Zu den Hauptanwendungsgebieten von Titanlegierungen auf Schiffen gehören druckfeste Schiffsschalen, Meerwasser-Rohrleitungssysteme, Wärmetauscher, Kühler, verschiedene Rohrverbindungen, Motorkomponenten, Hebevorrichtungen und Startvorrichtungen. Russland und die Vereinigten Staaten waren die ersten Länder, die sich mit der Erforschung von Titanlegierungen für Schiffe beschäftigten und ihre eigenen Titanlegierungssysteme für Schiffe entwickelten. Russland ist weltweit führend in der Entwicklung und praktischen Anwendung von Titan für Schiffe, mit unterschiedlichen Festigkeitsstufen von Titanlegierungen für Schiffe, und hat diese Titanlegierungen entsprechend ihrer Verwendung klassifiziert. Es ist derzeit das einzige Land, das ausschließlich über Titan-U-Boote verfügt. China begann in den 1960er Jahren mit der Entwicklung von Titanlegierungen für Schiffe und hat inzwischen eine Reihe von Titanlegierungen für Schiffe mit einem Festigkeitsbereich von 320 -1250 MPa entwickelt. Zu den Hauptsorten gehören niedrigfeste Legierungen wie TA2 und Ti31, mittelfeste Legierungen wie Ti70, Ti75 und Ti91 sowie hochfeste Legierungen wie TC4, Ti80, TC11, Ti62A, Ti-B19 und Ti-B25. Aus der Perspektive der Legierungstypen handelt es sich bei Titanlegierungen mit geringer und mittlerer Festigkeit für Schiffe üblicherweise um Alpha- und nahezu Alpha-Titanlegierungen, während es sich bei hochfesten Titanlegierungen für Schiffe um Alpha+Beta- oder nahezu Beta-Titanlegierungen handelt. Titanlegierungen mit geringer Festigkeit zeichnen sich durch hohe Plastizität und gute Schweißbarkeit aus, wodurch sie sich leicht zu dünnwandigen Rohren verarbeiten lassen und für die Herstellung verschiedener Wärmetauscher, Kühler und anderer Rohrmaterialien geeignet sind. Eine mittelfeste Titanlegierung weist eine gute umfassende Leistungsanpassung auf und eignet sich für große Komponenten mit dickem Querschnitt, Seerohrleitungen usw.; Hochfeste Titanlegierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeit und geringe Plastizität aus und eignen sich für druckbeständige Schalen, Hochdruckbehälter, spezielle Schiffskomponenten usw.
Bei gewöhnlichen Schiffsbauteilen aus Titanlegierungen sollte unter Berücksichtigung der Abstimmung von Materialstärke und -zähigkeit, Spannungskorrosionsbruchzähigkeit, Schweißbarkeit usw. das Festigkeitsniveau des Materials nicht zu hoch sein, und es sollten möglichst ausgereifte Titanlegierungen in der Nähe von Alpha ausgewählt werden. Für Strukturbauteile mit besonderen Festigkeitsanforderungen müssen jedoch hochfeste Titanlegierungen ausgewählt werden. Mit der Entwicklung der Schiffsausrüstung in Richtung Tiefblau wurden höhere Anforderungen an die Leistung von Titanmaterialien gestellt, die in druckbeständigen Strukturen wie Tiefsee-Tauchbooten und Weltraumstationen verwendet werden, was die Entwicklung hochfester Titanlegierungen für den Einsatz auf See förderte. Durch die Verbesserung der Festigkeit von Materialien können die Querschnittsdicke von Bauteilen und das Gewicht druckbeständiger Strukturen verringert werden. Eine Erhöhung der Festigkeit geht jedoch oft zu Lasten der Zähigkeit der Materialien. Daher ist die Beibehaltung einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit der Schlüssel für die Anwendung hochfester Titanlegierungen für Schiffe. Titanlegierungen mit hoher Festigkeit und Zähigkeit haben sich in den letzten Jahren auch zu einem Forschungsschwerpunkt für verschiedene Forschungsinstitute und Titanunternehmen entwickelt. Der Forschungsansatz erfolgt unter zwei Gesichtspunkten. Einerseits tendieren Konstruktionsabteilungen als Reaktion auf den dringenden Bedarf großer nationaler Projekte dazu, ausgereiftere Titanlegierungsmaterialien zu wählen. Durch die Optimierung der Legierungszusammensetzung und des Komponentenvorbereitungsprozesses kann das Leistungspotenzial von Materialien erforscht und die Festigkeits-/Zähigkeitsanpassung von Legierungen verbessert werden. Viele Studien haben sich auf die Optimierung des Designs ausgereifter TC4- und Ti80-Legierungen konzentriert. Andererseits greifen wir auf das Entwicklungskonzept hochfester und zäher Titanlegierungen für die Luft- und Raumfahrt zurück, um neue Arten hochfester und zäher Titanlegierungen für den Schiffsbau zu entwickeln.
