據(jù)“今日俄羅斯”新聞網(wǎng)7月9日報道，一組研究人員日前公布了一段關于前蘇聯(lián)海軍沉沒的核潛艇“共青團員”號的視頻，并宣稱已經(jīng)檢測到該艘核潛艇泄露的放射性物質(zhì)。據(jù)報道，來自俄羅斯和挪威的聯(lián)合科學小組正在對這艘失事的潛艇進行例行監(jiān)測，在一份從深度約為1700米的海水中取出的樣本里，研究人員檢測到該樣本的放射性水平非常高。在他們提取的三個樣本中，這一樣本的輻射水平比普通海水高出10萬倍。而更令人擔心的還有隨之而來的核污染，該潛艇上的核燃料濃度非常高，并且潛艇上十枚魚雷中有兩枚是核彈頭。

據(jù)了解，蘇聯(lián)的共青團號號稱蘇聯(lián)最強的核攻擊型潛艇。為了保證核潛艇的安全性，蘇聯(lián)使用了當時最昂貴的金屬鈦合金來制作這艘核潛艇的外殼，因此，這艘核潛艇也被稱之為是用金子所做的魚。

 

 

 

 

 

 延伸閱讀：

 

全面解析艦船用鈦合金及其腐蝕防護

 

艦船是海軍最重要的裝備，是海上運輸、戰(zhàn)斗的平臺，用于建造艦船的材料要能耐海水、海洋大氣的腐蝕，比強度高，塑韌性及加工工藝性好。由于艦船整體結(jié)構(gòu)復雜，所使用的材料量大，且品種、規(guī)格多。選擇性能優(yōu)異的材料制作軍艦是保證海軍裝備完整性和先進性的基礎。

鈦合金在艦船上得以應用，主要是基于鈦合金的以下特性：很寬的強度范圍，優(yōu)異的機械性能，獨特的物理性能（包括磁性能），較高的比強度和結(jié)構(gòu)有效性，優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐沖刷腐蝕性能，優(yōu)良的抗沖擊性能，良好的可加工性和焊接性，合理的成本及有效性。大量船用管系材料使用經(jīng)驗證實，管路系統(tǒng)中傳統(tǒng)材料的使用壽命是有限的，其中，鋼管路系統(tǒng)使用 1.2 ～ 2 年后會發(fā)生腐蝕，CuNi 管路系統(tǒng)使用壽命為 6 ～ 8 年，而鈦合金管路系統(tǒng)中的管、泵、閥、熱交換器等設備可服役 40 年以上。由于船用鈦合金需在海洋環(huán)境中長期服役，設計船用鈦合金時需綜合考慮合金的強度、應力腐蝕斷裂韌性、可焊性等。

國內(nèi)外船用鈦合金應用

 

1.俄羅斯船用鈦合金應用

 

俄羅斯護衛(wèi)艦

 

俄羅斯是世界上研制和使用船用鈦合金最早的國家，也是船用鈦合金使用范圍最廣泛、數(shù)量最多的國家。主要包括PT-7M、PT-1M、PT-3V、37、5V 鈦合金及其相應的焊絲，并形成了 490、585、686、785MPa 等不同強度級別的船用鈦合金產(chǎn)品。鈦合金已被成功應用于艦船上的以下部件及設備中：深水立管、補給管、泵、過濾器、通海管路、飲用水管、鉆井管和地下水管路、熱交換器、柴油機獨立消防泵和滅火系統(tǒng)、深水設備殼體、外井系統(tǒng)柔性管、壓力容器、平臺緊固接頭的高強柔性拉伸部件、工藝溶液的管系和容器等，并相繼在前蘇聯(lián)系列核動力破冰船“列寧號、”北極“號、”俄羅斯“號、”蘇聯(lián)“號和其他型號的艦船上使用。前蘇聯(lián)系列核動力破冰船上的鈦制蒸汽發(fā)生器，已安全使用 20 ～ 40年，并且未發(fā)生任何嚴重破損。

 

 

2.美國船用鈦合金及其應用

 

美國船用鈦合金主要以航空用鈦合金為基礎，選取了在海水腐蝕環(huán)境下具有耐蝕性、可焊性和抗應力腐蝕性的鈦合金， 包 括 純 鈦、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。此外，針對船用鈦合金的特點，還研制了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 等其他船用鈦合金。艦船上使用高性能鈦合金對于提高艦船的移動性、穩(wěn)定性、有效性，減輕船體質(zhì)量等都具有顯著的作用。美國海軍在 20 世紀 90年代曾對以下艦船進行認證考核，包括：核動力航母（CVN）、導彈巡洋艦（CG-47）、導彈護衛(wèi)艦（FFG-7）、探測船（MCM）、水陸兩棲登陸艇（LSD41CV）、登陸船、氣墊船（LVCA）、水陸兩棲強擊登陸船（LHD）、快速作戰(zhàn)軍需品補給船（AOE-6）、雙層殼體監(jiān)視船（SWATHT-AGOS19）、海岸探測船（MHC-51）、導彈驅(qū)逐艦（DDG-51）。這些艦船的海水冷卻系統(tǒng)、海水系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)件、推進器、污水處理系統(tǒng)、電器元件、緊固件等，均已使用或即將使用高性能鈦合金。

 

美國大型游輪

 

3.中國船用鈦合金及其應用

 

中國船用鈦合金的研究與應用始于 20 世紀 60 年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成較完整的船用鈦合金體系，能夠滿足艦艇、潛艇和深潛器對不同強度級別的要求。應用領域涉及船體結(jié)構(gòu)、推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、特種裝置等。按屈服強度等級劃分，即屈服強度在 490MPa 以下為低強鈦合金，具有優(yōu)異的塑性；490 ～ 790MPa 為中強鈦合金，高于 790MPa 為高強鈦合金，主要用于船舶動力工程中的耐熱耐蝕部件和船舶特種機械等。

