鈦在海軍裝備—潛艇上的應用與展望

董潔 李獻民 姜忠林 劉立 趙普

(寶鈦集團有限公司,寶雞721014)

 要:鈦以高的耐海水腐蝕性能、高比強度、高抗沖擊性能、優良的可塑性、加工成型性、無磁性、可循環使用等特性,可很好的滿足人們在海軍裝備,特別是潛艇應用的要求。本文概述了國內外海軍裝備潛艇用鈦的應用舉例,并簡述了海軍裝備用鈦的主要問題及展望。

關鍵詞:鈦;海軍裝備;實用性;現狀;舉例

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

當前的海軍裝備發展十分迅猛,每個國家都把先進武器裝備作為最重要的國防戰略之一。而每種先進武器的誕生都離不開新材料的應用,隨著對海軍裝備的要求越來越高,例如鋼、鐵、鋁、鎂等金屬及其合金在很多領域已經不能滿足要求,鈦及其鈦合金以其良好的耐海水腐蝕性能、高比強、無磁性、透聲、抗沖擊、可加工性(包括鑄、鍛、焊接)好的特點優勢正在逐步進入更多的海洋裝備、軍事領域。滿足了當代軍事對武器裝備的輕量化,高性能化的要求。正日益受到船舶及海洋工程裝備的關注,被稱為“海洋金屬”1

    潛艇作為“海軍裝備”的核心,是戰略核力量的中堅,具有舉足輕重的作用。下潛深度是核潛艇一項重要的戰術技術要素,核潛艇加大潛深具有以下作用:一是可減少被反潛飛機上磁探儀發現的可能,而且鈦合金又具有低磁性的優點,更是適合建筑潛艇的材料;二是________________________

 

作者簡介:董潔,女,高級工程師,陜西寶雞721014,電話:0917-3258038E –mail [email protected]

可利用水面艦艇聲吶在深海的盲區,避開水面艦艇的搜索;三是可延緩螺旋槳空泡的出現,從而降低螺旋槳噪聲;四是在遭敵深水炸彈攻擊時,具有更長的機動時間,降低了潛艇被深水炸彈命中的可能;五是可以擴大潛艇坐沉海底的范圍,以及通過反潛區的可能性。另外,用鈦合金制造艇體,可以大大減輕艇的排水量2。鈦合金與特制鋼相比,具有強度大、質量輕的明顯優點,并且更耐海水3

鈦及鈦合金的大量使用,可以大幅降低海軍裝備的結構重量,實現高機動性,保障海洋裝備的高可靠性和安全性,實現同壽命服役。極大降低海軍裝備的維護時間和成本,保障裝備戰斗力。鈦合金是保障艦艇裝備性能和戰術水平的重要支撐材料,海軍裝備鈦合金是海洋強國戰略的必然選擇。因此,發展海軍裝備---潛艇用鈦最有重要的戰略意義。


2鈦在海軍裝備---潛艇中的應用及舉例

鈦是海軍裝備最有應用前途的金屬材料,被世界各國廣泛應用于水面艦艇、水下潛艇、深潛器、水中兵器、通訊設備等領域。在核潛艇中的冷凝器、熱交換器、聲納導流罩、通海管路系統、波紋管等都采用鈦材。常規潛艇(636, K877)中的耐壓殼體、柴油機燃氣排出系統、聲納導流罩、通海管路系統、波紋管、泵、閥也都大量應用鈦材4。其經過了北極、南極、赤道、太平洋、印度洋、大西洋的全球海域航行,解決了設計許用應力、安全系數選取等問題。美國、日本多種潛艇的噴水推進裝置上也都使用鈦材,有效地克服了采用銅合金在航行時切割地球磁力線而產生較大感應電流的不利影響。

2.1 潛艇和深潛器的耐壓殼體

當潛艇結構已定時,潛艇的極限下潛深度與殼體材料的屈服強度和殼體厚度的乘積成正比。用加厚壓力殼的辦法增加下潛深度,會減少潛艇的有效載重量,若保持其有效載重量,則會使潛艇尺寸增大到實際不能使用的程度,因此必須考慮使用更高比強度的材料。在幾種目前可用于潛艇殼體的材料中,鈦合金的性能最好(具體比較見表1)。表1表明鈦合金用作潛艇和深潛器耐壓殼體材料是非常有利的。


1  幾種深潛艇耐壓殼體材料的性能

            材料

 

