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鈦及鈦合金在船舶方面的潛能及局限 |
| 來(lái)源：鈦，鈦合金，鈦棒，鈦板，鈦管，鈦絲，鈦設(shè)備 發(fā)布時(shí)間：2012-8-22 16:55:56 |
鈦與鋼鐵相比歷史非常短，至今還沒(méi)超過(guò)100年．但是鈦的資源卻十分豐富，以下TiO2的形式存在于礦石之中，其儲(chǔ)量排在Al、Fe、Mg之后，居第4位。鈦及其合金質(zhì)輕、強(qiáng)度高，耐海水腐蝕，機(jī)械加工、焊接性能良好，且焊后不需要熱處理，無(wú)熱影響區(qū)脆化問(wèn)題，是理想的艦船材料。
一、鈦船的發(fā)展歷史
1.1最早的鈦船一核潛艇
最早的鈦船是前蘇聯(lián)在1978年一1983年制造的初級(jí)攻擊型核潛艇，據(jù)推測(cè)承壓船殼就是用鈦制造的。這艘潛艇水上排水量為2800t，水下排水量為3600t，潛水深度為600m。前蘇聯(lián)在1983年和1986年又相繼制造了兩艘I級(jí)核潛艇，船腹是鈦制作的．冷戰(zhàn)結(jié)束后雖然這些資料公開了，但是鈦材加工方法，尤其是焊接方法，資料上無(wú)任何說(shuō)明，讓人感到無(wú)從下手。盡管如此，對(duì)開發(fā)鈦船還是起到了一定的促進(jìn)作用。
1.2深海潛艇
日本科學(xué)技術(shù)廳的載人潛水調(diào)查船于1989年1月舉行下水儀式。同年8月下潛6 500m,創(chuàng)世界最新記錄。其承壓船殼就是用Tｉ－6Al-4V合金制造的。另外，還有10 000m深海無(wú)人探查機(jī)的承壓容器也是由Tｉ－6Aｌ-4V合金制造的，結(jié)構(gòu)是由純鈦制造的。
1.3海洋結(jié)構(gòu)件
東京灣橫跨道路的橋墩外表就是用鈦／鋼復(fù)合板覆蓋而成的，1994年被覆工程完工，設(shè)計(jì)壽命為100年。鈦制冰海了望塔、舞洲至夢(mèng)洲大橋的橋墩也是用鈦／鋼復(fù)合板覆蓋而成的，顯示出優(yōu)良的耐蝕性。
1.4最早的民用鈦船
最早的民用鈦船是由東邦鈦公司和藤新造船所協(xié)力制造的競(jìng)技快艇，于1985年5月下水，在外國(guó)注冊(cè)登記。這艘快艇長(zhǎng)17m，寬4m,高2.5m,重2.8t。除了船艙用鋼化塑料(FRP)以外，其它從框架到船體全部用鈦制造．
根據(jù)必要的強(qiáng)度計(jì)算，船底選用了4mm—15mm厚鈦板，甲板使用厚度為2.5mm的純鈦板，階梯、駕駛盤，還有舵軸也都是鈦制的?？焱阅芰己?，競(jìng)技成績(jī)也不錯(cuò)。在1986年世界錦標(biāo)賽上獲超大型艇A級(jí)第一名。同年12月在從神奈川縣三浦市出發(fā)至關(guān)島的比賽中也取得了第一名的好成績(jī)。
1.5在日本注冊(cè)的第一艘快艇
在日本注冊(cè)的第一艘快艇船形是按照IOR競(jìng)技快艇的規(guī)格，利用阻力最小的三元曲線的模式制作的。船長(zhǎng)12.25ng；寬4.06ｍ；船深2.25m，由日生工業(yè)制造，1997年8月出廠。使用J1S H4600 2種鈦材約1.7t；船舵、舵軸、推進(jìn)器軸均用Tｉ—6Al-4V合金制造；由于用鈦制造推進(jìn)器比較困難，因此用了鋁青銅合金；但是由于絕緣和陰極保護(hù)不理想，使用兩年就發(fā)生了0.5mm－0.7mm蝕坑，造成部件部分損壞。對(duì)于鈦船來(lái)說(shuō)用鈦制造推進(jìn)器是最理想的，目前日生工業(yè)正在試制中。