 

4.日本船用鈦合金及其應用

 

日本船用鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，主要被應用于深潛器的耐壓殼體及各種民用游船、漁船。

使用中存在問題及解決方法

 

1.縫隙腐蝕

 

腐蝕問題：艦船中使用的可拆卸連接件（法蘭、螺紋連接等）等部件存在較小縫隙，縫隙內(nèi)會存在具有侵蝕性的高濃度氯離子和氟離子，這就要求鈦合金在海水環(huán)境中具有良好的抗高溫縫隙腐蝕能力。鈦合金熱交換器和海水淡化設備內(nèi)，工況環(huán)境為 90 ～ 250℃、介質(zhì) pH 值為 1.5 ～ 4.0（尤其是在鹽和煤油狀沉積物處），其縫隙腐蝕是非常致命的。防腐措施：（1）在鈦合金中添加 Pd、Ｒ u 元素可有效改善鈦合金的耐縫隙腐蝕性能。（2）在鈦合金表面進行含 Ru/Pd 的表面處理，例如在鈦合金表面滲入 Ru/Pd 元素或者進行微弧氧化在鈦合金表面形成含 Ru/Pd 元素的氧化物。為減少表面處理的成本，也可以在鈦合金表面制備含 Ru/Pd 元素的梯度涂層。（3）采用陰極保護技術(shù)保護鋼結(jié)構(gòu)時，電位在－ 800mV ～－ 1050mV之間，避免產(chǎn)生氫過飽和導致鈦合金出現(xiàn)氫致開裂。

2.電偶腐蝕

 

鈦與鋼、銅連接時極易出現(xiàn)電偶腐蝕，防護措施包括：

⑴管材進行熱氧化、微弧氧化、陽極氧化，在金屬表面形成氧化層或陶瓷層以實現(xiàn)絕緣。對鈦管進行氧化處理，形成的氧化膜可降低鈦合金陰極極化效應 80% ～ 90%，氧化膜壽命等同于鈦管壽命。

⑵在管材、閥嘴與鋼、銅設備接觸的界面處用瀝青質(zhì)橡膠進行絕緣處理；⑶在鈦管與不銹鋼噴嘴連接處進行中間凸緣保護。

3.大型結(jié)構(gòu)件的焊接腐蝕

 

防護措施包括：

⑴艦船上使用的殼體、高壓壓力容器、拉伸部件等大型結(jié)構(gòu)件基于耐壓性能要求需要使用高強鈦合金，并且要求高強鈦合金厚壁焊接件的連接在海水中要有極好的可操作性，焊后無須進行熱處理。

⑵美國和歐洲采用 TC4 鈦合金和低間隙 TC4 鈦合金（氧含量控制在 0.13% 以內(nèi)）；俄羅斯普羅米修斯結(jié)構(gòu)材料中央研究院研發(fā)了 PT-3V、37、5V 船用鈦合金；中國研發(fā)了TA24、TA31 鈦合金。

⑶對于大型結(jié)構(gòu)件，焊接后不能進行熱處理，而表面存在拉伸應力，大大降低鈦合金構(gòu)件耐腐蝕和抗疲勞性能。可對焊接件表面進行超聲沖擊處理，將焊接件表面拉伸應力轉(zhuǎn)變成為壓應力，以利于疲勞性能的提高。

中國船用鈦合金的發(fā)展展望

 

對于材料研究來說，中國船用鈦合金還需開展鈦合金在海洋環(huán)境中的性能研究，包括：

①工況環(huán)境（溫度、pH 值、溶液成分）、受力方式（自由狀態(tài)、反向彎曲、扭轉(zhuǎn)）、交變載荷對鈦合金在空氣和海水中腐蝕疲勞、疲勞裂紋擴展速率、應力腐蝕斷裂韌性的影響研究；②加工工藝對鈦合金管材織構(gòu)類型（徑向織構(gòu)、軸向織構(gòu)）以及織構(gòu)類型對管材加工工藝（擴口、壓扁、爆破）性能的影響；③ Pd、Ru 微量元素對鈦合金在 H 2 S、Cl - 環(huán)境中耐蝕機理的研究；④鈦合金在輻照環(huán)境下的拉伸、疲勞性能評價；⑤耐蝕鈦合金不同焊接形式的焊接變形控制和矯正研究；⑥耐蝕鈦合金新型近凈成形技術(shù)的研究與評價。

 

 

鈦及鈦合金在國外艦船上的應用

 

0 引 言

 

鈦及鈦合金是 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的新型材料，具有強度高、密度小、耐腐蝕、無磁、焊接性能好、透聲、抗沖擊性好等優(yōu)點，尤其是在海水、海洋環(huán)境中具有良好的耐蝕性，是優(yōu)異的輕型材料。

各國海軍及造船業(yè)對鈦及鈦合金在艦船上的應用研究十分重視，并在艦船上采用鈦合金，以提高艦船設備運行的可靠性和使用壽命，從而提高艦船的綜合性能。

1 鈦及鈦合金的性能特點

 

1.1 耐蝕性優(yōu)異

 

鈦在中性和氧化性環(huán)境及眾多惡劣環(huán)境中比其他常用金屬材料耐腐蝕性高，特別是對海水中氯離子具有很強的抗腐蝕能力。鈦的表面可形成一層非常薄且堅固的氧化膜，使鈦鈍化而不受海水腐蝕。鈦的鈍化膜具有很好的自愈性，當受到破壞或劃傷后可以迅速自動修復，形成新的保護膜。正是這層氧化膜保護鈦不受海水侵蝕，在無化學變化和污染的情況下，鈦可以完全抵抗自然海水的腐蝕。與不銹鋼、鋁合金、銅合金相比，鈦合金在流動海水中的腐蝕速率幾乎為 0。