性能

鈦合金

高強度鋼

鋁合金

Ti-6Al-4V

低氧級

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

彈性模量(E(公斤/毫米³)

11500

12000

21000

21000

7280

屈服強度σ0.2(公斤/毫米²)

84

70

90

120

42

比強度(σ0.2/ρ)

19.0

15.6

11.5

15.3

15.0

比剛度(E/ρ)

2.600

2.670

2.675

2.675

2600

剛性指數(E1/³/ρ)

5.09

5.10

3.52

3.52

6.86


    目前深海調查船和潛艇上的耐壓殼體一般均采用鈦合金制造。美國、法國、日本都在不同程度上用鈦做耐壓殼體。美國在20世紀60年代建造而后經過改造的可潛6100mSeacliff深潛器,其耐壓殼使用了Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo新合金;法國建造的SM97耐壓殼使用了Ti-6Al-4V合金;日本建造的6000m級深海考察船的耐壓殼使用了Ti-6Al-4V合金;前蘇聯從20世紀60年代中期開始,先后共生產了6~7艘雙層高壓殼的“阿爾法”級全鈦潛水艇,一艘潛水艇需要3000t厚鈦板5。表2列舉了鈦制耐壓殼體的應用實例。

2  鈦在潛艇和深潛器的耐壓殼體應用舉例

國家名稱

潛艇或深潛器名稱

耐壓殼體材料

美國

潛6100m級Seacliff深潛器

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

日本

潛6000m級深海考察船

Ti-6Al-4V

法國

潛6000m級SM97深潛器

Ti-6Al-4V

前蘇聯

“阿爾法”級全鈦潛水艇

低氧Ti-6Al-4V

前蘇聯

“臺風”級的鈦制核潛艇

低氧Ti-6Al-4V

俄羅斯

988型多用途核潛艇

低氧Ti-6Al-4V

2.2 螺旋槳、螺旋槳軸和噴水推進裝置

鑄造鈦合金具有高比強、高腐蝕疲勞抗力和良好的抗空蝕能力(見表3),是理想的螺旋槳,特別是超空泡螺旋槳材料。鈦合金螺旋槳重量輕,推進效率高,壽命長。


3  螺旋槳材料的機械性能

                    性能

合金

抗拉伸強度σb

(公斤/毫米²)

屈服強度σ0.2

(公斤/毫米²)

伸長率δ

%

腐蝕疲勞強度

(公斤/毫米²)

銅合金

錳鐵黃銅55-3-1

47

17

20

8.5

鋁鎳鐵青銅9-4-4

60

22

16

18

鈦合金

Ti-6Al-4V

96

83

11

35

美國已在多種艦艇上使用鈦合金螺旋槳。如50噸研究型獵潛艇使用了直徑812.8毫米三葉片可拆式超空泡鈦合金螺旋槳。大型軍用水翼艇“普蘭維尤”號使用了直徑1.52米、四葉片可拆式超空泡鈦合金螺旋槳(槳重337公斤,材料為Ti-6Al-4V)。“阿希維爾”號高速炮艇使用了四葉片變螺距鈦合金螺旋槳。SES-100B試驗艇使用了6葉片、超空泡、可調螺距鈦合金螺旋槳(Ti-6Al-4V)。蘇聯、英國六十年代亦制成鑄造鈦合金螺旋槳。我國1972年研制成功Ti-6Al-4VTi-5Al-2.5Sn鈦合金水翼艇螺旋槳,至今已下有十多只鈦槳裝船使用6。多年實船使用的結果表明:鈦合金螺旋槳強度高、韌性較好、耐空泡腐蝕性能好、壽命超過銅合金槳三倍以上,重量僅約為銅合金槳的1/2且維護保養容易。

艦艇噴水推進裝置對材料的要求與螺旋槳相同,鈦合金是優秀的候選材料。美國SES-100A試驗艇的噴水推進裝置已使用了工業純鈦鑄件、Ti-6Al-4V合金鍛件。螺旋槳軸用鈦合金制造,軸徑和重量可明顯減小。日本魚雷艇“PT-10”號,原用鉆青銅軸,軸徑95毫米,改用工業純鈦或Ti-6Al-4V合金制造,保持危險轉速(1560/)不變,軸徑可分別減至85毫米和75毫米,重量減輕500公斤和600公斤。