這艘快艇在1999年2月27日至4月17日，在風(fēng)速約30m／s，高度為7m一8m海浪下往返于東京灣與關(guān)島，歸國(guó)后進(jìn)行了細(xì)致的檢查，無(wú)任何損傷，焊接部位也無(wú)脫離現(xiàn)象，證明該鈦制快艇性能可靠。
1.6手劃鈦船
江藤造船所自1993年以來(lái)為開發(fā)全鈦船，制造了第一艘手劃船(長(zhǎng)2.5m、寬lm)。對(duì)Ti的焊接分剪，組裝技術(shù)進(jìn)行了探索，考察了在海水中的腐蝕情況和生物附著方式。
另一艘同樣的手劃船是在1998年2月東京國(guó)際船展上展出的。船長(zhǎng)4.9m,使用板厚1.5mm,重46kg。若用鋁制同樣的船重約83kg，用FRP制約94k8，都比鈦制的重。
江藤造船所繼手劃船之后，又制造了帶有發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦船。船長(zhǎng)8.5m,寬2.5m,深1.2ｍ，重0.5ｔ，于1998年4月下水。至此，江藤造船所已經(jīng)基本上掌握了鈦板的剪切、彎曲以及TIG焊接等加工方法。
1.7鈦制漁船
第一艘鈦制漁船是由新日本制鐵公司鈦和江藤造船所等聯(lián)合制造的。船長(zhǎng)12.5m,寬2.8m,高0.82m；漁船總重約4.7ｔ；使用純鈦約3t，有強(qiáng)度要求的構(gòu)件和甲板全部用Ti制作。1998年5月21日開工，同年10月21日舉行下水儀式。第二艘鈦制漁船由江藤造船所制造，于1999年6月下水，技術(shù)規(guī)格與用鈦量基本上與第一艘鈦船相同。
二、鈦船的優(yōu)點(diǎn)
2.1船體輕
鈦的密度為4．5ｇ／ｃｍ3,比Fe的7.9ｇ／ｃｍ3小，比純Aｌ的2．7ｇ／ｃｍ3和FRP的(1．1—1．2)g／cm3大。但是由于鈦的抗拉強(qiáng)度高，比強(qiáng)度也高，因此，可以減輕船的質(zhì)量。例如，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，如果是純鋁船底板，厚則必須達(dá)到5ｍｍ,而用Ti有2.5mm就夠了，同樣大小的船，鈦制的船體質(zhì)量是FRP的30％，比鋁合金輕10％。由于鈦船表面不需要噴涂防銹涂料，因此還省去了涂料的質(zhì)量。
2.2航速提高
由于船輕，船載發(fā)動(dòng)機(jī)就可能小型化。據(jù)計(jì)算，同樣形狀的船，鈦制船的發(fā)動(dòng)機(jī)比鋁合金制的船發(fā)動(dòng)機(jī)要小15％．如果使用相同的發(fā)動(dòng)機(jī)，則航速可以提高15％。另外，船表面無(wú)涂料與水直接接觸，也減小了與水的摩擦系數(shù)，從而提高了船的速度。
2.3燃料費(fèi)用和CO2生成量減少
鈦船的質(zhì)量輕和高航速使得單位質(zhì)量、單位航行距離燃料費(fèi)用大幅度下降。這不僅僅是航行經(jīng)費(fèi)的減少，而且還減少了CO2生成量，對(duì)防止已成為國(guó)際性問(wèn)題的地球暖化是十分有效的。
2.4耐蝕性
鈦在海水中如同Pｔ一樣耐腐蝕。因此就不需要噴涂防蝕涂料。FRP雖然也不生銹，但海洋生物易附著在其上，很難去掉。鋁合金船易腐蝕，而且也易附著海洋生物，難除去。因此，F(xiàn)RP船和Al合金船的船體和船底都必須涂敷防蝕和防止海洋微生物附著的涂料。
Tｉ與Cu、Zn等金屬相比沒(méi)有毒性，貝類和海草等海洋生物更易附著在鈦上。船靜止的時(shí)候，貝類和海草的生長(zhǎng)速度非?？?，但卻不腐蝕金屬鈦，表面也很光滑，非常容易剝離。在船靜止時(shí)附著在船的推進(jìn)器上的水草和貝類，在推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)時(shí)與水摩擦就會(huì)脫落。盡管鈦金屬幾乎不需要防蝕涂料，但是以裝飾和標(biāo)識(shí)為目的船用涂料研究還應(yīng)開展起來(lái)。