純鈦在嚴峻的海洋環(huán)境中，容易受到縫隙腐蝕和點蝕的影響，而鈦合金的疲勞性能和韌性則不受海水影響，并且對海水應力腐蝕裂紋有抵抗作用，因此在易出現(xiàn)縫隙腐蝕和點蝕的地方可以采用鈦合金代替純鈦。

1.2 比強度高

 

比強度是指材料強度與密度的比值。比強度越大，以相同強度設計就能獲得更小的結(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度。高的比強度可以使設備設計更加緊湊，大幅減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時提高裝備的安全性。

1.3 無磁性

 

鈦合金沒有磁性，可以提高探測儀器及工具的抗磁干擾，保證信號的準確性，同時減小設備的磁物理場效應。在很強的磁場中也不會被磁化，不易被磁探測儀發(fā)現(xiàn)，增加隱蔽性，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有良好的反監(jiān)護作用。

1.4 耐熱和耐低溫性能優(yōu)異

 

鈦的耐熱性和耐低溫性能良好。目前的熱強鈦合金最高使用溫度可達 500 ℃ ~ 600 ℃，結(jié)構(gòu)鈦合金的使用溫度也可達到 300 ℃ ~ 400 ℃。同其他輕質(zhì)材料如鋁、鎂合金比較，在 300 ℃時，鈦的強度要高 1 個數(shù)量級，而超過 400 ℃，鋁、鎂合金已喪失工作能力，而鈦合金卻能繼續(xù)保持足夠的使用強度，具有明顯的性能優(yōu)勢。鈦的耐低溫能力很突出，采用低間隙元素的鈦合金可以耐 –253 ℃的低溫，在此溫度下，合金強度比室溫提高了 1 倍，而塑性則保持室溫狀態(tài)下的水平。

1.5 中子輻照衰減性能優(yōu)異

 

在同等強度的中子輻照條件下，普通鋼材受到輻射需要近 100 年才能逐漸衰減，而鈦合金的輻照衰減性能是其 10 倍以上，即 8 – 10 年后就可以安全回收，這對核廢料的掩埋、核動力設備的回收以及生態(tài)環(huán)境的保護具有非常重要的意義。

2 鈦合金在國外艦船上的應用情況

 

基于鈦合金上述優(yōu)異性能，使用鈦合金可以大幅降低艦船裝備的結(jié)構(gòu)重量，在實現(xiàn)艦船高機動性的同時，還可以保障其高可靠性和安全性。

以美國和俄羅斯為主的國外海軍很早便開始了鈦及鈦合金在艦船上的研究和應用。

2.1 美國

 

美國海軍于 1950 年便開始關注將鈦合金應用于艦船工業(yè)的可能性，并于 1963 年開始逐步開展相關的工程研究，主要應用過的艦船用鈦合金包括：純鈦、Ti-0.3 Mo-0.8 Ni，Ti-3Al-2.5V，Ti-6 Al-4 V，Ti-6 Al-4VELI，Ti-6 Al-2 Nb-1Ta-0.8 Mo，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。表 1 列舉了美軍艦船常用鈦合金及其性能特點。其中，Gr.32 即為 Ti-5111，是美國海軍與鈦金屬公司（Titanium Metals Corporation—Timet）共同合作研制的，其名義化學成分為 Ti-5 Al-1 Zr-1 Sn-1 V-0.8Mo-0.1 Si。該合金的突出特點是具有良好的斷裂韌性及抗應力腐蝕性能，同時又具有良好的抗室溫蠕變性能；其沖擊韌性約為 Ti-6 Al-4 V 的 3 倍，并且易于焊接，能夠進行大規(guī)格型材的焊接。

 

圖 1 “阿爾文”號深潛器的載人艙

 

美國首先在深潛器耐壓殼體上試用鈦合金材料，1973 年用板厚 49 mm 的鈦合金代替 1964 年建造時采用的 HY100 高強鋼（板厚 33.8 mm），制成了“阿爾文”號科研深潛器的耐壓殼體，下潛深度從 2 000 m 增加到 3 600 m。近年來，美國又對新型“阿爾文”號進行了研制工作，其下潛深度將增加至 6 500 m。

1981 年和 1982 年建造的“海崖”號深潛器裝備了鈦制的觀察艙和操縱艙，下潛深度可達 6 500 m。

20 世紀 80 年代，美國啟動了高強鈦合金在艦船上應用的適應性研究，并陸續(xù)將一些高強鈦合金應用于艦船裝備。

早期的應用之一即為 SPY-1D 雷達的冷卻器，冷卻器由 0.5 in 的鈦管集束組成，使用了工業(yè)純鈦 2級，最初安裝于 DDG 51 驅(qū)逐艦和CG 47 巡洋艦的雷達系統(tǒng) 。

鈦合金在美海軍艦船上早期的另一應用是渦輪發(fā)動機的冷凝器，最先應用于“埃爾默·蒙哥馬利”號護衛(wèi)艦上（FF1082）。此外，CVN航母、CG 47巡洋艦、DDG 51驅(qū)逐艦 的海水泵也使用了鈦合金。

在 “圣 安 東 尼 奧 ”級 兩 棲 船 塢 運 輸 艦 （ LPD17）上應用鈦合金海水管系，是美軍艦船鈦合金的一個標志性應用。前期投入雖然比銅-鎳合金管系高，但全壽期節(jié)省成本近 1 700 萬美元。近年來，美軍海軍又啟動相關項目，將鈦合金應用于“自由”級瀕海戰(zhàn)斗艦（LCS）主燃汽輪機排氣管道（進氣口），可使重量減少達 8 100 ~ 9 900 kg 。

