【连载】钛材料在海洋工程中的应用（四）-钛微媒
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美国在其高性能船舶的动力系统和海水管路系统中也较为广泛地采用了钛合金材料，表7 为美国海军1991 年发表的其舰船上各部位冷却系统使用钛合金材料的情况。
图7 美国舰船上各部位冷却系统使用钛合金材料的情况（1991 年）
在舰船推进系统方面，钛合金也发挥着越来越重要的作用。在美国海军水翼艇“普兰维尤”号上使用了直径达1.52m的四叶片螺旋桨，材料为Ti-6A1-4V 合金禔，桨重337kg。日本鱼雷艇“PT-10”号的喷水推进系统由青铜改为Ti-6A1-4V 合金后，尹惠熙在安全转速（1560r/min）不变的情况下，喷水推进器质量减少600kg。我国也于1972 年研制成功TC4 和TA7 钛合金水翼艇螺旋桨，浆最大直径达1200mm，重量130kg，其使用寿命为铜合金螺旋桨的5倍以上。在水面舰船用燃气涡轮发动机方面，美国也大量地使用钛合金材料董进宇，包括压缩机定子叶片、后定子外壳和压缩机转子叶片、磁盘以及线轴等，主要使用的钛合金包括Ti-64、Ti-6242 以及Ti-17 等高强和高温钛合金。表8 是美国于1991 年发表的相关资料，它显示水面舰船推进系统使用钛合金的情况卧底老板 。
表8 美海军舰船推进系统钛合金使用情况（1991 年）
日本在舰船动力系统中也广泛地采用了钛合金，其混合动力系统用钛部位包括排气冷却管、排气管、发动机冷却管、消音器、转轴托架、转轴、船舵、推进器等部件。这不仅有效地提高了舰船的速度和动力系统寿命，还显著地降低了维修和维护成本。因此，从2002 年开始，日本海上警卫厅已经全面采用了钛制混合动力系统，并装备了6 艘新船。
海水管路系统的钛合金化在美国、俄罗斯、日本以及其他欧洲的舰船上已经十分成熟，并得到广泛使用。相比于传统的CuNi合金，钛合金对海水均匀腐蚀和冲刷腐蚀具有天然的免疫能力，几乎不发生腐蚀。图13 为法国用钛合金制造的海水管路系统实例。美国海军的实践表明，将薄壁Gr.2 焊管用于低压（＜150psi＝是完全可行的，其抗压能力和损伤容限均符合标准要求。它与同等管径的CuNi 合金管道相比，其重量降低70%-80%。美国LPD-17 两栖登陆舰也使用Gr.2 钛合金制造其通海管路系统，比用Cu-Ni 减重50%，全寿命由7 年延长至40 年，同时节约1700万美元。美国的自由级濒海战斗舰（LCS）主燃汽轮机排气管道/进气口管路也采用钛合金，通过高速热丝钨极氩弧焊high-speed,hot-wire Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) 技术等成功实现减重18000 磅~22000 磅（约8.16 吨~9.98 吨），使制造成本及全寿命成本显着降低，图14 为钛合金LCS 主燃气轮机排气管道制造现场。
图13 法国某舰船钛合金管路系统实例
图14 美国钛合金制LCS 主燃气轮机排气管道制造现场
表9 美海军水面舰艇实际使用的Gr.2 钛合金管材管径与壁厚情况(mm)
我国舰船用钛经过各方面长期努力贪玩猫，已取得长足进步，获得多方面的成果。在动力系统、管路系统、传动系统、螺旋桨等部位已经应用了钛合金斯蒂庞克，所涉及钛合金牌号主要包括Ti-75，Ti-31，Ti-70，TA5，TC4 等。我国颁布了“法兰钛合金截止阀”国家标准GB/T3992-2008，但与欧美国家相比宁远天气预报，钛合金部件用量仍偏少，目前尚无全钛舰船的出现张楷依。
钛金属材料在海洋能源开发装备中的应用
海上石油天然气勘探与开发
海上油气开采设备的工作环境相当恶劣。设备首先要与海水和原油、天然气接触变身传说，要经受高温氯化物、硫化物、氨等多种介质的腐蚀，最高腐蚀温度可达300℃宝洁生活家。其次，设备要承受系统内部的工作载荷和海上风浪产生的冲击载荷。第三是深海油气勘探与开采设备的尺寸都很大，如提升管长达几百米龟龙变，设备自重很大，对材料的强度、韧性、抗疲劳性能等均有很高的要求。所涉及的用钛装置主要有钻井立管、锥形应力接头、井下作业流送管、增压管道、钻具提升装置、海水管路系统、冷却系统、灭火系统等。所使用的材料有工业纯钛（Gr. 1、Gr. 2）、Ti-6A1-4V 合金（Gr. 5、Gr.23、Gr. 28）、Ti-0.15Pa（Gr. 7）、Ti-3A1-2.5V（Gr. 9、Gr. 18）及Ti-38644 合金等，许多钛部件是用大规格或超大规格管材制备的。
图15 是Ti-6Al-4V基合金添加不同合金元素及在不同锻造工艺条件下的平面断裂韧性及应力腐蚀断裂韧性的比较任晗。可以看出，添加了Ru 的Ti-6Al-4V ELI 合金采用β 锻造后时幽冥，其应力腐蚀断裂韧性最好。采用β 锻造技术锻造的Ti-6Al-4V ELI 合金的平面应变断裂韧性(KIC)和应力腐蚀断裂韧性(KISCC)也远高于普通Ti-6Al-4V 合金的性能。因此，Ti-6Al-4V ELI 合金及添加Ru的Ti-6Al-4V 在海上石油开采上得到了较为广泛的应用。
图15 Ti-6Al-4V 基合金在不同锻造工艺下断裂韧性的比较
海上石油天然气开采用钛主要有四大部件：隔水管、钻管、锥型应力接头和井下作业流送管（盘管）。
(作者系南京工业大学材料学院副院长）
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