人類在陸地上活動(dòng)發(fā)展至今，面臨著人口劇增、資源枯竭、能源危機(jī)、環(huán)境惡化等基本問題。而海洋占地球表面積的71％，蘊(yùn)藏著豐富的礦藏和能源，因此海洋空間與資源不僅是世界軍事和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的重要領(lǐng)域，而且將成為人類賴以生存、社會(huì)藉以發(fā)展的戰(zhàn)略空間和基地。大力開發(fā)海洋是人類的必然選擇，海洋在21世紀(jì)及未來必將成為激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)所。
我國有18000km海岸線，有300萬km的專屬管轄海域，資源豐富。因此開發(fā)海洋關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，關(guān)系到國家主權(quán)和權(quán)益，是21世紀(jì)我國面臨的重大課題。隨著海洋意識(shí)的覺醒，我國也開始并不斷重視海洋開發(fā)。十六大提出了“實(shí)施海洋開發(fā)”；十七大五中全會(huì)把發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)提高到國家戰(zhàn)略的高度；十八大指出“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國”，并將海洋作為未來陸、海、空、天四大戰(zhàn)略空間的首位。
船舶是人類認(rèn)知海洋、開發(fā)海洋、利用海洋、維護(hù)海洋權(quán)益的基礎(chǔ)裝備與手段，船舶技術(shù)對(duì)世界市場(chǎng)的形成、國際貿(mào)易的增長(zhǎng)、工業(yè)化的拓展、刺激科學(xué)技術(shù)(特別是軍事技術(shù))的發(fā)展，起到了重要的牽引作用。因此，我國要實(shí)現(xiàn)“建設(shè)海洋強(qiáng)國”的目的，增強(qiáng)控制海洋、維護(hù)海洋權(quán)益和疆土完整的綜合制海能力及開發(fā)利用海洋空間的能力，必須大力發(fā)展先進(jìn)船舶技術(shù)和材料。
鈦及鈦合金具有重量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕、無磁、透聲、抗沖擊等特性，尤其是在如海水、海洋那樣的氯化物氣氛中具有優(yōu)異的耐蝕性。在船舶上應(yīng)用可以減少艦船的維修成本和壽命周期成本，減輕船體的重量、增加有效載荷、提高艦船的可靠性和戰(zhàn)術(shù)性，是船舶工業(yè)的理想材料。
1、鈦及鈦合金作為造船材料的優(yōu)點(diǎn)
1.1質(zhì)輕。比強(qiáng)度高
比強(qiáng)度是指材料強(qiáng)度與密度的比值。比強(qiáng)度越大，以相同強(qiáng)度設(shè)計(jì)就能獲得更小的結(jié)構(gòu)重量，反之相同結(jié)構(gòu)質(zhì)量下就能獲得更高的強(qiáng)度。根據(jù)需要，就可實(shí)現(xiàn)減重或減體積。如表1，在常用金屬材料中，鈦及鈦合金具有最高的比強(qiáng)度，這對(duì)實(shí)現(xiàn)船舶工業(yè)具有重要的意義，如用鈦制造的潛艇，不僅重量輕、航速高、攻擊力強(qiáng)，而且可以潛入更大的深度。鈦制潛艇，可潛入到4500m以下，這是鋼制潛艇無法逾越的界限”。
1.2耐蝕性好
鈦在中性和氧化性氣氛及眾多惡劣環(huán)境中具有比其他常用金屬材料高得多的耐腐蝕性，特別是對(duì)氯離子具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，在海水中具有完全耐腐蝕的能力。用鈦制造軍艦、輪船，不用涂漆，在海水中航行幾年也不會(huì)生銹，能避免涂油漆等產(chǎn)生的維修費(fèi)用和船舶自重，使用年限長(zhǎng)。
1.3無磁性
鈦不是鐵磁體物質(zhì)，在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化，因此鈦制外殼的艦艇不易被對(duì)方磁探儀發(fā)現(xiàn)，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有很好的反監(jiān)護(hù)作用，這在軍事上特別重要。
1.4優(yōu)良的耐熱和耐低溫性能