在潛艇方面，除了在管路系統(tǒng)中應用鈦合金外，美國海軍已經(jīng)成功將鈦合金 Ti-5111 應用于潛艇高數(shù)據(jù)率通信天線，其結(jié)構(gòu)和在潛艇上的應用如圖 2 所示。

潛艇的天線工作環(huán)境較為苛刻，腐蝕較為劇烈，Ti-5111 合金制作的高數(shù)據(jù)率天線得益于鈦合金材料耐腐蝕、高強度的特性，抗拉強度達到 689 MPa，屈服強度為 586 MPa，并且具有極高的斷裂韌性。該天線已在美國 30 艘潛艇上應用。

表 2 總結(jié)了美國海軍艦艇用鈦合金情況，從表中可看出，目前美軍艦船上應用鈦合金最多的為各種管路系統(tǒng)和動力系統(tǒng)裝置。

 

2.2 俄羅斯

 

俄羅斯船用鈦合金的研究和實際應用水平居世界前列，擁有專門的船用鈦合金系列，如船體用鈦合金ПЫ-1 M；船機用鈦合金 ПЫ-7 M；船舶動力裝置用鈦合金 ПЫ-3 B，5 B 等，強度級別分別為 490 MPa，585 MPa，686 MPa，785 MPa 。

俄羅斯是世界上第 1 個擁有鈦合金核潛艇的國家，從開始的試驗艇“帕帕”（PaPa）級鈦合金巡航導彈核潛艇（661 型）（簡稱 P 級），到后來的“阿爾法”級鈦合金潛艇，再到“麥克”（Mik）級，最后到“塞拉”（Slerra）級，1963 – 1988 年的 20 多年間，俄羅斯共建成了 3 級 12 艘全鈦合金攻擊型核潛艇，包括 7 艘“阿爾法”（Alfa）級、1 艘“麥克”級和 4 艘“塞拉”級。表 3 列舉了俄羅斯采用鈦合金作為耐壓殼體的相關潛艇。

 

俄羅斯“基洛”級常規(guī)潛艇，其早期最典型的特點就是聲吶導流罩結(jié)構(gòu)全部采用鈦材。聲吶罩全部結(jié)構(gòu) 的 所有部位 （ 透聲板 、 支架 、 法蘭 ） 均使用ПＴ3Ｂ單一鈦合金制造，采用單壁結(jié)構(gòu)，由數(shù)控銑床加工出均布透聲孔，具有良好的透聲性、足夠大的剛度以及優(yōu)秀的抗變形能力。

近些年，根據(jù)鈦合金耐腐蝕的優(yōu)點，俄羅斯改變了鈦材耐壓艇體的使用方向，在熱交換器、海水淡化器、冷卻器、冷凝器、管道等設備中大量采用。

2.3 其他國家

 

日本的艦船鈦合金型號主要有 Ti-6 A1-4 V，Ti-6AI-4 VELI，主要應用于深潛器的耐壓殼體。日本科學技術(shù)廳 1981 年建造的深海載人潛水調(diào)查船“深海2000”號，其外殼骨架、均壓容器、配管等均采用了鈦合金，下潛深度達 2 000 m。神戶制鋼公司高砂制作所建造的“深海 6500”號調(diào)查船，耐壓殼體采用 Ti-6A1-4 V，其下潛深度達 6 500 m。此外，近些年日本還將鈦合金越來越多的應用于潛艇的柴油機排氣管與海水系統(tǒng)管路等部位。

法國 1984 年建成的載人深潛器的耐壓殼體由鈦合金制造，下潛深度為 6 000 m。

3 鈦合金應用于艦船的關鍵技術(shù)

 

3.1 焊接工藝

 

常溫下，由于表面氧化膜的作用，鈦及鈦合金能保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性。但鈦在高溫下，特別是在熔融狀態(tài)時對氣體有很高的化學活性。氫、氧、氮等氣體被鈦吸收后，會降低焊接接頭的塑性和韌性，引起接頭的脆化。另一方面，鈦的熔點高、熱容量大、導熱性差，焊接時易形成較大的熔池，并且熔池的溫度很高。

基于上述特點，焊條電弧焊、氣焊、CO 2 氣體保護焊難以用于鈦及鈦合金的焊接。目前，鈦及鈦合金的焊接主要采用鎢極氬弧焊（GTAW）、熔化極氬弧焊（GMAW）、等離子焊（PAW）等。其中，鎢極氬弧焊是最常用的方法，常用于焊接厚度在 3 mm 以下的鈦及鈦合金。

1）現(xiàn)行主要焊接工藝-鎢極氬弧焊（GTAW）

 

“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦（LPD 17）上的鈦合金海水管系是美國海軍首次在艦船上大規(guī)模的采用鈦合金，平均每艘安裝的鈦合金管道多于 3 600 m。

1996 年，諾·格公司簽訂建造合同時便確定了手工鎢極氬弧焊和自動鎢極氬弧焊相結(jié)合的方法來完成管路的焊接工作。其管路選用的是工業(yè)純鈦 2 級，公稱尺寸小于 12 in，其中 2 ~ 12 in Schedule10 的管路采用手工焊，6 ~ 12 in 的管路采用自動焊 。

