美國(guó)LCS艦船。

　　鈦及鈦合金具有密度小、耐腐蝕、耐磨蝕、無(wú)磁等優(yōu)點(diǎn)，是海洋環(huán)境中理想的使用材料，尤其是應(yīng)用于海軍艦船及其裝備，可大大提高戰(zhàn)斗力、減少維護(hù)成本、延長(zhǎng)使用壽命、提高隱蔽性。美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)都十分重視鈦和鈦合金在艦船上的應(yīng)用研發(fā)工作。
　　它山之石可以攻玉，了解鈦合金在美國(guó)等國(guó)外艦船應(yīng)用有利于我國(guó)提高船艦的性能，對(duì)鈦合金在我國(guó)艦船上的應(yīng)用起到借鑒作用。吸取其有益的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)鈦及鈦合金在我國(guó)艦船上的應(yīng)用及研發(fā)工作。
　　鈦及鈦合金及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)
　　美國(guó)國(guó)防部根據(jù)21世紀(jì)海軍新型艦船裝備與海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的需要，正在開(kāi)展一系列新材料及其應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目的研發(fā)工作。
　　連接技術(shù)項(xiàng)目：美海軍在艦船和船廠使用了鈦和專(zhuān)用的鈦合金，研究開(kāi)發(fā)了該類(lèi)鈦合金的專(zhuān)用連接技術(shù)。大型復(fù)雜鈦及鈦合金結(jié)構(gòu)件在采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品制造時(shí)，為減少機(jī)加工量，提高材料利用率，降低該類(lèi)產(chǎn)品制造成本，連接技術(shù)的采用是非常必要的。美陸軍制造技術(shù)項(xiàng)目VIII在通過(guò)改變現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備的焊接波形來(lái)提高焊接速度方面已取得重大進(jìn)展。目前，該項(xiàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)成果已轉(zhuǎn)讓給美陸軍和承包商、工業(yè)與海軍部門(mén)。該項(xiàng)目后續(xù)將繼續(xù)通過(guò)開(kāi)發(fā)自動(dòng)焊接技術(shù)來(lái)提高焊接速度和焊接效率。該項(xiàng)工藝技術(shù)經(jīng)全面評(píng)價(jià)考核合格后，將轉(zhuǎn)讓給美陸軍和其他國(guó)防系統(tǒng)部門(mén)。國(guó)防預(yù)研規(guī)劃局鈦焊接中小企業(yè)創(chuàng)新基金正在研究開(kāi)發(fā)提高海軍鈦合金如Ti．5111焊接性能的低成本焊接技術(shù)。例如美海軍正在致力研究的熔劑焊芯，它在不需要惰性氣體保護(hù)的條件下能保護(hù)焊縫和新型填充焊絲，以此來(lái)增加Ti．5111合金焊縫的焊透深度，進(jìn)而節(jié)省焊接時(shí)間和成本。
　　為了支持美國(guó)PLD17級(jí)艦上大量海水配管用鈦的焊接技術(shù)，美海軍制造技術(shù)項(xiàng)目XII正在開(kāi)發(fā)能夠增加焊縫區(qū)熔透深度的高電阻焊劑。此外，為了開(kāi)發(fā)在CVN21航空母艦上應(yīng)用的鈦結(jié)構(gòu)，美海軍正在船廠進(jìn)行焊接項(xiàng)目XIII的研究。
　　海軍用新型Ti．5111鈦合金研制開(kāi)發(fā)：20世紀(jì)80年代末期，由美海軍水面作戰(zhàn)中心與鈦金屬公司合作研制成比現(xiàn)有鈦合金強(qiáng)度更高、成本較低的Ti．5111(Ti－5A1．1V－1Sn－IZr－0．8Mo)鈦合金。由于它強(qiáng)度高、可焊性良好、耐海水應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力強(qiáng)，將取代目前的Ti－6A1．4V ELI鈦合金。目前，Ti．5111合金已被加工成6~51mm厚度板材、棒材、條材、鍛件和鑄件。美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心卡德洛克分部用鎢極氣保焊制成25．4mm和51mm厚度焊件，進(jìn)行了激光錘擊試驗(yàn)，并對(duì)焊件在海洋環(huán)境中的使用性能進(jìn)行了全面評(píng)定。由于Ti－5111合金具有中等強(qiáng)度，并具備優(yōu)良的韌性、室溫抗蠕變性能以及耐蝕性，是理想的緊固件材料，可滿足艇用緊固件的強(qiáng)度，以及高韌性、抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和抗室溫蠕變性能的要求。2002年，該合金首先在新型潛艇通信桅桿上作為商品投入使用，之后又?jǐn)U大到美TBD轟炸機(jī)等結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用。

　　鈦及鈦合金應(yīng)用實(shí)例
