1)。表1表明钛合金用作潜艇和深潜器耐压壳体材料是非常有利的。


1  几种深潜艇耐压壳体材料的性能

            材料

 

性能

钛合金

高强度钢

铝合金

Ti-6Al-4V

低氧级

Ti-6Al-2Nb-

1Ta-0.8Mo

NS-90

10Ni-9Co

7079-T6

密度(ρ)(克/厘米³)

4.42

4.49

7.85

7.85

2.8

弹性模量(E(公斤/毫米³)

11500

12000

21000

21000

7280

屈服强度σ0.2(公斤/毫米²)

84

70

90

120

42

比强度(σ0.2/ρ)

19.0

15.6

11.5

15.3

15.0

比刚度(E/ρ)

2.600

2.670

2.675

2.675

2600

刚性指数(E1/³/ρ)

5.09

5.10

3.52

3.52

6.86


    目前深海调查船和潜艇上的耐压壳体一般均采用钛合金制造。美国、法国、日本都在不同程度上用钛做耐压壳体。美国在20世纪60年代建造而后经过改造的可潜6100mSeacliff深潜器,其耐压壳使用了Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo新合金;法国建造的SM97耐压壳使用了Ti-6Al-4V合金;日本建造的6000m级深海考察船的耐压壳使用了Ti-6Al-4V合金;前苏联从20世纪60年代中期开始,先后共生产了6~7艘双层高压壳的“阿尔法”级全钛潜水艇,一艘潜水艇需要3000t厚钛板5。表2列举了钛制耐压壳体的应用实例。

2  钛在潜艇和深潜器的耐压壳体应用举例

国家名称

潜艇或深潜器名称

耐压壳体材料

美国

潜6100m级Seacliff深潜器

Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo

日本

潜6000m级深海考察船

Ti-6Al-4V

法国

潜6000m级SM97深潜器

Ti-6Al-4V

前苏联

“阿尔法”级全钛潜水艇

低氧Ti-6Al-4V

前苏联

“台风”级的钛制核潜艇

低氧Ti-6Al-4V

俄罗斯

988型多用途核潜艇

低氧Ti-6Al-4V

2.2 螺旋桨、螺旋桨轴和喷水推进装置

铸造钛合金具有高比强、高腐蚀疲劳抗力和良好的抗空蚀能力(见表3),是理想的螺旋桨,特别是超空泡螺旋桨材料。钛合金螺旋桨重量轻,推进效率高,寿命长。


3  螺旋桨材料的机械性能

                    性能

合金

抗拉伸强度σb

(公斤/毫米²)

屈服强度σ0.2

(公斤/毫米²)

伸长率δ

%

腐蚀疲劳强度

(公斤/毫米²)

铜合金

锰铁黄铜55-3-1

47

17

20

8.5

铝镍铁青铜9-4-4

60

22

16

18

钛合金

Ti-6Al-4V

96

83

11

35

美国已在多种舰艇上使用钛合金螺旋桨。如50吨研究型猎潜艇使用了直径812.8毫米三叶片可拆式超空泡钛合金螺旋桨。大型军用水翼艇“普兰维尤”号使用了直径1.52米、四叶片可拆式超空泡钛合金螺旋桨(桨重337公斤,材料为Ti-6Al-4V)。“阿希维尔”号高速炮艇使用了四叶片变螺距钛合金螺旋桨。SES-100B试验艇使用了6叶片、超空泡、可调螺距钛合金螺旋桨(Ti-6Al-4V)。苏联、英国六十年代亦制成铸造钛合金螺旋桨。我国1972年研制成功Ti-6Al-4VTi-5Al-2.5Sn钛合金水翼艇螺旋桨,至今已下有十多只钛桨装船使用6。多年实船使用的结果表明:钛合金螺旋桨强度高、韧性较好、耐空泡腐蚀性能好、寿命超过铜合金桨三倍以上,重量仅约为铜合金桨的1/2且维护保养容易。

舰艇喷水推进装置对材料的要求与螺旋桨相同,钛合金是优秀的候选材料。美国SES-100A试验艇的喷水推进装置已使用了工业纯钛铸件、Ti-6Al-4V合金锻件。螺旋桨轴用钛合金制造,轴径和重量可明显减小。日本鱼雷艇“PT-10”号,原用钻青铜轴,轴径95毫米,改用工业纯钛或Ti-6Al-4V合金制造,保持危险转速(1560/)不变,轴径可分别减至85毫米和75毫米,重量减轻500公斤和600公斤。

