水下航行器用钛合金发展历程和现状

水下航行器用钛合金主要是从舰船（艇）用钛合金发展而来，到目前为止，世界上只有美国、俄罗斯等少数海洋大国，以及中国进行专门的水下、水面航行器用钛合金研究，并各自形成钛合金体系。俄罗斯凭借前苏联时期的金属材料工业基础，在舰船（艇）用钛合金方面的研究、应用水平稳居世界前列，拥有 ７８５ ＭＰａ、６８６ ＭＰａ、５８０ ＭＰａ、４９０ ＭＰａ 强 度等级的系列船用钛合金。为便于标准化设计，俄罗斯按用途进行了分类，如船（艇）体用钛合金 ПТ⁃１Ｍ、船舶机械钛合 金 ПТ３、３Ｍ、３７、ПТ⁃７Ｍ 以及船舶动力工程钛合金 ２３、３７、 ПТ⁃３Ｂ、４０、５Ｂ 等。美国海军于 ２０ 世纪 ５０ 年代开始注意到钛及钛合金用于舰船（艇）工业的可能性，１９６３ 年开始进行大量的工程化研究，并成功地将钛用于各类动力的航母、水 面艇、潜艇、民用船。美国主要应用的钛材有：纯钛、Ｔｉ⁃３Ａｌ⁃ ４Ｖ ＥＬＩ、 Ｔｉ⁃６Ａｌ⁃ ４Ｖ、 Ｔｉ⁃３Ａｌ⁃ ４Ｖ、 Ｔｉ⁃０． ３Ｍｏ⁃０． ８Ｎｉ、 Ｔｉ⁃６Ａｌ⁃ ４Ｖ⁃２Ｎｂ⁃１Ｔａ⁃０． ８Ｍｏ、Ｔｉ⁃３Ａｌ⁃２． ５Ｖ、Ｔｉ⁃３Ａｌ⁃８Ｖ⁃６Ｃｒ⁃ ４Ｍｏ⁃ ４Ｚｒ 等，这些材料主要用于舰艇的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器轴、弹簧、航母上的消防设备等 。我国舰船（艇）用钛合金的研究和应用始于 ２０ 世纪 ６０ 年代 ，经过长期的摸索和发展，钛合金的研究和应用水平都有了长足进步，已经形成了较为完整的舰用钛合金系列，能满足各类型水面、水下舰船（艇）及其相应部位对不同强度等级的需求。在我国水面、水下舰船（艇）用钛合金系列中，屈服强度从 ３２０ ～ １ １００ ＭＰａ 形成了低、中、高强度的不同等级，如表 １ 所示。除了常规舰船（艇）用钛合金研究，我国还将针对航空、航天等领域研制的钛合金推广到舰船（艇）和水下航行器上的应用研究，同时在新型钛合金的创新研制等 方面取得了突破，部分新研钛合金已开始陆续在各种舰船 （艇） 、潜航器等装备上服役，这为扩大钛合金在新型水下航行器方面的应用奠定了基础。在实际工程应用研究方面，近年来，我国在一些声呐导流罩、螺旋桨、声呐扫雷具等装备上，采用钛合金制造的最终产品应用效果较好。此外我国钛合金也广泛应用于潜望镜、雷达支座、泵、管、阀、冷却器、热交换器等部位 ，极大提升了舰船综合性能。我国研制的新型钛合金球鼻艏也已经得到了应用，具有刚性好、强度高、 质量可靠、内部噪音低、透声性能优异、维修费用少等优势， 填补了我国高性能钛合金球鼻艏关键技术空白 。为满足不断发展的应用需求，当前我国新型钛合金的研制也非常活跃，其中水下航行器用钛合金是我国钛合金研究和发展的重要方向之一。

表 １　 我国舰船用钛合金系列规格

工艺制造能力方面，因其具有高比强度、抗腐蚀、耐高温、可焊接等良好的性能，钛合金最早用于制造潜艇的外壳、 耐压舱、内部管道系统等。以俄罗斯台风级核潜艇为例，一艘潜艇的双层外壳用 ９ ０００ ｔ 钛合金制造，这使其具有了无磁性、大潜深、航速快、噪音小、维修次数少等优良性能。目前，我国可以自主生产出钛合金板、环、饼、棒、管、丝和铸 件等产品，这些原材料为水下航行器用钛合金的工业化应用提供有力支撑，其中由我国研制的钛合金 ＴＣ４ＥＬＩ （名义成 分：Ｔｉ⁃６Ａｌ⁃４Ｖ，低间隙） ，抗拉强度可达 １ １００ ＭＰａ，弹性模量为 １１０ ＧＰａ，已成功应用于大直径大潜深载人舱，其需要的板材厚度已经超过世界大多数国家的轧制工艺水平。图 １ 为 我国研制的 ＴＣ４ＥＬＩ 钛合金主要技术参数 。

图 １　 ＴＣ４ＥＬＩ 钛合金主要技术参数