鈦的耐熱性和耐低溫性能良好。目前的熱強(qiáng)鈦合金最高使用溫度可達(dá)500oC～600℃，結(jié)構(gòu)鈦合金的使用溫度也可達(dá)到300℃～400℃，同其它輕質(zhì)材料如鋁、鎂合金比較，在300℃時(shí)，鈦的強(qiáng)度要高1個(gè)數(shù)量級(jí)，而超過400℃，鋁、鎂合金已喪失工作能力，而鈦合金卻能繼續(xù)保持足夠的使用強(qiáng)度，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。鈦的耐低溫能力很突出，采用低間隙元素的鈦合金可以耐一253℃的低溫，在此溫度下，合金強(qiáng)度比室溫提高了1倍，而塑性則保持室溫狀態(tài)下的水平。
由于鈦及其合金具有的以上優(yōu)良特性，使其成為海洋工程，尤其是海洋軍事工程中的重要材料，在艦船領(lǐng)域大有潛力可為。
2、船舶用鈦的要求及部位
2.1船舶用鈦的要求
由于使用環(huán)境和工況不同，船舶用鈦的要求有：(1)良好的機(jī)械性能、中強(qiáng)、高韌、低周疲勞性能好；(2)良好的加工性能，可焊性好、成形性好、機(jī)加工性好；(3)良好的耐海水腐蝕性能；(4)注重利用鈦合金的無磁性、透聲性；(5)產(chǎn)品批量小、品種多、規(guī)格大，幾乎含蓋了鈦合金的所有產(chǎn)品類型：鑄件、鍛件、板材、管材、棒材、絲材等佇。
2.2船舶用鈦的部位
鈦及其合金在艦船領(lǐng)域的主要應(yīng)用有：耐壓殼體、船體結(jié)構(gòu)、管道、閥及配件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、熱交換器、冷卻器／冷凝器、聲吶導(dǎo)流罩等。船舶上用鈦部位及采用的合金如表4。
3、世界各國船舶工業(yè)用鈦概況
鈦合金用于艦船工業(yè)始于上世紀(jì)60年代，目前美國、俄羅斯、日本、中國、英國、法國和德國等國家均有廣泛應(yīng)用。各國船用鈦合金如表5。
3.1國外船舶用鈦情況
俄羅斯在船用鈦合金的研究和實(shí)際應(yīng)用方面是全世界最先進(jìn)的，擁有專門的船用鈦合金體系，已形成系列強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金產(chǎn)品。有船體用鈦合金nT一1M，船機(jī)用nT一7M，動(dòng)力裝置用鈦合金OT4一lB和兀T一3B等，強(qiáng)度級(jí)別(13")分別為490MPa、585MPa、700MPa、835MPa，各種規(guī)格材的生產(chǎn)工藝成熟。俄羅斯艦船用鈦的主要部位如表6所示。美國對(duì)艦船用鈦合金也進(jìn)行了大量的工程研究，成功地將鈦用于各種動(dòng)力的潛艇、水面艇、民用船的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進(jìn)器、彈簧以及消防設(shè)備。
日本船用鈦合金主要有純鈦、Ti一6A1—4V(ELI)等，應(yīng)用于民用漁船、深潛器的耐壓殼體等。1981年開始的系列深海潛水調(diào)查船“深海2000”、“深海4000”、“深海6500”的外殼骨架、均壓容器、配管等采用了鈦合金，目的是為了增加下潛深度。
3.2中國船舶用鈦情況
我國船用鈦合金的研究與應(yīng)用始于60年代，幾乎與國外同步發(fā)展。幾十年來，船用鈦合金的研究及應(yīng)用水平有了很大提高，已經(jīng)形成了較完整的船用鈦合金系列包括635MPa、685MPa、730MPa、785MPa強(qiáng)度級(jí)別的合金。“蛟龍?zhí)枴鄙顫撈鞯哪蛪簹んw就是TC4鈦合金。
但與國外相比，我國船用鈦合金的應(yīng)用還有較大的差距：應(yīng)用部位少、用量少，國外用鈦達(dá)到13％，我國僅在一些零星部件上應(yīng)用，比例不足1％。品種、規(guī)格不完善，我國之前鈦材在專業(yè)化工廠生產(chǎn)，受裝備能力限制，生產(chǎn)的品種、規(guī)格有限，“蛟龍?zhí)枴彼璧拟伜辖鹨仓荒軓亩砹_斯進(jìn)口。加工與制造技術(shù)也相對(duì)落后。涉及到鈦合金的材料規(guī)格有：鑄件、鍛件、板材、棒材、管材、絲材；涉及到的鈦合金制備工藝有：鑄造工藝、鍛造工藝、焊接工藝、冷成型工藝、熱成型工藝、熱處理工藝、機(jī)械加工工藝、表面處理工藝、異種金屬絕緣處理工藝等。
4、鈦及鈦合金在船舶工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析
材料的經(jīng)濟(jì)性是船舶工業(yè)的重要因素。鈦及鈦合金以往的形象是昂貴的，高高在上的，這也嚴(yán)重制約了鈦及鈦合金在船舶的推廣應(yīng)用。在滿足性能要求的前提下，經(jīng)濟(jì)性分析包含以下幾個(gè)因素：(1)材料的制造成本，即材料的工藝適應(yīng)性或工藝成熟度；(2)材料在使用環(huán)境下可以服役的期限；在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，不僅僅考慮設(shè)備的建造成本，還應(yīng)考慮設(shè)備的維護(hù)成本，設(shè)備全壽命周期內(nèi)的成本；(3)綜合評(píng)價(jià)材料的性價(jià)比。
