钛合金在潜艇制造上的问题（上篇）
作者：admin
发布时间：23-11-09
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舰船用结构可焊接钛合金的科学基础。钛应用在海洋领域的合理性是基于其优异的耐海水腐蚀性能，无磁（顺磁），好的焊接性能，无冷脆性，对低循环和高循环载荷以及海水侵蚀具有高的抵抗力，在温度达350℃时具有应变硬化，有代表性的就是使用海水的热交换器，能够通过优化化学成分来提供高的腐蚀-机械强度，碳氢化合物环境中的耐火性，优良的加工性能。所有这些特性使得成为海洋工程、化工、核能领域的优选材料。
钛合金用于海洋工程的另一个重要的特点是在长的寿命周期内具有广泛的操作条件（不仅是应力状态，还有温度区间）。还有一个不得不提的原因是钛合金规格尺寸的多样性——从箔到重8吨截面800毫米的锻件，铸件，不同直径和壁厚的管件。
特别重要的是航空航天系统用钛合金不适用于造船领域，需要建立海洋工程用钛合金材料体系。
海洋工程用钛合金具有以下特点：
可焊性，无热影响脆性区，无需焊后热处理；
舰船用钛合金的尺寸比航空航天用要大很多倍，因此，大型零件的性能必须满足设计要求；
合金和他们的焊接接头在海水中应用时应耐腐蚀，同时应避免异种材料连接时发生接触腐蚀；
用于舰船的钛合金不容易发生延迟断裂，应该耐腐蚀开裂。
以上特性取决于合金的化学成分，普罗米修斯中央结构材料研究院成为世界上第一个研发了专用的海洋工程用钛合金以及其加工制备技术的单位。
钛合金用于深海装置及大型结构件的很多科学问题，在研究之初就面临很多困难。
第一个困难就是可焊钛合金在海洋应用时发生应力腐蚀开裂问题。
钛合金中的腐蚀开裂是由于裂纹尖端的局部阳极溶解而发生的，以及裂纹边缘的阴极表面吸收氢离子，然后氢气向上扩散到顶点处的应力最大区域以及裂纹尖端附近区域中形成氢化物。
这些过程每一个都取决于合金成分和热加工类型，海水介质的成分，应力条件和原生表面的钝化速度。
钛合金极高的的腐蚀稳定性和电化学惰性是由金属表面上存在惰性无缺陷氧化膜引起的。
钛合金的主要特征之一是在γ-α转变过程中实际没有相硬化，并且无法通过热处理来获得类似于钢中的索氏体的结构。因此，通过热处理的方法来提高金属的强度、塑性和韧性是不可能的。
提高钛合金加工材的强度可以有两种途径：1）增加合金化元素铝、钒、钼、钨、碳及其他元素；2）通过多向热塑性变形来细化组织。
因为用于海洋领域的钛合金半成品外形尺寸会很大（400-600㎜），提供必须的冷却速度来消除应力开裂的倾向就变得非常困难，特别是对于复杂结构件，这个问题更加突出。情况叠加在一起就是，当要减小腐蚀开裂倾向时必须升高β稳定元素的含量，但是这又会急剧增大热影响区淬火现象，降低了热影响区的塑性和增加了脆性。
因此，合金中稳定元素的含量不能低于消除腐蚀开裂的量以及不能低于所有可能的线性能量焊接接头热影响区塑性和冲击韧性剧烈降低的量。
为了解决这个问题，引用了钼当量，计算所有元素的对热影响区开裂的影响：
[Mo]eq=[Mo]+[V]/1.5+[Nb]/3.6+[Ta]/5+1.25[Cr]+2.5[Fe]+1.7[Co]+1.25[Ni]
通过限制最高铝当量和钼当量，可以建立考虑这些因素下的海洋工程用钛合金的元素组成区图解（如图1）。
图1 海洋工程钛合金体系合金化区间
现在已经利用上述方法建立了高强易焊钛合金体系，用于深海科技环境、海洋油气开采、原子反应堆和其他目的。所有这些事实只是举例说明了先进钛合金建立时产生的科学问题的一部分。合金成分的选择不可能解决所有半成品和结构件制备加工工艺时的问题，特别是考虑到他们结构的特殊性、运行条件、应力状态和探伤的方法。在制造海洋钛合金时出现的问题可以扩大其在海洋技术中的应用范围，但是，各种其他文章中也提出了，在决定使用钛和基于它的合金制造海上结构的部件或设备时，除了考虑到海洋条件中的特定行为外，还应考虑更高的经济效率，同时降低维修和维护环境的成本，减少故障设备的更换次数，并节省许多其他项目的成本。
掌握钛合金焊接结构制造技术的主要问题是随着时间的推移可能会产生裂纹，它们甚至可能在焊接后500天就发生（它们的长度可以达到1米）。对这种裂缝性质的研究表明，它们与钛及其合金中氢和氧的含量超过临界值有关。（表1所示）
表1 焊接成刚性框架的焊接样品中裂纹的生成与氢含量的关系
国内外常用的钛合金化学成分对比如图2所示：从中可以看出，我们合金中允许的最高氢含量明显低于美国。氢含量的临界值在0.008%时，焊接接头裂纹在实际情况中不发生。这样的氢含量可以安全保证避免延迟裂纹的产生。
海洋钛合金的加工必须解决所有与海水接触结构腐蚀破坏的问题，无论运行环境是在低温还是高于100℃的高温。
合金化，增加钛的阳极钝化性，在钛中引入大量的合金成分（大于15和50 wt.％），这通常会从根本上改变合金的结构，技术和性能。阴极合金化导致电极电位转移到合金阳极特性不变的钝化区域，需要在钛中引入少量的阴极有效添加剂（0.1-0.4 wt.％）。这样的合金化不改变合金和加工材、材料工艺和力学性能的获得条件的原则，但应用起来非常方便，虽然使用了相对昂贵的添加元素。
表2 俄罗斯和美国生产的钛合金化学成分
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