扫雷艇的螺旋桨和轴目前多用铝青铜和高强度黄铜制造,铜合金虽无磁性,但固电阻小,航行时切割地球磁力线产生的感应电流大,对扫除磁性水雷不利,因而最好使用高电阻非磁性材料,钛合金无磁性且电阻大,是很好的候选材料(见表4)。美国已使用钛合金扫雷艇轴。日本的小型潜艇己使用了轴径20-30厘米、长6米、重100公斤的钛合金螺旋桨轴。

4  几种螺旋桨轴材料的比电阻

材料

比电阻(微欧/厘米/厘米²)

钛合金

153-198.6

铝青铜

55.0

18-8不锈钢

72.0


2.3 热交换器和冷凝器

钛对清洁、污染和含砂的静水和动水均有优秀的抗蚀能力。允许采用高冷却水速和薄壁冷凝管,提高传热能力,减小冷凝器重量。钛管的境膜附着性小,液体在钛表面呈珠状凝缩。钛比铜的凝缩速度大29.3%以上;比304型不诱钢的凝缩速度大35%;比316型不锈钢的凝缩速度大17.5%以上,凝缩速度高,也对传热有利,钛管的清洁系数高于铜合金管。上列因素使钛虽然导热系数低于B30铜合金,但传热效率却与B30相等或略高。同时钛管的避振裕量也高于B30管(见表5)。表6了各种材料的冷凝管的综合性能。


5  工业纯钛与B30铜管的避振裕量

             性能

材料

弹性模量

(公斤/厘米²)

带水管单位长度重量

(公斤/厘米)

自然振动频率

(次/分)

避振裕量

%

B30管(φ16×1.4毫米)

15000

0.00712

7782

41.4

TA2管(φ16×0.75毫米)

10500

0.00348

8155

48.2

6 各种材料的冷凝管的综合性能比较

          材料

项目

工业纯钛

铝黄铜

B5TF3

70/30CuNi

(CNTF3)

污染海水

用铜合金

TTH35W

KS50

尺寸(外径×壁厚),毫米

25.4×0.5

25.4×0.7

25.4×1.245

25.4×1.245

25.4×1.245

横截面积,毫米²

39.1

54.3

94.7

94.7

94.7

通流面积,毫米²

467

452

412

412

412

纵向弹性常数,公斤力/毫米²

10850

11700

15400

11600

比重,克/厘米³

4.51

8.4

8.94

8.8

线膨胀系数,卡/厘米/

9×10-6

18.4×10-6

16.2×10-6

18×10-6

导热性,卡/厘米/

0.041

0.24

0.07

0.15

抗拉伸强度,公斤力/毫米²

35-52

38

36

38

总传热系数,卡/厘米/

2862

2664

3190

2700

3100

有效胀接长度,毫米

25

25

21

21

21

拉脱强度,公斤力/毫米²

0.19

0.27-0.3

0.6

0.6

0.6

管对管板的胀接力,公斤力

450

530-630

800

800

800

失稳强度(自由长度1米)公斤力

315

431

285

/

285

中心挠度(充水),毫米

0.25

0.202

0.20

0.15

0.20

潜艇冷凝器水室封头承受潜艇沉浮形成的低周疲劳应力和海水的腐蚀作用,要求材料具有较高的综合性能。水室封头使用钛合金比645-Ⅲ钢/B30衬里组合材料和645-Ⅲ钢/B30爆炸复合材料具有高得多的疲劳强度和安全可靠性;与Monel 400合金比较,因钛合金强度高,可减薄厚度,而大大减轻了重量。表7列举了几种水室封头材料的性能。

7  冷凝器水室封头材料的性能

       性能

材料

抗拉强度σb

(公斤/毫米²)

屈服强度σ 0.2  (公斤/毫米²)

伸长率δ(%

断面收缩率ψ(%

冲击韧性αk

(公斤米/厘米2

B30板(h>40毫米)

≥35

/

≥18

/

/

645-Ⅲ钢

≥80

≥55

≥15

≥45

≥9.5

Monel 400

49-63

17.5-35

35-60

/

/

Ti-4Al钛合金

≥70

≥60

≥13

≥25

≥6

英国海军1966年建成舰艇辅机系统用钛热交换器,并已进行海上试验。英国横渡英吉利海峡的“自由企业家”Ⅲ-Ⅶ渡船都使用了钛板式热交换器。瑞典阿法---拉伐有限公司自1962年生产第一台钛板式热交换器装于远洋海轮,至今已有7000多台装船使用。日本1.6万吨大型油船No.914在七十年代末于主透平冷凝器上部分换用钛冷凝管。该船至今安全航行于波斯湾、非洲和南美海域。俄罗斯在热交换器上也广泛采用了钛合金。表8列出了俄罗斯自1962年以来各种类型的热交换器成功运行的情况。各种型号的舰艇用钛制热交换器,俄罗斯已经达到了完全商业化得水平7