鈦及鈦合金在性能方面是完全滿足船舶要求的。在經(jīng)濟(jì)性方面，隨著鈦工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，鈦及鈦合金的價(jià)格大幅下降，而Cu、Ni、Mo等金屬價(jià)格大幅上漲，導(dǎo)致鈦及鈦合金材與船舶傳統(tǒng)材料銅合金、高端鎳不銹鋼材價(jià)格基本相當(dāng)，這就為鈦及鈦合金在船舶工業(yè)推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。
4.1一次性投入經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析
研究表明，傳統(tǒng)材料(鍍鋅厚鋼板、銅鎳合金)的服役期限大約是1.5年到78年，在艦船的服役期內(nèi)必須進(jìn)行維修，甚至是更換，而鈦合金則可以實(shí)現(xiàn)一次投入，與艦船同壽命，使用過程只需簡(jiǎn)單的維護(hù)，而幾乎不需修理。俄羅斯選擇柴油機(jī)舷外的一個(gè)冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行了鈦合金管道代替銅合金管道相關(guān)費(fèi)用的計(jì)算，比較的材料是CuNiFe5一1和鈦Gr2，見表6。
由表6可以看出，對(duì)于該冷凝系統(tǒng)的兩種尺寸的管道來講，改用鈦后，由于可以允許較大的流速、耐腐蝕性和屈服強(qiáng)度大大提高，可以減小管道的直徑和管壁厚度，這樣可以使鈦合金管道系統(tǒng)的重量比銅合金系統(tǒng)的小5.8倍。據(jù)估算，目前市場(chǎng)Cu—NiFe5一l與Gr2單價(jià)比約為l：1.5，這樣在建造時(shí)采用CuNiFe5—1合金的一次性投入，要高于采用Gr2，約是鈦的3.9倍。
由于鈦及鈦合金的密度低、耐腐蝕、強(qiáng)度高，可以大大降低設(shè)備的重量，所以盡管從單價(jià)上講，鈦及鈦合金會(huì)貴一些，但設(shè)備的總體重量降低后，鈦及鈦合金一次性投入反而不會(huì)過高于其它材料，甚至于會(huì)低于其它材料。
4.2全壽命經(jīng)濟(jì)效益分析
同樣以表6為例，再從設(shè)備的全壽命周期上，分析一下鈦在艦船上應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。表6中銅合金管道的平均服役期限為8年，而鈦合金的服役期限為40年，與艇同壽命。因此，如果按40年計(jì)算，銅合金需要更換5次，按上述價(jià)格比和計(jì)算方法，則全壽命內(nèi)銅合金的投人是鈦的近19.5倍。在計(jì)算過程中，也沒有把檢修和更換期間所引起的損失費(fèi)用考慮進(jìn)去，包括設(shè)備生產(chǎn)加工費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、安裝費(fèi)，以及由于設(shè)備更換而導(dǎo)致艦船在役時(shí)間的縮短等。
因此，從全壽命經(jīng)濟(jì)效益上看，鈦的價(jià)值更是遠(yuǎn)高于其它合金，是未來艦船材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。
5、制約鈦及鈦合金在船舶工業(yè)推廣的因素
5.1船舶系統(tǒng)對(duì)鈦及鈦合金認(rèn)識(shí)不足
在船舶系統(tǒng)的相關(guān)單位如設(shè)計(jì)院、造船廠、業(yè)主方等，普遍認(rèn)為鈦性能好，但太貴，用不起，設(shè)計(jì)之初根本就未考慮鈦的應(yīng)用。造成這種現(xiàn)象有多個(gè)原因，主要原因如下：首先，對(duì)鈦行業(yè)發(fā)展了解不清楚。在他們印象中，鈦的價(jià)格仍為30萬元人民幣／噸以上，而不知道鈦的價(jià)格已大幅下降，已具有較高的性價(jià)比。其次，對(duì)使用鈦的定位不清楚。盡管近年來鈦的價(jià)格大幅降低，但仍比一般結(jié)構(gòu)鋼、低端不銹鋼價(jià)格高得多，不可能取代這些普通材料。因此鈦的推廣應(yīng)抓緊比強(qiáng)度高、耐腐蝕的特點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有：首先需要高強(qiáng)度并需減重的部件。其次是代替起耐腐蝕作用的銅及銅合金、高端不銹鋼及耐蝕合金，相比這些材料而言，鈦及鈦合金不但有很高的全壽命經(jīng)濟(jì)性，就算一次性投資也會(huì)降低。
