俄罗斯海军用钛情况及我们的思考

表! # & $ !年以来钛合金热交换器应用情况 设备类型 舰船热交换器 核动力船蒸汽发动机 应用型 号数 ／ 个 # + $ # ! 交换器 总数 ／ 个 $, % % !& % % $ % 已服役 期 ／ ( ! * ! , * ! % ! , * * ! ! * 图, " $ , $艇声纳导流罩及内部
! 全寿命经济效益分析
和许多使用者想象的一样，钛合金是一种很昂 贵的材料，但是，钛合金管道系统与传统材料制造 的管道相比还是比较便宜的。俄罗斯已经研究了不 同材料制造的管道系统，这些材料通常被用于容器 和船体表面。研究结果表明，传统材料（镀锌厚钢 板、铜镍合金）的服役期限只有几年，大约是 ! " # 年到 $ 年 !% 年。服役期满之后必须进行维修。特 别是高速推动环境作用下，各种接头都会产生有害 的局部腐蚀缺陷。 而在相同情况下，在相当长时间的服役期内钛 合金没有发生损害。他们进行了用钛合金管道代替 铜管道相关费用的计算。选择了柴油机弦外的一个 冷凝系统，比较的&种材料是：’ ( ) * + , # !铜合金 和工业纯钛 . / -& 合金。该冷凝系统有 & 种尺寸的 管道，比较结果如表 0 所示。从表 0 可以看出，使 用钛合金代替铜合金可以减小直径和管壁厚度，钛 合金管道系统的质量比铜管道系统的轻% 0 1。
本情况，以及俄罗斯在海军用钛方面的研究、做法和思路；针对未来我国海军发展的需要，提出了我们应该面对的 现状和我国海军用钛应着重研究的课题以及应采取的对策。 关键词：俄罗斯；海军；钛合金材料；对策
见，航空航天仍然是钛及钛合金的主要消费用户。然
! 前
言
而，钛在海军工程、石油冶炼和化学工业中也有很大的 需求，特别是在腐蚀环境下长期服役的钛合金结构的应 用。在俄罗斯，钛已不是一个“新”的材料了。 从图 &中可以看出，舰船行业用钛材在俄罗斯 ! " " "年不同工业部门应用相对比例中占 ) *! & " *。 从! 年访问俄罗斯期间所了解到的情况看，这部 " " # 分还要增加! *! # *。
图3 “: ”型可供钛结构焊接且有可控 ; ’ ) = $ . $ < 性气体环境的有人操作的工作间（全尺寸达> 5 ;）
% 海军舰船用机械摩擦运行的动力装置
为了确保管道系统的运行，必须对管道进行合 适的装 配。在 海 水 中，摩 擦 运 行 的 机 械 装 置 有 阀 （片状阀、球阀、蝶形阀）和泵（活塞型、旋转型、 齿轮型） 。装配和管道接头采用的是法兰和管接头。 在摩擦结构中应用的钛合金有许多特性。钛合金的 一个重要特性是表面存在薄的氧化膜，无氧化膜的 表面有高的活性。由于钛合金摩擦时敏感性很高， 这就要求发展和应用特殊的工艺和技术来提高钛合 金的抗摩擦性能和摩擦机构的服役寿命。 关于摩擦机构服役寿命的评价，俄罗斯提出了 《磨损判据》 ，通过下列公式可以计算金属的磨损量：
表# 到# & & ’年俄罗斯核动力破冰船 钛蒸汽发动机的运行数据 破冰船 “列宁”号 “北极”号 “俄罗斯”号 “苏联”号 蒸汽发动机 开始运行日期 # & ’ % # & ’ ) # & + * # & + & 已运行 时间 ／ ( ! % ! * # ! +
! " & 在热交换器方面的应用（冷凝器、蒸发器等） 俄罗斯在热交换器上也广泛采用了钛合金。表 !列出了俄罗斯自 # & $ ! 年以来各种类型的热交换器 成功运行的情况。各种型号的舰船用钛制热交换器， 俄罗斯已经达到了完全商业化的水平。