2.5廢船的再生利用
FRP船的廢品很難回收利用，至今還沒(méi)有找到一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的方法。而鈦船同鋁制船一樣，廢品可以回收再利用，利于環(huán)境保護(hù)。
2.6優(yōu)良的穩(wěn)定性
鈦船即使在惡劣的天氣下也很少出現(xiàn)縱向和橫向的搖晃，這是坐過(guò)Ti船的人共同感受。江藤造船所對(duì)首航鈦船的調(diào)查表明，鈦船航行急轉(zhuǎn)彎時(shí)船體很少傾斜；給左右船舷中的任一邊加油也能保持平衡而不傾斜。這是由于鈦船輕，重心低的緣故。鈦船中，高速行駛，也能穩(wěn)定地航行。
2.7噪音、振動(dòng)小
鈦船的船底為2.5mmTi板，船側(cè)為2.2mmTi板，都很薄，不必?fù)?dān)心振動(dòng)。空轉(zhuǎn)時(shí)噪音小，航行時(shí)來(lái)自波浪的沖擊引起的振動(dòng)也不大，這是對(duì)鈦制快艇調(diào)查結(jié)果。
2.8壽命長(zhǎng)
木制船的法定使用年限為5年，F(xiàn)RP船為7年，鋼和鋁船為9年。而Ti金屬耐海水、河水腐蝕可以同Pｔ相比，因此，可以說(shuō)是半永久性的，板厚設(shè)計(jì)根本不需要考慮腐蝕減薄情況。從實(shí)際調(diào)查結(jié)果推測(cè)，Ti船的法定使用年限要比鋼、鋁船長(zhǎng)得多，實(shí)際壽命將更長(zhǎng)。
2.9有利于環(huán)保
(1)與FRP相比，Ti金屬?gòu)U品易回收利用；
(2)船輕，耗油量少，CO2排出量也少；
(3)船底不需要涂料保護(hù)，不會(huì)造成因涂料引起的海水污染。
三、鈦在船舶上應(yīng)用存在的問(wèn)題
要實(shí)現(xiàn)鈦在船舶上廣泛應(yīng)用，對(duì)于鈦工業(yè)來(lái)說(shuō)有如下亟待解決的問(wèn)題：
(1)船用鈦焊接部位疲勞強(qiáng)度值，不同形狀結(jié)構(gòu)件焊接部位機(jī)械性能值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分缺乏，有必要進(jìn)行整理；
(2)必須整理出諸如機(jī)械加工、焊接加工等Ti金屬的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以供造船業(yè)參考；
(3)Ti的焊接主要是TIG焊接，焊接時(shí)保護(hù)還需下一番功夫。
四、結(jié)束語(yǔ)
鈦的耐蝕性好，密度小，強(qiáng)度高，作為船用材料有著廣闊的前景。雖然目前用量很少，但是已經(jīng)有鈦制船舶的實(shí)例，并獲得了很高的評(píng)價(jià)。在1999年日本鈦協(xié)會(huì)主倡的“船舶工業(yè)集團(tuán)”成立大會(huì)上，增加了共同發(fā)展鈦船這一主題。鈦業(yè)界今后應(yīng)努力降低鈦的成本和加工費(fèi)用，積極編著鈦設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和加工及造船技能知識(shí)等，促進(jìn)鈦的應(yīng)用。 |
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