針對(duì)這個(gè)因素，鈦及鈦合金材料制造行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與船舶系統(tǒng)的交流與溝通，以便船舶系統(tǒng)充分了解鈦工業(yè)的發(fā)展，船舶在設(shè)計(jì)之初能充分考慮鈦材的使用。
5.2鈦及鈦合金針對(duì)船舶的應(yīng)用研究不足
鈦工業(yè)是以航空應(yīng)用需求為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，因此基礎(chǔ)研究是根據(jù)航空用材的需求來開展的。而船舶使用環(huán)境與航空有較大的區(qū)別，其所用材料也有自身特點(diǎn)。而鈦工業(yè)并不了解船舶用材的要求，就未針對(duì)船舶用鈦開展相關(guān)的研究，導(dǎo)致船舶用鈦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，相關(guān)的材料標(biāo)準(zhǔn)也嚴(yán)重缺乏。這也是導(dǎo)致船舶系統(tǒng)對(duì)鈦認(rèn)識(shí)不清楚，缺乏設(shè)
計(jì)依據(jù)，也就無法選材了。在船舶制造和實(shí)際使用中，還面臨著焊接、連接、接觸腐蝕、海生物附著等問題。對(duì)這些問題，無論是船舶設(shè)計(jì)所，還是造船廠和鈦材行業(yè)都沒有做系統(tǒng)的基礎(chǔ)配套研究，缺少必要的技術(shù)支撐。比如，現(xiàn)有造船裝備是加工鋼材的，若使用鈦材需進(jìn)行相應(yīng)的改造。但進(jìn)行什么樣的改造才能加工鈦材，是沒有技術(shù)基礎(chǔ)的。這也嚴(yán)重制約了鈦在船舶工業(yè)的應(yīng)用。
為克服上述問題，加快鈦材的推廣，應(yīng)加快相應(yīng)的基礎(chǔ)研究。
5.3鈦及鈦合金材型配套能力不足
與航空用材相比，船舶用材的產(chǎn)品尺寸、單件重量更大，而我國之前的鈦工業(yè)主要是為航空工業(yè)服務(wù)的，采用專業(yè)化工廠生產(chǎn)，生產(chǎn)裝備和能力有限，鈦產(chǎn)品的產(chǎn)品尺寸不能滿足船舶的需要，許多材型鈦材生產(chǎn)商無法提供，如寬厚板、大口徑無縫管、型材、復(fù)雜的鑄件等。如果專業(yè)化生產(chǎn)廠全部配齊船舶用鈦材需要的生產(chǎn)裝備，又將極大的推高產(chǎn)品成本，不利于鈦及鈦合金在船舶工業(yè)的推廣應(yīng)用。
我國鋼鐵加工裝備能力極強(qiáng)，產(chǎn)品配套齊全，裝機(jī)水平為世界先進(jìn)水平，具備生產(chǎn)大尺寸鈦材的能力。因此，鈦工業(yè)應(yīng)走“鋼鈦結(jié)合”之路生產(chǎn)船舶工業(yè)所需的鈦產(chǎn)品，一方面滿足船舶用鈦的需要，另一方面還可以降低生產(chǎn)成本。這也是國外先進(jìn)鈦材生產(chǎn)商的模式。
5.4鈦及鈦合金材在船舶工業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)協(xié)調(diào)不足
在世界船舶工業(yè)(特別是軍船)中，用鈦量已是衡量船舶先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。我國船舶用鈦很低，這也是我國船舶工業(yè)大而不強(qiáng)的一個(gè)重要原因。為提升我國的造船水平，應(yīng)加快推進(jìn)鈦在船舶工業(yè)中的應(yīng)用。
然而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要鈦材生廠家、船舶設(shè)計(jì)院、造船廠和船舶用戶共同努力推動(dòng)，協(xié)調(diào)發(fā)展，單靠某一方是很難有效推動(dòng)的。
6、結(jié)論
(1)鈦及鈦合金是理想的造船材料，能滿足船舶多個(gè)部位的材料要求。
(2)中國船舶用鈦水平與國外先進(jìn)水平相距甚遠(yuǎn)。
(3)現(xiàn)階段，在船舶中以鈦及鈦合金代替銅合金、高端鎳不銹鋼、耐蝕合金已具有很高的性價(jià)比。
(4)在船舶工業(yè)中推廣鈦材，需要鈦材生廠家、船舶設(shè)計(jì)院、造船廠和船舶用戶共同努力，克服鈦及鈦合金基礎(chǔ)應(yīng)用研究不足、材型配套能力不足等制約因素。
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