第 9期
蒋成禹等：俄罗斯海军用钛情况及我们的思考
0 #
物、硬质合金和合成粉末。不管哪种方法，该部件 表面硬度的增加都要依据特殊的条件。服役寿命和 摩擦机构可靠性的保证不仅由钛合金零件表面条件 确定，当然也由钛合金性能来确定。 应该注意到俄罗斯发展了运行在海水中的摩擦 机构，作为一个原则，却没有提供润滑措施，这是 因为海水本身就是润滑剂。
上面的计算还没有把检修和管道部件替换期内 船舶的停工期考虑进去。铜合金管道的平均服役期 限为%年，而钛合金的平均服役期限为 6 : 年。考虑 到这些管道的价格，钛合金管道的费用比铜合金管 道费用少0 $ 1。在计算过程中，也没有把检修和管 道部件替换期间设备延期所引起的损失费考虑进去。 这类损失只有从整个管道系统的全周期费用才能计 算出来，因此虽然!7 2钛合金比!7 2铜合金贵，但 是钛合金结构的价格要比铜合金结构的便宜。
图& 俄罗斯! " " "年钛材在不同工业部 门应用的相对比例
# 俄罗斯海军用钛情况
钛在海军装备方面的应用，俄罗斯处于世界绝 对领先的位置。世界上第一艘全钛核潜艇（见图 ! ） 于& ( + ,年& !月下水，已运行 # " 多年。该潜艇应用 了大量的板材、管材、锻件，潜艇的所有装置全部 是由钛合金制造的，这包括巨大的焊接结构壳体、 巨大的管路系统和不同的装置和机器设备。该潜艇
!? " $） 5（# 式中：!1稳定摩擦过程中的金属磨损量， " 51 磨损
的相对标准，#1垂直摩擦表面的力，$1摩擦路径。 对于一个具体的摩擦副， " " 5 的值是不变的。 5 的值是通过使用任意的 # 值和$ 值试验得出的。如 果知道" 5 值以后，就可以从指定的 # 值和$ 值估 计出摩擦机构的磨损值以至确定它的试验性的服役 寿命。可以通过 9 种办法来提高摩擦单元的服役寿 命：强化钛合金表面和根据零件材料正确选择摩擦 组合。钛合金表面硬化有几种不同的方法，特别是 对于在海水中运行的摩擦机构，推荐下列几种方法： 热氧化、微弧氧化、爆炸喷涂。使用热氧化可以使 硬化层的厚度达到5 @ >; ;，而使用微弧氧化可以使 其达 到 5 @ 5 >; ;，爆 炸 喷 涂 的 喷 涂 厚 度 可 以 达 到 >; ;。喷涂 的 基 本 材 料 是 氧 化 物、硼 化 物、氮 化
表0 外侧水冷凝管道系统的比较数据 特 征 ’ ( ) * + , # ! . / & 合金 合金 % " 5 $ # 8 & " # # " & & % ! 6 9 ! ! : 8 # ! # " 6 ! ! # !$ 9 % !5 ! 6 ! & " # % 6 " # # 6 8 & ! " # & % 6 & % 5 8 & & " # ! ! # & % % 0 0 : ! : 6 :
! " ! 在舰船管系的应用 俄罗斯的舰船管系大量采用钛合金制造，他们 认为管系应该满足所有等级舰船的运行要求，并且 规范了舰用管系的标准要求。规定了管系结构的初 始服役期应达到 + 年 !& 年（即第一次进船坞维修 的期限） ，并且服役寿命至少应不少于 # * 年，全寿 命要求所有等级舰船应在 ! * 年 !, % 年期间可靠运 行。实际上钢、铜合金、不锈钢管系在 ! 年 !* 年 期间已经有腐蚀破损。俄罗斯舰船纪录表明，只有 钛及钛合金被允许作为管系最好的材料。 ! " ’ 在声纳系统的应用 俄罗斯失事的“库尔斯克号”声纳系统就是采 用钛 合 金 制 造 的。我 国 因 军 用 及 商 用 目 的 购 置 的 " + ’ ’艇、" $ , $ 艇、 & * $ 舰、“明斯克”航母、“基 辅”号航母，它们的声纳导流罩（见图 ,）都是采