Während der 13. Fünfjahresplanperiode führte das Northwest Nonferrous Metals Research Institute (Northwest Institute) Untersuchungen zur Optimierung der Legierungszusammensetzung auf Basis der Ti80-Legierung durch, mit dem Ziel, die Zähigkeit der Legierung zu verbessern und gleichzeitig ihre hohe Festigkeit beizubehalten. Der Einfluss von - stabilen Elementen, - stabilen Elementen und interstitiellen Elementen auf die Festigkeit und Zähigkeit der Ti80-Legierung wurde systematisch mithilfe einer Kombination aus theoretischen Berechnungen und Experimenten von Yu Rui untersucht. Der Mikromechanismus des Elementeinflusses auf die Festigkeit und Zähigkeit der Legierung wurde durch theoretische Berechnungen von Yu Rui enthüllt. Es wurden eingehende Untersuchungen zu den Veränderungen der Festigkeit und Zähigkeit der Ti-6Al-Legierung nach Zugabe von Mo- und Nb-Elementen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass Mo- und Nb-Elemente nur einen geringen Einfluss auf die Zugeigenschaften der Legierung bei Raumtemperatur haben, die Schlagzähigkeit der Legierung jedoch deutlich verbessern können. Dies wird hauptsächlich auf die Zugabe von stabilisierenden Elementen zurückgeführt, die die Phasenzusammensetzung in der Mikrostruktur verändern, wodurch mehr Versetzungen und Verformungszwillinge unter Stoßbelastung angeregt werden, wodurch mehr Stoßbelastung verbraucht wird, wodurch die Widerstandsfähigkeit der Legierung gegenüber der Rissausbreitung verbessert und eine höhere Schlagfestigkeit erreicht wird. Der Einfluss des O-Elementgehalts auf die Schlagleistung von Ti80-Legierungsstäben mit unterschiedlicher Mikrostruktur wurde untersucht und es wurde festgestellt, dass die Schlagleistung empfindlicher vom O-Elementgehalt in der Legierung abhängt. Durch Anpassung des Gehalts jedes Elements und des Wärmebehandlungssystems wurde festgestellt, dass die Ti80-Legierung im geglühten Zustand die beste Festigkeits- und Zähigkeitsübereinstimmung aufweist. Seine Mikrostruktur ist eine bimodale Struktur, die aus einer gleichachsigen primären Alpha-Phase und einer Beta-Übergangsphase besteht, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 2 zeigt die Auswirkung des O-Gehalts auf die Streckgrenze und Schlagenergie einer Ti80-Legierung mit dualer Mikrostruktur. Daraus lässt sich schließen, dass bei einem O-Gehalt von 0,1 % (Massenanteil) die Streckgrenze der Legierung 800 MPa erreicht und die Schlagenergie 72 J erreichen kann (Prüfnorm GB/T229-2020). Die druckfeste Hülle eines Tiefsee-Tauchboots ist ein typischer Vertreter einer hochfesten und zähen Titanlegierung, die in Tiefsee-Ausrüstung verwendet wird, und die Tauchtiefe des Tauchboots hängt eng mit der spezifischen Festigkeit des Materials zusammen. Das Alvin-Tauchboot in den Vereinigten Staaten hat seine maximale Tauchtiefe von 1868 auf 4500 Meter erhöht, indem das druckbeständige Hüllenmaterial von Stahl durch Titan ersetzt wurde. Nach weiteren Modifikationen mit einer Titanlegierung wurde die Konstruktionstiefe auf 6000 Meter erhöht. Betrachtet man die Materialauswahl druckfester Hüllen für Tiefsee-Tauchboote in verschiedenen Ländern, so erkennt man, dass die Hauptqualitäten der Titanmaterialien Ti-6Al-4V (TC4) und Ti-6Al-4VELI (TC4ELI) sind und die Tauchtiefe eines aus diesen beiden Legierungen hergestellten Drei-Personen-Tauchboots nicht mehr als 7000 Meter beträgt. Im Jahr 2017 entwickelte und baute China unabhängig voneinander die bemannte Kugelschale aus TC4ELI-Legierung und die bemannte Kugelschale aus Ti80-Legierung und installierte die bemannte Kugelschale TC4ELI erfolgreich auf dem Tauchboot Deep Sea Warrior mit einer maximalen Tauchtiefe von nicht mehr als 7000 Metern. Die maximale Tauchtiefe der bemannten Kugelschale TC4ELI, die wie Melonenblätter geformt ist und aus Russland importiert wird, beträgt 7000 m. Das 3-Personen-Tauchboot „Striver“ aus der Ti62A-Legierung kann eine Tauchtiefe von 10909 m erreichen. Bei der Legierung handelt es sich um eine schadenstolerante Titanlegierung mit hoher Festigkeit und Zähigkeit, die gemeinsam vom Institut für Metalle der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Baoji Titanium Industry Co., Ltd. entwickelt wurde. Die Festigkeit dieser Legierung ist im Vergleich zur TC4-Legierung erheblich verbessert, während gleichzeitig eine gute Zähigkeit und Schweißbarkeit erhalten bleibt.
