钛合金材料用于船体及主要承力构件后的优势

近10年来，美国海军实验室十分重视水面舰艇上钛合金的应用。从80年代初，他们就联合国内相关高校和企业开展了大规模的钛合金在水面舰艇上应用的研究和评估工作。在船体用钛合金的研究和评估方面，美国取得的最大进展是开发了高效搅拌摩擦焊（High-speed Friction Stir Welding）和热搅拌摩擦焊（Thermal Friction Stir Welding）技术，并将其用于焊接船体或甲板制造。据美国海洋技术中心的资料报道，应美国海军的需求，美国相关舰船制造企业将与钛企业联合，用钛合金材料和500系铝合金材料制造约76艘近海巡逻舰（OPV），其中钛合金将用于制造与海水接触的舰体和构建，铝合金将主要用于与海水不接触的上层部分。搅拌摩擦焊技术将是制造钛合金OPV的关键技术。图1给出了OPV的示意图及搅拌摩擦焊接钛合金板材的情况。据报道，美国采用搅拌摩擦焊技术焊接钛合金板材的最大长度已经突破了20m。

由此预计,在不久的将来，钛合金将会成为船体材料和船舶承力结构件材料的优先选择。

动力及海水管路系统

动力系统是舰船的心脏，它包含热交换器、冷凝器、反应堆壳体、推动轴、螺旋桨以及辅助管路系统等，图2是典型的核动力装置的结构示意图。

用钛代替不锈钢或CuNi合金，用来制造舰船动力系统的热交换器、冷凝器、反应堆壳体、推进轴、螺旋桨等，可大大提高动力系统的使用寿命和安全可靠性。

前苏联（俄罗斯）已经大量采用钛合金材料制造舰船动力系统及辅助管路系统的关键和核心部件。例如，俄罗斯的原子能破冰船的动力装置广泛使用钛制蒸汽发生器，其寿命是“永久”的，即与破冰船同寿命，可达数十年。虽然钛制蒸汽发生器原始价格是不锈钢蒸汽发生器的5倍，但它的使用寿命比后者高一个数量级。在整个服役期内，钛制蒸汽发生器的平均成本比不锈钢蒸汽发生器的成本低30%~40%。

冷凝器是舰船动力系统另外一个重要构件，目前俄罗斯舰船上已经大量采用了钛合金材料制造的冷凝器。与传统的CuNi合金相比，采用钛合金非常显着地提高了冷凝器的使用寿命，极大地提高了舰船的可靠性。可以看出，使用钛合金材料后，冷凝器管路的管材直径、壁厚均可以减小，管路系统的总重量也从1914kg降低到330kg，重量减轻达80%以上。与此同时，管路系统允许的海水流速也从2.5m/s提高到10m/s，系统的平均服役期从8年提高到40年，几乎与船体同寿命。前苏联于1962年制造的全钛冷凝器，这种冷凝器已经在其18个不同型号的舰船装备取得了应用，总数已经超过6300台，服役时间均在30年以上。

目前，法国DCNS也为其核动力潜艇研制、生产了新一代的钛制主冷凝器，如图3所示。用钛合金材料制造的冷凝器总重量约20余吨，其中钛合金材料占45%，包括用Ti-6Al-4V合金锻造的壳体，用Gr.2钛合金挤压的管材以及用Gr.2钛合金锻造的管板等。

热交换器是舰船动力系统以及其他系统中常用的关键部件，钛合金已经成为制造热交换器的关键材料。俄罗斯、美国、日本以及法国在其高性能船舶上已非常广泛地使用了钛制热交换器。