第! "卷 第+期 ! " " #年 & !月
. / 0 ! " 1 . 0 + 2 3 4 3 5 6 3 7 ! " " #
俄罗斯海军用钛情况及我们的思考蒋成禹，徐济Fra bibliotek，严 铿，赵 勇
（华东船舶工业学院材料科学与工程学院，江苏 镇江 ! ） & ! " " # 摘 要：根据资料及最近!年与俄罗斯、乌克兰专家互访与学术交流的情况，概括介绍了俄罗斯目前海军用钛的基
图! " # $ !号全钛核潜艇
用钛合金制造的。根据水下、水面应用的要求不同， 分别采用了单板桁架结构及双层板桁架结构。
）中的应用 ! " # 钛合金在核动力装置（$ % % 在核动力工程中的各种热交换器设备上广泛采 用钛合金，采用全钛核动力蒸汽发动机可以提高寿 命达数# %倍以上。表 # 给出了自 # & ’ % 年以来俄罗 斯核动力船蒸汽发动机的数据，从表 # 可知，核动 力蒸汽发动机的服役寿命和船的服役寿命是等同的。
" 俄罗斯钛材应用情况
通过对俄罗斯钛材应用的比例数分析（见图& ）可
收稿日期： ! " " # $ " % $ & ’ 万方数据 & 作者简介：蒋成禹，男， ，电话： ( ’ %年生，教授，华东船舶工业学院材料科学与工程学院，江苏镇江! & ! " " # " % & & $ ’ ’ " & " & !
图! 海军用的可焊钛合金
! " # 模铸件 俄罗斯 在 海 军 舰 船 中 对 钛 合 金 泵、阀、活 塞、 螺旋桨等大量采用模铸。目前俄罗斯有 " 个铸造厂， 最大 的 铸 钛 厂 在 # $ % $ & ’ ( ’ % ) *（泽 兰 道 勒 斯 克） 城 （坦塔斯坦） ，该厂装备了 / + , , . ) , & $ 0 , 1! 2（涅 瓦1! ，/ 2） $ 0 , 13 2，/ $ 0 , 14 2 型凝壳炉，可以 生产重达"5 5 5* 6的大铸件。 ! " $ 焊接及连接工艺 在俄罗斯 有 很 多 焊 接 工 艺，+ 7 8、 2 7 8、真 空 电子束焊、惰性气体保护激光焊、压力接触焊、惰 性气体电渣焊、扩散焊、真空钎焊，这些焊接工艺 都可以全位置操作。 俄罗斯拥有独特的充入惰性气体保护的焊接操 作室（见图3 ） 。对于复杂件，以及对于钛焊件正面 和反面很难进行保护时，宜在充氩气的房间中进行 焊接。在大厚壁结构件焊接中，俄采用手工和自动 的窄间隙焊接的方法是一种值得我们重视的工艺。 他们采用比基体强度低的焊丝进行焊接，由于焊缝 窄，热影响 区 小，焊 接 接 头 具 有 高 的 塑 性 和 韧 性， 而无须采用加强高。利用电子束焊接方法可以对大 截面高强度钛合金进行焊接。 在核潜艇中，钛与其他金属钎焊而形成的牢固 而密封的钎焊接头得到了广泛的应用，其钎料及钎 焊工艺可以根据使用部位、使用温度进行设计和实 验确定。用这种方法所得到的异种金属焊接接头经 氦探漏检查是密封性很好的接头，其服役寿命可达 9 3年以上。 为了解决钛结构在核工程、舰船中的应用问题， 俄罗斯经过多年的实验研究，创立了许多实用而科 万方数据 学的实验手段、实验设备。从材料常规性能、特种