8  1962年以来钛合金热交换器应用情况

设备类型

应用型号数

交换器总数

已服役期/

舰艇热交换器

18

6300

25~35

核动力船蒸汽发动机

6

2900

20~35

核电站热交换器

12

60

5~25

2.4 耐海水腐蚀的管系、阀门和设备

钛用于海水管系和阀门可减小管径和提高水速,延长使用寿命。一个试验性的全钛管系,在6/秒的水速下使用36个月,无任何可见的变化,而锡青铜阀和70/30铜镍合金管,在4.5/秒水速下,使用15个月,阀和管皆穿孔。美国的一些潜艇上,己用铸造Ti-6Al-4V合金球阀代替蒙乃尔合金球阀,结果良好。日本“亲潮”号潜艇原用外径19毫米、壁厚2.7毫米的双金属管制造冷却电池用的清水冷却器,改用壁厚1毫米的钛管即满足使用要求,使冷却器的重量和体积都减少一半以上。

2.5 动力机中的应用

在核动力工程中采用全钛核动力蒸汽发动机可以提高寿命10倍以上。表9给出了自1970年以来俄罗斯核动力船蒸汽发动机的数据。从表9可以看出,核动力蒸汽发动机的使用寿命与船的服役寿命是等同的8

9  1997年俄罗斯核动力钛蒸汽发动机的运行数据

船号

蒸汽发动机开始运行日期

已运行时间/

列宁号

1970

20

北极号

1974

25

俄罗斯号

1985

12

苏联号

1989

8

美国潜艇的AT-497/U鞭状天线,是一长3.66,底面直径7.62毫米,顶端直径2.54毫米的锥形棒。原用17-7pH不锈钢,寿命不到6个月。改用Ti-7Al-4Mo合金制造后,寿命超过设计指标(106循环),满足性能要求。

2.6 声学装置的零部件

钛合金比强度高、热膨胀系数小、电阻高、透声性能好等特点,使其在声学装置上获得了应用。日本已生产潜艇用速度型球状传声器、听潜器、船用电话零件等。英国亦用钛作换能器零件。前苏联607A型飞航导弹核潜艇的声纳导流罩就采用了钛合金,使用效果比较理想。我国因军用及商用目的的购置的K877艇、K636艇、956艇、“明斯克”航母、“基辅”号航母,它们的声纳流罩都是采用钛合金制造的。在实际使用情况下,钛合金的透声性能优于玻璃钢和不锈钢,并已制成试验罩进行了试验,获得了满意的结果。

3、 海军装备用钛的主要问题及发展展望

综观大局,我国海军装备用钛金属材料起步晚,钛合金品种、规格不完善.加工和制造技术也相对落后,目前仅局限应用于声呐导流罩、舷侧阵透声窗、进排气管路、少量阀门及管路附件等专用结构的制造。同美、俄、日等海洋强国相比,在应用领域、基础研究、钛材生产技术、设计与应用技术及相应配套技术等各个环节。大体有15-30年的差距。

为从根本上解决我国海军装备用钛合金落后的局面,全面提升我国海军装备,特别是潜艇装备的性能和水平。需加强顶层设计和统筹规划,提出用钛的新思路和新路线;积极开展海军装备用钛合金材料及应用技术的研究和基础研究等,为全面提升我国海军装备的技术水平做出应有贡献。我国钛合金材料技术未来应主要向低成本、提高综合性能、可靠焊接、复杂制造、推广应用、完善材制体系等方向发展。

 

 

参考文献

1】蒋成禹,中国材料进展,2010.29525-29

2】查友其,中国舰船研究,2012.533-37

3】孟祥军,舰船科学技术,2001.25-8

4Schutz R W. Materials Science and Engineering1998. A243.305-315

5】宁兴龙,钛工业进展,2003.20628-31

6Pat Hoyt. Welding Journal2006. June. 62-64

7Talkington J. Journal of Ship Production2002.18154-63

8】俞铭华,中国造船,2005.4645-8