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钛及钛合金在船舶方面的潜能及局限

来源:钛,钛合金,钛棒,钛板,钛管,钛丝,钛设备 发布时间:2012-8-22 16:55:56
钛与钢铁相比历史非常短,至今还没超过100年.但是的资源却十分丰富,以下TiO2的形式存在于矿石之中,其储量排在Al、Fe、Mg之后,居第4位。钛及其合金质轻、强度高,耐海水腐蚀,机械加工、焊接性能良好,且焊后不需要热处理,无热影响区脆化问题,是理想的舰船材料。
一、钛船的发展历史
1.1最早的钛船一核潜艇
  最早的钛船是前苏联在1978年一1983年制造的初级攻击型核潜艇,据推测承压船壳就是用钛制造的。这艘潜艇水上排水量为2800t,水下排水量为3600t,潜水深度为600m。前苏联在1983年和1986年又相继制造了两艘I级核潜艇,船腹是钛制作的.冷战结束后虽然这些资料公开了,但是钛材加工方法,尤其是焊接方法,资料上无任何说明,让人感到无从下手。尽管如此,对开发钛船还是起到了一定的促进作用。
1.2深海潜艇
  日本科学技术厅的载人潜水调查船于1989年1月举行下水仪式。同年8月下潜6 500m,创世界最新记录。其承压船壳就是用Ti-6Al-4V合金制造的。另外,还有10 000m深海无人探查机的承压容器也是由Ti-6Al-4V合金制造的,结构是由纯钛制造的。
1.3海洋结构件
  东京湾横跨道路的桥墩外表就是用钛/钢复合板覆盖而成的,1994年被覆工程完工,设计寿命为100年。钛制冰海了望塔、舞洲至梦洲大桥的桥墩也是用钛/钢复合板覆盖而成的,显示出优良的耐蚀性。
1.4最早的民用钛船
  最早的民用钛船是由东邦钛公司和藤新造船所协力制造的竞技快艇,于1985年5月下水,在外国注册登记。这艘快艇长17m,宽4m,高2.5m,重2.8t。除了船舱用钢化塑料(FRP)以外,其它从框架到船体全部用钛制造.
  根据必要的强度计算,船底选用了4mm—15mm厚钛板,甲板使用厚度为2.5mm的纯钛板,阶梯、驾驶盘,还有舵轴也都是钛制的。快艇性能良好,竞技成绩也不错。在1986年世界锦标赛上获超大型艇A级第一名。同年12月在从神奈川县三浦市出发至关岛的比赛中也取得了第一名的好成绩。
1.5在日本注册的第一艘快艇
  在日本注册的第一艘快艇船形是按照IOR竞技快艇的规格,利用阻力最小的三元曲线的模式制作的。船长12.25ng;宽4.06m;船深2.25m,由日生工业制造,1997年8月出厂。使用J1S H4600 2种钛材约1.7t;船舵、舵轴、推进器轴均用Ti—6Al-4V合金制造;由于用钛制造推进器比较困难,因此用了铝青铜合金;但是由于绝缘和阴极保护不理想,使用两年就发生了0.5mm-0.7mm蚀坑,造成部件部分损坏。对于钛船来说用钛制造推进器是最理想的,目前日生工业正在试制中。
  这艘快艇在1999年2月27日至4月17日,在风速约30m/s,高度为7m一8m海浪下往返于东京湾与关岛,归国后进行了细致的检查,无任何损伤,焊接部位也无脱离现象,证明该钛制快艇性能可靠。
1.6手划钛船
  江藤造船所自1993年以来为开发全钛船,制造了第一艘手划船(长2.5m、宽lm)。对Ti的焊接分剪,组装技术进行了探索,考察了在海水中的腐蚀情况和生物附着方式。
  另一艘同样的手划船是在1998年2月东京国际船展上展出的。船长4.9m,使用板厚1.5mm,重46kg。若用铝制同样的船重约83kg,用FRP制约94k8,都比钛制的重。
  江藤造船所继手划船之后,又制造了带有发动机的钛船。船长8.5m,宽2.5m,深1.2m,重0.5t,于1998年4月下水。至此,江藤造船所已经基本上掌握了钛板的剪切、弯曲以及TIG焊接等加工方法。
1.7钛制渔船
第一艘钛制渔船是由新日本制铁公司钛和江藤造船所等联合制造的。船长12.5m,宽2.8m,高0.82m;渔船总重约4.7t;使用纯钛约3t,有强度要求的构件和甲板全部用Ti制作。1998年5月21日开工,同年10月21日举行下水仪式。第二艘钛制渔船由江藤造船所制造,于1999年6月下水,技术规格与用钛量基本上与第一艘钛船相同。