隨后，埃文代爾（Avondale）造船廠制定了鈦合金管路的焊接工藝規(guī)程，包括生產(chǎn)計劃、測試規(guī)程、質(zhì)量控制和焊接工培訓，這些規(guī)程得到海上系統(tǒng)司令部的批準。為成為認證的焊接工，需要進行一系列培訓，包括課堂學習、課后練習和實際訓練；進行自動焊操作的焊接工還需進行額外訓練。

1999 年，埃文代爾船廠完成了第一批鈦合金管路的焊接工作。生產(chǎn)工作開始后，埃文代爾船廠、愛迪生焊接研究院（EWI）、海軍連接中心和海上系統(tǒng)司令部繼續(xù)對焊接工藝進行改進以最大化的減少費用，將層間溫度由 250 °F 提高到 600 °F，保護氣體的露點由 –60 °F 升至 –40 °F。在焊接了約 2 萬米的鈦合金管道后，埃文代爾船廠的產(chǎn)品不合格率已低于 0.15%。

2）焊接工藝新進展

 

為提高船廠環(huán)境下大型結(jié)構(gòu)件的焊接生產(chǎn)效率，美國海軍主要針對以下幾個焊接工藝開展研究：攪拌摩擦焊、藥芯焊絲電弧焊、脈沖熔化極氬弧焊（P-GMAW）。

攪拌摩擦焊 1991 年由英國焊接研究所發(fā)明，是一種在機械力和摩擦熱作用下的連接方法。與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊相比，攪拌摩擦焊在接頭力學性能上具有明顯優(yōu)勢。

攪拌摩擦焊已經(jīng)實現(xiàn)了鋁合金、鎂合金構(gòu)件制造的大規(guī)模應用。美國海軍研究局（ONR）與空軍實驗室、小企業(yè)創(chuàng)新計劃一起資助了攪拌摩擦焊的研究工作。

美國海軍變形雙體概念艦 T-craft 計劃利用攪拌摩擦焊技術(shù)制造鈦合金全尺寸船體。中段結(jié)構(gòu)中長達 6 m的主甲板由 6 塊鈦合金經(jīng)攪拌摩擦焊焊接而成。

除攪拌摩擦焊外，美國海軍同時還進行了藥芯焊絲電弧焊、脈沖熔化極氬弧焊的研究，以更高效的完成大型結(jié)構(gòu)件的焊接。

圖 3 鈦合金管道自動鎢極氬弧焊裝置

 

圖 4 LPD 17 上使用銅鎳合金法蘭、青銅閥門及鈦合金管道

 

3.2 電偶腐蝕

 

1）鈦合金海水管道電偶腐蝕問題

 

“圣安東尼奧”級兩棲船塢登陸艦（LPD 17）中前 6 艘艦艇大量使用了鈦合金材料的管道，其管道最大外徑約 30.5 cm。

由于制造工藝、成本、裝配、焊接等因素，艦船管道、閥門、法蘭等使用了不同的材料，例如與管道連接的閥門使用的是銅錫合金，其主要是因為鈦合金閥門成本高昂（是銅錫合金的 5 倍以上），尤其是小型支管的閥門，其焊接、裝配工藝要求更高。而采用不同金屬材料的管系須進行電偶腐蝕防護，在管道、法蘭、閥門等部件中進行電絕緣處理 。

2）鈦合金海水管道電偶腐蝕防護措施

 

海水管道實施電偶腐蝕防護，要對法蘭連接處、管道托架與管道連接處、甲板與艙壁通管之間等部位實施電絕緣防護。如圖 5 所示的管道法蘭絕緣防護中，其重要方法是將異種金屬接觸部位物理隔離，將螺紋、螺母與法蘭接觸面之間使用塑料墊圈隔離，并用絕緣塑料套管套在緊固螺釘上，防止緊固件與法蘭面發(fā)生電偶腐蝕。

由于裝配等問題，艦船管系電絕緣通常較難實施，且實施后較難保持，出現(xiàn)管道絕緣器件失效、法蘭隔絕組件失效等情形。此外，艦員進行鈦合金管系維修時的失誤或不當操作，可能也會導致管系電絕緣失效。若絕緣措施不當，鈦合金管道和青銅閥門的電偶腐蝕強烈，維護成本高昂。

圖 5 法蘭電絕緣措施

 

由于緊固件上使用的塑料套管容易破損，易導致電絕緣防護失效，因此美國海軍金屬加工中心研發(fā)了新型緊固件絕緣涂層，改進緊固件電絕緣防護方法。新型的絕緣涂層涂覆在緊固件上，與塑料套管相比，其使用壽命更長，絕緣性能更好，可靠性更高。且緊固件裝配方便，維修便捷。首批采用了該涂層的緊固件將在 LPD17 的鈦合金海水管道上使用。

3.3 生物防污

 

對于長時間在海水中航行的艦船來說，微生物附著等海洋污染不可避免。海洋微生物附著或黏液沉積在材料表面會對設備的整體性能產(chǎn)生影響，甚至導致設備無法正常運轉(zhuǎn)。另外，在艦船維護時，清理海洋污染物也需要花費大量的時間和資金。因此，在艦船設計過程中需要考慮海洋防污問題。

圖 6 新型緊固件絕緣涂層

 

鈦合金在艦船的應用過程中，無論是在熱交換機、冷凝器、管道還是整體船只中的應用，都必須考慮海洋污染問題。長期運行在海洋環(huán)境中的鈦合金熱交換機和冷凝器，其管道表面容易附著一層海洋有機微生物并形成隔熱層，使熱交換機的熱阻超過設計時的允許值。另外，當管道表面形成黏液層時（微生物分泌的一種粘性膠狀物，有些酸性分泌物對船體有腐蝕作用），會使管道內(nèi)的壓力降低。美國海軍水面戰(zhàn)中心卡迪洛克分部的實驗表明黏液層在管路表面形成4 個月內(nèi)，管道內(nèi)的壓力可降低超過 2 倍。

