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鈦及鈦合金在船舶方面的潛能及局限

來源:鈦,鈦合金,鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備 發布時間:2012-8-22 16:55:56
鈦與鋼鐵相比歷史非常短,至今還沒超過100年.但是的資源卻十分豐富,以下TiO2的形式存在于礦石之中,其儲量排在Al、Fe、Mg之后,居第4位。鈦及其合金質輕、強度高,耐海水腐蝕,機械加工、焊接性能良好,且焊后不需要熱處理,無熱影響區脆化問題,是理想的艦船材料。
一、鈦船的發展歷史
1.1最早的鈦船一核潛艇
  最早的鈦船是前蘇聯在1978年一1983年制造的初級攻擊型核潛艇,據推測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。前蘇聯在1983年和1986年又相繼制造了兩艘I級核潛艇,船腹是鈦制作的.冷戰結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,資料上無任何說明,讓人感到無從下手。盡管如此,對開發鈦船還是起到了一定的促進作用。
1.2深海潛艇
  日本科學技術廳的載人潛水調查船于1989年1月舉行下水儀式。同年8月下潛6 500m,創世界最新記錄。其承壓船殼就是用Ti-6Al-4V合金制造的。另外,還有10 000m深海無人探查機的承壓容器也是由Ti-6Al-4V合金制造的,結構是由純鈦制造的。
1.3海洋結構件
  東京灣橫跨道路的橋墩外表就是用鈦/鋼復合板覆蓋而成的,1994年被覆工程完工,設計壽命為100年。鈦制冰海了望塔、舞洲至夢洲大橋的橋墩也是用鈦/鋼復合板覆蓋而成的,顯示出優良的耐蝕性。
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力制造的競技快艇,于1985年5月下水,在外國注冊登記。這艘快艇長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.
  根據必要的強度計算,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。快艇性能良好,競技成績也不錯。在1986年世界錦標賽上獲超大型艇A級第一名。同年12月在從神奈川縣三浦市出發至關島的比賽中也取得了第一名的好成績。
1.5在日本注冊的第一艘快艇
  在日本注冊的第一艘快艇船形是按照IOR競技快艇的規格,利用阻力最小的三元曲線的模式制作的。船長12.25ng;寬4.06m;船深2.25m,由日生工業制造,1997年8月出廠。使用J1S H4600 2種鈦材約1.7t;船舵、舵軸、推進器軸均用Ti—6Al-4V合金制造;由于用鈦制造推進器比較困難,因此用了鋁青銅合金;但是由于絕緣和陰極保護不理想,使用兩年就發生了0.5mm-0.7mm蝕坑,造成部件部分損壞。對于鈦船來說用鈦制造推進器是最理想的,目前日生工業正在試制中。
  這艘快艇在1999年2月27日至4月17日,在風速約30m/s,高度為7m一8m海浪下往返于東京灣與關島,歸國后進行了細致的檢查,無任何損傷,焊接部位也無脫離現象,證明該鈦制快艇性能可靠。
1.6手劃鈦船
  江藤造船所自1993年以來為開發全鈦船,制造了第一艘手劃船(長2.5m、寬lm)。對Ti的焊接分剪,組裝技術進行了探索,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月東京國際船展上展出的。船長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,又制造了帶有發動機的鈦船。船長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合制造的。船長12.5m,寬2.8m,高0.82m;漁船總重約4.7t;使用純鈦約3t,有強度要求的構件和甲板全部用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,技術規格與用鈦量基本上與第一艘鈦船相同。
二、鈦船的優點
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度高,比強度也高,因此,可以減輕船的質量。例如,根據設計要求,如果是純鋁船底板,厚則必須達到5mm,而用Ti有2.5mm就夠了,同樣大小的船,鈦制的船體質量是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量。
2.2航速提高
由于船輕,船載發動機就可能小型化。據計算,同樣形狀的船,鈦制船的發動機比鋁合金制的船發動機要小15%.如果使用相同的發動機,則航速可以提高15%。另外,船表面無涂料與水直接接觸,也減小了與水的摩擦系數,從而提高了船的速度。
2.3燃料費用和CO2生成量減少
鈦船的質量輕和高航速使得單位質量、單位航行距離燃料費用大幅度下降。這不僅僅是航行經費的減少,而且還減少了CO2生成量,對防止已成為國際性問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,FRP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。船靜止的時候,貝類和海草的生長速度非常快,但卻不腐蝕金屬鈦,表面也很光滑,非常容易剝離。在船靜止時附著在船的推進器上的水草和貝類,在推進器旋轉時與水摩擦就會脫落。盡管鈦金屬幾乎不需要防蝕涂料,但是以裝飾和標識為目的船用涂料研究還應開展起來。
2.5廢船的再生利用
FRP船的廢品很難回收利用,至今還沒有找到一種簡單而實用的方法。而鈦船同鋁制船一樣,廢品可以回收再利用,利于環境保護。
2.6優良的穩定性
鈦船即使在惡劣的天氣下也很少出現縱向和橫向的搖晃,這是坐過Ti船的人共同感受。江藤造船所對首航鈦船的調查表明,鈦船航行急轉彎時船體很少傾斜;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,也能穩定地航行。
2.7噪音、振動小
  鈦船的船底為2.5mmTi板,船側為2.2mmTi板,都很薄,不必擔心振動。空轉時噪音小,航行時來自波浪的沖擊引起的振動也不大,這是對鈦制快艇調查結果。
2.8壽命長
  木制船的法定使用年限為5年,FRP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,可以說是半永久性的,板厚設計根本不需要考慮腐蝕減薄情況。從實際調查結果推測,Ti船的法定使用年限要比鋼、鋁船長得多,實際壽命將更長。
2.9有利于環保
  (1)與FRP相比,Ti金屬廢品易回收利用;
  (2)船輕,耗油量少,CO2排出量也少;
    (3)船底不需要涂料保護,不會造成因涂料引起的海水污染。
三、鈦在船舶上應用存在的問題
  要實現鈦在船舶上廣泛應用,對于鈦工業來說有如下亟待解決的問題:
  (1)船用鈦焊接部位疲勞強度值,不同形狀結構件焊接部位機械性能值等基礎數據十分缺乏,有必要進行整理;
  (2)必須整理出諸如機械加工、焊接加工等Ti金屬的相關技術標準,以供造船業參考;
    (3)Ti的焊接主要是TIG焊接,焊接時保護還需下一番功夫。
四、結束語
  鈦的耐蝕性好,密度小,強度高,作為船用材料有著廣闊的前景。雖然目前用量很少,但是已經有鈦制船舶的實例,并獲得了很高的評價。在1999年日本鈦協會主倡的“船舶工業集團”成立大會上,增加了共同發展鈦船這一主題。鈦業界今后應努力降低鈦的成本和加工費用,積極編著鈦設計標準和加工及造船技能知識等,促進
的應用。
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