Jiti Industry Co., Ltd. und andere Einheiten haben Untersuchungen zur Leistungsoptimierung der Ti62A-Legierung durchgeführt und die Titanlegierung Ti542222 entwickelt. Der Streckgrenzenindex dieser Titanlegierung beträgt 1000 MPa und die Schlagenergie beträgt 40 J. Nach der doppelten Glühbehandlung weist es die beste Übereinstimmung zwischen Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit auf.
Mit Unterstützung einschlägiger nationaler Projekte haben das Northwest Institute und das 725. Forschungsinstitut der China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) erfolgreich Titanlegierungen mit Streckgrenzen von 800900 und 1000 MPa entwickelt. Das Northwest Institute hat unabhängig eine hochfeste --Titanlegierung vom Typ Ti-B25 entwickelt, die sich durch hohe Festigkeit und gute Kaltumformbarkeit auszeichnet und in Schiffskommunikationssystemen weit verbreitet ist. Das Institut für Metalle der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat 1000 und 1200 MPa hochfeste und hochzähe Titanlegierungen für Titan entwickelt, das in der Meerestechnik verwendet wird, und hat in kleinen Mengen Titanlegierungsschalen für die wissenschaftliche In-situ-Experimentierstation Abyss und den Abyss-Gleiter hergestellt, die im Wesentlichen die Ti64-Legierung ersetzen.
In den letzten Jahren hat China auch die additive Fertigungstechnologie in die Herstellung von Tiefseeausrüstungen eingeführt. Die China Shipbuilding Industry Corporation Fenxi Heavy Industry Co., Ltd. hat in Zusammenarbeit mit Xi'an Bolite die Laser-Melting-Deposition-Technologie (LMD) eingesetzt, um Propeller, Hohlschalen usw. aus Titanlegierungen versuchsweise herzustellen. Das Institute of Metals der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat in Zusammenarbeit mit der Shanghai University of Science and Technology eine Vielzahl von Tiefsee-Titanlegierungskomponenten mithilfe additiver Fertigung und heißisostatischer Pulverpressverfahren entwickelt. Basierend auf der Designidee einer stark unterkühlten Zusammensetzung und der Verstärkungs- und Zähigkeitsmethode von hochfesten Titanlegierungen wurde ein Titanlegierungssystem mit schwacher Textur und gleichachsiger Kristallstruktur entwickelt, das für additive Fertigungsprozesse geeignet ist und es mit Additiven hergestellten Titanlegierungen ermöglicht, eine hervorragende Festigkeit, plastische Anpassung und Isotropie der mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Während der 14. Fünfjahresplanperiode entwickelte das Northwest Institute auf der Grundlage des Teilprojekts des National Key R&D Program „Optimierung und Vorbereitung einer hochfesten und zähen Titanlegierungszusammensetzung für extreme Einsatzumgebungen in der Tiefsee“ die ultrahochfeste Titanlegierung Ti1300G für Tiefseeausrüstung und die hochfeste und zähe Titanlegierung Ti5321G für die additive Fertigung von Tiefseeausrüstung auf Basis der hochfesten und zähen Titanlegierungen Ti1300 und Ti5321. Die Streckgrenze der druckfesten Schale aus Ti1300G-Legierung kann 1250 MPa erreichen, die Dehnung größer oder gleich 9 %, die Schlagenergie größer oder gleich 24 J und die Bruchzähigkeit größer oder gleich 60 MPa · m1/2; Die Streckgrenze von additiv hergestellten Bauteilen aus der Ti5321G-Legierung kann 1050 MPa erreichen, und die Dehnungsrate ist größer oder gleich 9 %. Eine druckfeste Schalenkomponente für Tiefsee-Segelflugzeuge wurde aus der Legierung Ti1300G hergestellt, und ein Tiefsee-ROV-Triebwerkspropeller und ein experimenteller Manipulatorarm wurden aus der Legierung Ti5321G hergestellt. Derzeit wartet die druckfeste Hülle auf Tests nach der Installation, und das ROV hat die Probefahrten im Südchinesischen Meer erfolgreich bestanden.
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