為解決鈦合金管道的生物防污問題，國外海軍和研究機構(gòu)開展了如下防污措施的研究：

1）氯氣防污

 

當海水流速較低時，鈦合金熱交換器或冷凝器需要一些防污保護措施，否則，除化學或機械清洗外，熱交換器和冷凝器的熱阻無法維持。向管道中的海水通入氯氣是有效的防污方法。

美國水面戰(zhàn)斗中心卡迪洛克分部的研究顯示，向鈦合金熱交換機中連續(xù)通入濃度為 0.5 ppm 的氯氣，發(fā)現(xiàn)氯氣可以有效保持管道的清潔和阻止有機物附著。當氯氣通入鈦合金熱交換機管道時，會在熱交換機表面形成一層棕色的附著層，主要成分為二氧化硅、錳和鐵，可以阻止海洋生物藤壺的附著。潮濕狀態(tài)下的該附著層非常容易清理，且能夠隨著海水的流動剝落。

此外，卡迪洛克分部在試驗中并未檢測到通入氯氣的管道系統(tǒng)中有銅基合金的腐蝕情況。這說明，在鈦合金和銅-鎳合金的混合結(jié)構(gòu)管路中，氯化防污法對非鈦合金部分的腐蝕作用很小。

2）電解氯防污

 

對于低流速，溫度為 9.5 ℃ ~ 23.4 ℃，鹽度在 12.5 ~30.85 ppt 范圍內(nèi)的海水環(huán)境中，電解氯可以起到很好的防污效果 [8] 。通常電解氯防污方法采用海水作為電解液，將海水通入電解池中，經(jīng)過電解產(chǎn)生氯原子，氯原子又迅速與海水中的次氯酸鹽和次氯酸反應形成次溴酸鹽，再將次溴酸鹽溶液注入進入冷卻器之前的水蒸氣中，隨后進入冷凝器中。電解氯可有效阻止有機生物的附著，如藤壺或管蠕蟲。

3）高流速海水防污

 

鈦合金熱交換機或冷凝器管道內(nèi)海水的最大流速為 2.7 m/s，當海水以較高的流速（不小于 2.4 m/s）通過管道時，海水本身的速度就可以殺死大量的海洋微生物。管道內(nèi)的高流速海水短時間內(nèi)可殺死 50%的微生物，其中小型（1 ~ 2 mm）藤壺將被全部殺死，而大型藤壺有存活下來的可能。但經(jīng)過長時間的海水沖刷，熱交換機或冷卻器管道將被徹底清潔 。

4）超聲波防污

 

澳大利亞皇家海軍對超聲波防污方法進行了試驗 [9] 。

將超聲波發(fā)生器裝在鈦合金熱交換器和管道的外部，并通過轉(zhuǎn)換器將超聲波的電能轉(zhuǎn)換為液壓振動，在液體中產(chǎn)生億萬個微小的氣泡，使海水中的微生物難以靠近管道表面，無法附著。同時使海水升溫，產(chǎn)生擴張及壓縮，形成空化效應，使管道表面、內(nèi)部及縫隙中的附著物迅速脫落，從而達到清除管道內(nèi)附著物的目的。

澳大利亞皇家海軍還對商用產(chǎn)品“Sonoxide”超聲波水處理系統(tǒng)進行研究。該系統(tǒng)通過將空氣引入超聲波室來制造大量的微氣泡，提高了低功率和高頻超聲波的性能。雖然 Sonoxide 系統(tǒng)性能優(yōu)異，但初期安裝費用較高。

5）高分子膜防污

 

美國海軍水面作戰(zhàn)中心卡迪洛克分部對用于鈦合金表面的一種新型高分子仿生防污膜進行試驗研究 。

仿生高分子防污膜的為 mPEG-DOPA x （聚乙二醇—多巴 [4] ）高分子膜，其中 DOPA 為膠黏劑，作用是將高分子粘附在材料表面，而聚乙二醇則起到防污作用。

試驗證明該高分子仿生防污膜具有良好的抗污性。另外，該實驗還發(fā)現(xiàn)，將 DOPA 從 1 增加到 3，不僅可以增強高分子膜的粘結(jié)性能還可以增強高分子膜的防污能力。

4 結(jié) 語

 

以美國、俄羅斯為主的國外海軍已經(jīng)在耐壓殼體（潛艇和深潛器）、管路系統(tǒng)、動力系統(tǒng)裝置等方面成熟應用了鈦合金，解決了焊接工藝、電偶腐蝕、生物防污等應用的關鍵技術(shù)；同時對相關關鍵技術(shù)的深入研究仍在開展，以更好地解決鈦合金應用于艦船的經(jīng)濟性問題等。

為什么退役軍艦不回收煉鋼，卻任由自然腐蝕？

 

 

首先要澄清一件事，即俄羅斯退役軍艦并非隨意停放而是一種有組織封存。封存軍艦是前蘇聯(lián)海軍一項傳統(tǒng)，后來為俄羅斯所繼承，這主要因為前蘇聯(lián)海軍早期非常落后，軍艦太少，退役軍艦可以拆卸武器留下艦體等合適機會再次改裝，所以前蘇聯(lián)時代起就很少像歐洲國家那般將退役軍艦完全拆解報廢。

 

此外，軍艦拆解實際上成本很高而且非常浪費，世界上有能力做到退役即拆解的國家也只有英美等少數(shù)海軍大國。然而，時至今日，許多介紹俄羅斯海軍現(xiàn)狀資料經(jīng)常展示俄海軍大批退役軍艦停泊于北極海域被自然腐蝕照片。

 