　　在LPD17兩棲船塢運(yùn)輸艦上的應(yīng)用：20世紀(jì)90年代中期，美海軍決定在LPD17兩棲船塢運(yùn)輸艦的2個(gè)主海水配管系統(tǒng)上使用了鈦，全壽命期節(jié)省成本可達(dá)1700萬(wàn)美元。配管系統(tǒng)的建造是在船廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的。該艦的關(guān)鍵部位上層建筑區(qū)也大量使用了鈦，使其質(zhì)量減輕約50％，大大提高了該艦的穩(wěn)定性。此外，LPD17艦上約1000多個(gè)管件采用不同直徑的2級(jí)純鈦管，總長(zhǎng)度達(dá)11000ft(≈3353m)以上。
　　為降低鈦材應(yīng)用成本，美海軍開(kāi)展了大量低成本鈦材應(yīng)用技術(shù)研究工作。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，在LPD17艦上可使用任何低成本鈦材。此外，美國(guó)國(guó)防部還設(shè)立專(zhuān)門(mén)低成本焊接技術(shù)項(xiàng)目，來(lái)降低鈦材的焊接成本。
　　在CVN21艦上的應(yīng)用：質(zhì)量和穩(wěn)定性是CVN21艦設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了適應(yīng)航空母艦50年服役期內(nèi)質(zhì)量不增加的使用要求，初始設(shè)計(jì)質(zhì)量必須保持最小。如果在船廠可以大范圍應(yīng)用鈦制造技術(shù)的話，CVN21艦大量采用鈦建造結(jié)構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)減重達(dá)4000t。目前，美海軍制造技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目XIII正在試驗(yàn)探索CVN21艦上可以改換成鈦建造的候選部件，主要包括消防配管系統(tǒng)、隔離門(mén)、升降機(jī)門(mén)、艙口和水密門(mén)、貯存艙和防護(hù)裝甲。主要結(jié)構(gòu)部件諸如舷側(cè)凸體、島結(jié)構(gòu)和飛行甲板應(yīng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)檢驗(yàn)。該項(xiàng)目將影響其國(guó)防部正在進(jìn)行的所有鈦技術(shù)項(xiàng)目，并可顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，適于船廠應(yīng)用的鈦制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)。這包括鈦適當(dāng)應(yīng)用部位的選擇，利用輕質(zhì)材料優(yōu)點(diǎn)的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低材料成本（板材、棒材、鑄件和鍛件）以及開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的焊接、彎曲和成型等制造工藝技術(shù)。
　　在濱海戰(zhàn)艦（LCS）上的應(yīng)用：LCS是美國(guó)一種全新型戰(zhàn)艦，具備快速、敏捷和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。LCS的模塊專(zhuān)注使命設(shè)計(jì)，可為戰(zhàn)斗指揮官提供要求的作戰(zhàn)能力和適應(yīng)性，以保證聯(lián)合力量的海上優(yōu)勢(shì)。該型艦的沖擊速度達(dá)40~50kn，可進(jìn)行超過(guò)3500mile（約5633km）的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。根據(jù)航速和航程的要求，LCS必須要選擇輕質(zhì)材料。而復(fù)合材料、鋁和鈦是殼體和所有結(jié)構(gòu)部件考慮選用的主要材料。然而，在2005年開(kāi)始LCS首艦的詳細(xì)設(shè)計(jì)和建造時(shí)，由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有現(xiàn)成的低成本鈦，主要部件選擇鈦受到了限制。目前LCS承包商感興趣的是減輕質(zhì)量，正在計(jì)劃用鈦代替泵、配管、煙囪、門(mén)和艙口等結(jié)構(gòu)部件常規(guī)用材料。
　　鈦合金還需努力才能在艦船建造中成為重要的材料
　　目前，適合海洋環(huán)境使用的鈦和鈦合金種類(lèi)有限，難以滿足海軍復(fù)雜的使用工況環(huán)境對(duì)材料性能的多樣化要求。另外，和傳統(tǒng)材料相比，鈦合金應(yīng)用成本偏高，嚴(yán)重影響了美國(guó)在海軍上擴(kuò)大鈦合金應(yīng)用的進(jìn)程。因此，根據(jù)不同使用工況環(huán)境要求，研發(fā)更多新型海軍用鈦合金牌號(hào)、增加海軍用鈦合金種類(lèi)、降低成本、改進(jìn)焊接材料與工藝仍是今后美海軍鈦合金應(yīng)用的主要方向，也是其擴(kuò)大鈦合金應(yīng)用的前提。
　?。ㄗ髡邌挝唬郝尻?yáng)船舶材料研究所）