掃雷艇的螺旋槳和軸目前多用鋁青銅和高強度黃銅制造,銅合金雖無磁性,但固電阻小,航行時切割地球磁力線產生的感應電流大,對掃除磁性水雷不利,因而最好使用高電阻非磁性材料,鈦合金無磁性且電阻大,是很好的候選材料(見表4)。美國已使用鈦合金掃雷艇軸。日本的小型潛艇己使用了軸徑20-30厘米、長6米、重100公斤的鈦合金螺旋槳軸。

4  幾種螺旋槳軸材料的比電阻

材料

比電阻(微歐/厘米/厘米²)

鈦合金

153-198.6

鋁青銅

55.0

18-8不銹鋼

72.0


2.3 熱交換器和冷凝器

鈦對清潔、污染和含砂的靜水和動水均有優秀的抗蝕能力。允許采用高冷卻水速和薄壁冷凝管,提高傳熱能力,減小冷凝器重量。鈦管的境膜附著性小,液體在鈦表面呈珠狀凝縮。鈦比銅的凝縮速度大29.3%以上;比304型不誘鋼的凝縮速度大35%;比316型不銹鋼的凝縮速度大17.5%以上,凝縮速度高,也對傳熱有利,鈦管的清潔系數高于銅合金管。上列因素使鈦雖然導熱系數低于B30銅合金,但傳熱效率卻與B30相等或略高。同時鈦管的避振裕量也高于B30管(見表5)。表6了各種材料的冷凝管的綜合性能。


5  工業純鈦與B30銅管的避振裕量

             性能

材料

彈性模量

(公斤/厘米²)

帶水管單位長度重量

(公斤/厘米)

自然振動頻率

(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 各種材料的冷凝管的綜合性能比較

          材料

項目

工業純鈦

鋁黃銅

B5TF3

70/30CuNi

(CNTF3)

污染海水

用銅合金

TTH35W

KS50

尺寸(外徑×壁厚),毫米

25.4×0.5

25.4×0.7

25.4×1.245

25.4×1.245

25.4×1.245

橫截面積,毫米²

39.1

54.3

94.7

94.7

94.7

通流面積,毫米²

467

452

412

412

412

縱向彈性常數,公斤力/毫米²

10850

11700

15400

11600

比重,克/厘米³

4.51

8.4

8.94

8.8

線膨脹系數,卡/厘米/

9×10-6

18.4×10-6

16.2×10-6

18×10-6

導熱性,卡/厘米/

0.041

0.24

0.07

0.15

抗拉伸強度,公斤力/毫米²

35-52

38

36

38

總傳熱系數,卡/厘米/

2862

2664

3190

2700

3100

有效脹接長度,毫米

25

25

21

21

21

拉脫強度,公斤力/毫米²

0.19

0.27-0.3

0.6

0.6

0.6

管對管板的脹接力,公斤力

450

530-630

800

800

800

失穩強度(自由長度1米)公斤力

315

431

285

/

285

中心撓度(充水),毫米

0.25

0.202

0.20

0.15

0.20

潛艇冷凝器水室封頭承受潛艇沉浮形成的低周疲勞應力和海水的腐蝕作用,要求材料具有較高的綜合性能。水室封頭使用鈦合金比645-Ⅲ鋼/B30襯里組合材料和645-Ⅲ鋼/B30爆炸復合材料具有高得多的疲勞強度和安全可靠性;與Monel 400合金比較,因鈦合金強度高,可減薄厚度,而大大減輕了重量。表7列舉了幾種水室封頭材料的性能。

7  冷凝器水室封頭材料的性能

       性能

材料

抗拉強度σb

(公斤/毫米²)

屈服強度σ 0.2  (公斤/毫米²)

伸長率δ(%

斷面收縮率ψ(%

沖擊韌性αk

(公斤米/厘米2

B30板(h>40毫米)

≥35

/

≥18

/

/

645-Ⅲ鋼

≥80

≥55

≥15

≥45

≥9.5

Monel 400

49-63

17.5-35

35-60

/

/

Ti-4Al鈦合金

≥70

≥60

≥13

≥25

≥6

英國海軍1966年建成艦艇輔機系統用鈦熱交換器,并已進行海上試驗。英國橫渡英吉利海峽的“自由企業家”Ⅲ-Ⅶ渡船都使用了鈦板式熱交換器。瑞典阿法---拉伐有限公司自1962年生產第一臺鈦板式熱交換器裝于遠洋海輪,至今已有7000多臺裝船使用。日本1.6萬噸大型油船No.914在七十年代末于主透平冷凝器上部分換用鈦冷凝管。該船至今安全航行于波斯灣、非洲和南美海域。俄羅斯在熱交換器上也廣泛采用了鈦合金。表8列出了俄羅斯自1962年以來各種類型的熱交換器成功運行的情況。各種型號的艦艇用鈦制熱交換器,俄羅斯已經達到了完全商業化得水平7