二、钛船的优点
2.1船体轻
  钛的密度为4.5g/cm3,比Fe的7.9g/cm3小,比纯Al的2.7g/cm3和FRP的(1.1—1.2)g/cm3大。但是由于钛的抗拉强度高,比强度也高,因此,可以减轻船的质量。例如,根据设计要求,如果是纯铝船底板,厚则必须达到5mm,而用Ti有2.5mm就够了,同样大小的船,钛制的船体质量是FRP的30%,比铝合金轻10%。由于钛船表面不需要喷涂防锈涂料,因此还省去了涂料的质量。
2.2航速提高
由于船轻,船载发动机就可能小型化。据计算,同样形状的船,钛制船的发动机比铝合金制的船发动机要小15%.如果使用相同的发动机,则航速可以提高15%。另外,船表面无涂料与水直接接触,也减小了与水的摩擦系数,从而提高了船的速度。
2.3燃料费用和CO2生成量减少
钛船的质量轻和高航速使得单位质量、单位航行距离燃料费用大幅度下降。这不仅仅是航行经费的减少,而且还减少了CO2生成量,对防止已成为国际性问题的地球暖化是十分有效的。
2.4耐蚀性
  钛在海水中如同Pt一样耐腐蚀。因此就不需要喷涂防蚀涂料。FRP虽然也不生锈,但海洋生物易附着在其上,很难去掉。铝合金船易腐蚀,而且也易附着海洋生物,难除去。因此,FRP船和Al合金船的船体和船底都必须涂敷防蚀和防止海洋微生物附着的涂料。
  Ti与Cu、Zn等金属相比没有毒性,贝类和海草等海洋生物更易附着在钛上。船静止的时候,贝类和海草的生长速度非常快,但却不腐蚀金属钛,表面也很光滑,非常容易剥离。在船静止时附着在船的推进器上的水草和贝类,在推进器旋转时与水摩擦就会脱落。尽管钛金属几乎不需要防蚀涂料,但是以装饰和标识为目的船用涂料研究还应开展起来。
2.5废船的再生利用
FRP船的废品很难回收利用,至今还没有找到一种简单而实用的方法。而钛船同铝制船一样,废品可以回收再利用,利于环境保护。
2.6优良的稳定性
钛船即使在恶劣的天气下也很少出现纵向和横向的摇晃,这是坐过Ti船的人共同感受。江藤造船所对首航钛船的调查表明,钛船航行急转弯时船体很少倾斜;给左右船舷中的任一边加油也能保持平衡而不倾斜。这是由于钛船轻,重心低的缘故。钛船中,高速行驶,也能稳定地航行。
2.7噪音、振动小
  钛船的船底为2.5mmTi板,船侧为2.2mmTi板,都很薄,不必担心振动。空转时噪音小,航行时来自波浪的冲击引起的振动也不大,这是对钛制快艇调查结果。
2.8寿命长
  木制船的法定使用年限为5年,FRP船为7年,钢和铝船为9年。而Ti金属耐海水、河水腐蚀可以同Pt相比,因此,可以说是半永久性的,板厚设计根本不需要考虑腐蚀减薄情况。从实际调查结果推测,Ti船的法定使用年限要比钢、铝船长得多,实际寿命将更长。
2.9有利于环保
  (1)与FRP相比,Ti金属废品易回收利用;
  (2)船轻,耗油量少,CO2排出量也少;
    (3)船底不需要涂料保护,不会造成因涂料引起的海水污染。
三、钛在船舶上应用存在的问题
  要实现钛在船舶上广泛应用,对于钛工业来说有如下亟待解决的问题:
  (1)船用钛焊接部位疲劳强度值,不同形状结构件焊接部位机械性能值等基础数据十分缺乏,有必要进行整理;
  (2)必须整理出诸如机械加工、焊接加工等Ti金属的相关技术标准,以供造船业参考;
    (3)Ti的焊接主要是TIG焊接,焊接时保护还需下一番功夫。
四、结束语
  钛的耐蚀性好,密度小,强度高,作为船用材料有着广阔的前景。虽然目前用量很少,但是已经有钛制船舶的实例,并获得了很高的评价。在1999年日本钛协会主倡的“船舶工业集团”成立大会上,增加了共同发展钛船这一主题。钛业界今后应努力降低钛的成本和加工费用,积极编著钛设计标准和加工及造船技能知识等,促进
的应用。
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