這種情況是由特殊歷史原因造成，實際上那些停泊地并非無人管理的荒蕪海域而是前蘇聯(lián)時期修建的退役艦艇停泊港，可是，由于蘇聯(lián)解體造成國際經(jīng)濟嚴重衰退，俄羅斯軍費連年縮減，武器維修保養(yǎng)都頗成問題更毋庸提去妥善管理這些退役軍艦，這也是我們今天看到這些軍艦正被自然侵蝕主要原因。

 

此外，前蘇聯(lián)時期海軍艦艇退役有嚴格周期制度，所以停泊港口容量一直處于正常狀態(tài)。然而蘇聯(lián)解體后，俄羅斯無力維持如此龐大海軍力量，被迫將數(shù)千艘大小軍艦直接退役，其中很多軍艦尚處于服役最佳年限或剛服役。

 

這造成俄海軍實力迅速衰退同時也給退役軍艦停泊港帶來巨大壓力，因為他們的承載量根本不足以短期內(nèi)接納如此龐大數(shù)量退役軍艦，再加上經(jīng)費短缺及里面有很多維護非常麻煩的先進且嶄新甚至武器都未曾卸載的軍艦，退役軍艦妥善維護基本成為一種奢望。

 

無奈之下，俄羅斯政府只能將這些軍艦大量停放于北冰洋沿海特殊港口任由自然腐蝕，其中甚至包括曾經(jīng)世界最大彈道導彈核潛艇“臺風”級。因為這樣不僅節(jié)約維護或拆解經(jīng)費，還能避免武器出現(xiàn)意外造成傷亡。

服役條件嚴苛且周期長，核潛艇外殼用鋼可不簡單

 

鋼鐵，作為全世界年消耗量超過25億噸的基本材料，被稱為“工業(yè)的骨骼”，研發(fā)高性能的特殊鋼材對于國防和國家建設有著非比尋常的意義。今天我們就來聊聊其中的核潛艇外殼用鋼問題。

（一）核潛艇外殼用鋼是怎樣的存在？

世界上的潛艇大致可以分為單殼體潛艇和雙殼體潛艇兩類。

顧名思義，單殼體的艇體直接由耐壓殼體構(gòu)成，在耐壓殼體外沒有其他包覆殼，耐壓艇體直接裸露在外；而雙殼體潛艇除去內(nèi)部的耐壓殼外，外部還包覆一層非耐壓殼。所謂“好鋼用在刀刃上”，通常我們所討論的高強度潛艇耐壓鋼都用在耐壓殼上。

那么，單殼體和雙殼體結(jié)構(gòu)各有什么技術(shù)特點呢？

 

與雙殼體相比，單殼體結(jié)構(gòu)因為少了一層外殼，也沒有了雙殼體潛艇復雜的舷側(cè)空間結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)相對簡單，在工程量上要比雙殼體結(jié)構(gòu)少。

就單純的工程角度而論，采用單殼結(jié)構(gòu)有利于減少建造時間，擴大建造產(chǎn)量，降低單艇建造成本。

除此以外，與同樣條件下的雙殼體潛艇相比，單殼體潛艇的體積較小，容積和濕面積也較小，單殼體的濕表面積就是潛艇表面積，因此不增加阻力。而其他的殼體結(jié)構(gòu)，或多或少都會增加潛艇與水接觸的表面積，而與水接觸的面積越多，受到的阻力就越大。因為具備最小的濕表面積，單殼體潛艇水下快速性也在所有結(jié)構(gòu)中最優(yōu)秀，是其他結(jié)構(gòu)所不可比擬的。

而雙殼體潛艇在耐壓殼外新包覆了一層輕質(zhì)的外殼（通常情況下直徑要增加1.5-2米），雖然具備了更多的儲備浮力，但也讓濕表面積大大增加，因此所增加的阻力也是所有殼體結(jié)構(gòu)里最多的。

不過，由于增加了一層外殼體，整個潛艇便多了一層保護殼，在作戰(zhàn)時，由于外殼的保護，以及兩層艇體之間結(jié)構(gòu)的支撐和多出的空間，魚雷爆炸時真正威脅到耐壓殼內(nèi)部的損傷也要低得多。因此，雙殼體潛艇的生命力在所有殼體結(jié)構(gòu)中是最優(yōu)秀的。

（“臺風”級核潛艇是人類歷史上最大的潛艇，為雙殼體結(jié)構(gòu)）

 

一般來說，耐壓殼體所需要用到的鋼材都極為強韌，同時也意味著很難加工。總體而言，單殼體和雙殼體各有側(cè)重，需要根據(jù)潛艇任務需求和技術(shù)水平來取舍。

雙殼體潛艇的外殼不需要承擔耐壓任務，可以根據(jù)潛艇最佳的外形設計需要來加工，而內(nèi)部的耐壓艇體則可以根據(jù)施工難度最小、最經(jīng)濟的形狀來加工，既降低了建造難度，也控制了施工風險。

對于工業(yè)能力較弱的國家來說，雙殼體降低了工程建造上的門檻，而對于材料、加工能力較強的國家來說，單殼體可以同時滿足耐壓和良好流線型的需求，進一步提升潛艇性能。

據(jù)稱中國的新一代095和096核潛艇將使用單殼體結(jié)構(gòu)，這也就意味著對潛艇外殼材料的性能和可加工性提出了更高要求。

（二）最好的鋼材用于制造核潛艇耐壓殼

 

由于核潛艇常年潛入深海中巡邏，服役條件苛刻，使用周期很長，可以說是要求最苛刻的鋼材了。除了需要滿足潛艇本身的性能要求外，考慮到工程的性價比因素，這種鋼材的加工成本和難度也不能過高。

