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【军视光启】''海洋金属''钛合金为何非常适合潜艇？它的优越性有哪些？

钛及钛合金是20世纪50年代发展起来的新型材料 。 随着海军装备的发展 ， 对于海军装备的要求也越来越高 ， 而传统的钢、铁、铝、镁等金属及其合金在很多领域已经不能满足要求 。 钛合金以其优异的性能 ， 正日益受到船舶及海洋工程装备的关注 ， 被称为“海洋金属” 。 潜艇作为“海军装备”的核心 ， 是战略核力量的中坚 ， 具有举足轻重的作用 。 用钛合金制造潜艇 ， 能否给潜艇带来性能上的新突破？今天笔者就来简要分析钛合金应用于潜艇的优越性 。
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潜艇
第一个优越性——比强度高
比强度是指材料强度与密度的比值 。 比强度越大 ， 以相同强度设计就能获得更小的结构重量 ， 反之相同结构质量下就能获得更高的强度 。 高的比强度可以使设备设计更加紧凑 ， 大幅减小结构质量 ， 同时提高装备的安全性 。
比强度高对耐压壳体的影响
当潜艇结构已定时 ， 潜艇的极限下潜深度与壳体材料的屈服强度和壳体厚度的乘积成正比 。 用加厚压力壳的办法增加下潜深度 ， 会减少潜艇的有效载重量 ， 若保持其有效载重量 ， 则会使潜艇尺寸增大到实际不能使用的程度 ， 从而降低潜艇的综合性能 。 因此 ， 必须考虑使用更高比强度的材料 。
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表一 ， 几种深潜艇耐压壳体材料的性能数据
从上表几种深潜艇耐压壳体材料的性能数据可以看出 ， 钛合金的屈服强度虽然不如高强度钢 ， 但是因为密度更小 ， 因此比强度高 ， 是几种目前可用于潜艇壳体的材料中性能最好的 ， 所以钛合金用作潜艇和深潜器耐压壳体材料是非常有利的 。 实际中 ， 俄罗斯的2条钛合金潜艇的下潜深度能达到800～1000米；而世界绝大多数的深潜器的耐压壳都是钛合金的 。
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蛟龙号深潜器
比强度高对推进器的的影响
现代的潜艇 ， 为了追求静音性能 ， 多采用大直径的低转速七叶大倾斜螺旋桨 ， 这螺旋桨结构较大 ， 重量较大 。 而潜艇的螺旋桨轴（尾轴）本身是一种悬臂梁形式 ， 当自由端的重量较大 ， 会引起螺旋桨轴弯曲 ， 艉轴承负荷大 。 此外 ， 当传动轴自身重量较大时 ， 会加剧轴系的弯曲 。 而采用比强度高的材料制造传动轴和螺旋桨 ， 能减少因轴承扰曲引起的轴承负荷不均匀 ， 以及因此引起的轴系震动问题 。
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潜艇的螺旋桨
第二个优越性——耐蚀性能优异
钛在中性和氧化性环境及众多恶劣环境中比其他常用金属材料耐腐蚀性高 ， 特别是对海水中氯离子具有很强的抗腐蚀能力 。 钛的表面可形成一层非常薄且坚固的氧化膜 ， 使钛钝化而不受海水腐蚀 。 钛的钝化膜具有很好的自愈性 ， 当受到破坏或划伤后可以迅速自动修复 ， 形成新的保护膜 。 正是这层氧化膜保护钛不受海水侵蚀 ， 在无化学变化和污染的情况下 ， 钛可以完全抵抗自然海水的腐蚀 。
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海水对船舶的腐蚀
耐蚀性能优异对于管道和阀门影响
海水对于船体有很强的腐蚀性 ， 不过随着防腐技术的发展 ， 舰船的船体通过采用耐腐蚀的钢材、防腐油漆、电化学防腐等手段 ， 能保证舰体在寿期内的安全 。 但是潜艇的管路系统非常复杂 ， 容易工艺处理不到位 ， 且管道内有较高的流速加剧腐蚀 。 据相关试验 ， 锡青铜阀和70/30铜镍合金管 ， 在4.5m/s水速下 ， 使用15个月 ， 阀和管皆穿孔；而全钛管系在6m/s的水速下使用36个月 ， 无任何可见的变化 。 这意味着 ， 钛及钛合金材料用于潜艇海水管系和阀门可减小管径和提高水速 ， 延长使用寿命 。
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潜艇内部复杂的管路
第三个优越性——透声性能好
声纳是潜艇的“眼睛” ， 而了保护声纳 ， 声纳会被置于罩壳里 。 钛合金比强度高、热膨胀系数小、电阻高、透声性能好等特点使其在潜艇声学装置上获得了应用 。 如前苏联607A型飞航导弹核潜艇的声纳导流罩就采用了钛合金；而我国购入的“明斯克”、“基辅”号航母等 ， 它们的声纳导流罩也都是采用钛合金制造的 。 通过这些实际使用情况来看 ， 钛合金的透声性能优于玻璃钢和不锈钢 ， 能有效保障声纳的性能 。
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明斯克
结语
总体而言 ， 钛及钛合金在潜艇上的大量使用 ， 可以大幅降低潜艇的结构重量 ， 实现高机动性 ， 保障潜艇的高可靠性和安全；耐腐蚀性能实现同寿命服役 ， 降低潜艇的维护时间和成本 ， 保障装备战斗力 ， 以及提高其它一些技术性能 。 因此 ， 钛合金是保障潜艇装备性能和战术水平的理想材料 ， 对于发展海军潜艇具有重要的战略意义 。


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