8  1962年以來鈦合金熱交換器應用情況

設備類型

應用型號數

交換器總數

已服役期/

艦艇熱交換器

18

6300

25~35

核動力船蒸汽發動機

6

2900

20~35

核電站熱交換器

12

60

5~25

2.4 耐海水腐蝕的管系、閥門和設備

鈦用于海水管系和閥門可減小管徑和提高水速,延長使用壽命。一個試驗性的全鈦管系,在6/秒的水速下使用36個月,無任何可見的變化,而錫青銅閥和70/30銅鎳合金管,在4.5/秒水速下,使用15個月,閥和管皆穿孔。美國的一些潛艇上,己用鑄造Ti-6Al-4V合金球閥代替蒙乃爾合金球閥,結果良好。日本“親潮”號潛艇原用外徑19毫米、壁厚2.7毫米的雙金屬管制造冷卻電池用的清水冷卻器,改用壁厚1毫米的鈦管即滿足使用要求,使冷卻器的重量和體積都減少一半以上。

2.5 動力機中的應用

在核動力工程中采用全鈦核動力蒸汽發動機可以提高壽命10倍以上。表9給出了自1970年以來俄羅斯核動力船蒸汽發動機的數據。從表9可以看出,核動力蒸汽發動機的使用壽命與船的服役壽命是等同的8

9  1997年俄羅斯核動力鈦蒸汽發動機的運行數據

船號

蒸汽發動機開始運行日期

已運行時間/

列寧號

1970

20

北極號

1974

25

俄羅斯號

1985

12

蘇聯號

1989

8

美國潛艇的AT-497/U鞭狀天線,是一長3.66,底面直徑7.62毫米,頂端直徑2.54毫米的錐形棒。原用17-7pH不銹鋼,壽命不到6個月。改用Ti-7Al-4Mo合金制造后,壽命超過設計指標(106循環),滿足性能要求。

2.6 聲學裝置的零部件

鈦合金比強度高、熱膨脹系數小、電阻高、透聲性能好等特點,使其在聲學裝置上獲得了應用。日本已生產潛艇用速度型球狀傳聲器、聽潛器、船用電話零件等。英國亦用鈦作換能器零件。前蘇聯607A型飛航導彈核潛艇的聲納導流罩就采用了鈦合金,使用效果比較理想。我國因軍用及商用目的的購置的K877艇、K636艇、956艇、“明斯克”航母、“基輔”號航母,它們的聲納流罩都是采用鈦合金制造的。在實際使用情況下,鈦合金的透聲性能優于玻璃鋼和不銹鋼,并已制成試驗罩進行了試驗,獲得了滿意的結果。

3、 海軍裝備用鈦的主要問題及發展展望

綜觀大局,我國海軍裝備用鈦金屬材料起步晚,鈦合金品種、規格不完善.加工和制造技術也相對落后,目前僅局限應用于聲吶導流罩、舷側陣透聲窗、進排氣管路、少量閥門及管路附件等專用結構的制造。同美、俄、日等海洋強國相比,在應用領域、基礎研究、鈦材生產技術、設計與應用技術及相應配套技術等各個環節。大體有15-30年的差距。

為從根本上解決我國海軍裝備用鈦合金落后的局面,全面提升我國海軍裝備,特別是潛艇裝備的性能和水平。需加強頂層設計和統籌規劃,提出用鈦的新思路和新路線;積極開展海軍裝備用鈦合金材料及應用技術的研究和基礎研究等,為全面提升我國海軍裝備的技術水平做出應有貢獻。我國鈦合金材料技術未來應主要向低成本、提高綜合性能、可靠焊接、復雜制造、推廣應用、完善材制體系等方向發展。

 

 

參考文獻

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3】孟祥軍,艦船科學技術,2001.25-8

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5】寧興龍,鈦工業進展,2003.20628-31

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

8】俞銘華,中國造船,2005.4645-8

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