核潛艇用鋼需要在以下幾個方面擁有較好的性能：

（1）高屈服強度。

為提高潛艇的各項戰(zhàn)術(shù)性能，必須盡可能增加潛艇的下潛深度。同時，潛艇下潛深度越大，深水對潛艇耐壓殼體的壓力也越大。增加耐壓殼體鋼板的厚度，雖然可承受更大的壓力，但這將導致潛艇的重量增加。所以，提高鋼的屈服強度是根本的辦法。

鋼的屈服強度越高，耐壓殼體重量就越輕，下潛的深度越深，潛艇的隱蔽性就越好，能夠顯著提高潛艇戰(zhàn)術(shù)性能。

（2）高韌性。

全球海洋的海水溫差極大，溫度的波動為零下34到零上49攝氏度，在這個溫度范圍內(nèi)，潛艇鋼必須具有良好的韌性。

潛艇鋼材的韌性要求比一般的工程結(jié)構(gòu)要嚴格得多，特別是在潛艇表面遭受攻擊并產(chǎn)生較大的變形時，也不允許輕易產(chǎn)生破損，因此還要求有良好的抗爆性能。

（3）良好的可加工性。

整個潛艇是一個大型的焊接結(jié)構(gòu)，焊接是潛艇建造的主體工藝，潛艇整體表面要盡量保持相同的性能，這是一個相當嚴格的要求。

焊接過程是金屬重新熔化、重新凝固的過程，它與一體化制造的母材是完全不同的，二者有較大差異。但是要求潛艇鋼材必須具有好的焊接性能才能滿足潛艇建造和使用的技術(shù)要求，否則會產(chǎn)生安全隱患。

（4）良好的耐海水腐蝕性。

海水是一種復雜的多種鹽類的平衡溶液，在長久的使用周期中，潛艇用鋼材必須在海水中均勻腐蝕小，在焊縫附近不產(chǎn)生局部腐蝕。

（5）抗疲勞性能。

潛艇在平時需要經(jīng)常下潛或上浮，潛艇耐壓殼體用鋼要承受反復的壓力循環(huán)，這會縮短潛艇耐壓殼體用鋼的使用壽命，因此，對于潛艇耐壓殼來說，材料的抗疲勞性必須強。

（三）“超級鋼”讓中國核潛艇質(zhì)量提升成為可能

 

去年，中國對外宣布，已成功完成了“超級鋼”的研制并開始小規(guī)模工業(yè)化量產(chǎn)，這一最新科技成果隨即登上了全球頂級學術(shù)期刊《科學》。

據(jù)悉，這種“超級鋼”擁有2200兆帕的屈服強度和16%的均勻延伸率，屈服強度是其他全球同類產(chǎn)品的兩倍。同時，“超級鋼”的密度還比普通鋼材低30%，意味著這款鋼材的綜合性能極佳，在軍工產(chǎn)品制造上前景廣闊，可能已經(jīng)首先應用于中國即將開始量產(chǎn)的095以及096核潛艇。

我們知道，材料在硬度和延展性上屬于魚與熊掌不可兼得的關系，硬度越大的材料意味著其延展性極大受限，這給材料的再加工帶來了極大的困難，比如大家熟悉的陶瓷以及鈦合金。

因此研發(fā)一種即有硬度又有良好延展性的材料一直是各國武器裝備特別是核潛艇建造的關鍵點。

而這次“超級鋼”的誕生，則意味著中國在強度、韌性、可加工性、耐海水腐蝕性、耐疲勞性等方面要求最高的潛艇耐壓殼體鋼材上，終于擁有了達到甚至超過世界先進水平的國產(chǎn)鋼材。

（中國“超級鋼”研究取得巨大突破）

 

反映在直觀的數(shù)據(jù)上，中國的新型潛艇在使用“超級鋼”之后，潛水深度比起上一代至少可以增加50%，這意味著潛艇的下潛深度可以達到900米。艇體重量更輕，速度也會增加不少，這使得水下的作戰(zhàn)深度、廣度和空間被大大拓寬了。

在絕大多數(shù)情況下，目前在役的魚雷根本無法做到有效攻擊900米深度的目標，而深水炸彈雖然在理論上可以做到，但其下降的速度非常慢，不要說比得上攻擊核潛艇，甚至連高速航行的AIP潛艇都無法追上。

水下作戰(zhàn)的深度類似于空戰(zhàn)中的高度，一旦中國具備“上視上射”的潛艇能夠掌握深度（相當于戰(zhàn)機“下視下射”），就可以在作戰(zhàn)中擁有絕對的主動權(quán)，逐個獵殺敵方的海軍力量。

目前，中國是世界上唯一一個可以量產(chǎn)“超級鋼”的國家，由于項目剛起步，且需要經(jīng)歷一個“產(chǎn)能爬坡”的階段，這些“超級鋼”將優(yōu)先供給國防工業(yè)制造先進的裝備，它為中國下一代主戰(zhàn)裝備的鋼材問題的解決提供了一種新的可能性。

不過，需要指出的是，像“超級鋼”這種屈服強度下的鋼材，在建造核潛艇的時候焊接會成為一個極大的難題，加之其韌性和耐腐蝕性還是一個未知數(shù)，因此，能否成功應用到核潛艇這種長期在惡劣環(huán)境中工作的領域，目前還是一個未知數(shù)。

結(jié)語

 

以“超級鋼”為代表的一批“超材料”的誕生，使得人類的應用材料技術(shù)向前推移了一大步，通過排列組合和深層研發(fā)，一定能夠以新設計、新工藝、新材料創(chuàng)造出更偉大的產(chǎn)品，走進千家萬戶的生活中。