Застосування матеріалів з титанового сплаву на кораблях
Титан і матеріали з титанових сплавів широко використовуються на кораблях. За винятком суднових аксесуарів і кают, все велике обладнання та деталі можуть використовувати титан і матеріали з титанових сплавів, такі як електронні інформаційні системи, системи живлення, допоміжні системи, конструкції корпусу, силові установки тощо. Іноземні матеріали з титанового сплаву в основному використовуються в корпусі конструкційні матеріали, суднові насоси, клапани, труби та інші аксесуари, силові приводи, теплообмінники, конденсатори, охолоджувачі, випарники, акустичні пристрої тощо; вітчизняні матеріали з титанового сплаву в основному використовуються в підводних апаратах, пристроях силового приводу, корабельних радарах, електронному обладнанні, кріпильних елементах тощо.
1. Оболонка (стійкість до тиску)
У галузі кораблів підводні апарати та підводні човни в основному використовуються для корпусів тиску з титанового сплаву. Титанові сплави мають характеристики високої питомої міцності, хорошу корозійну стійкість і немагнітні властивості, що робить їх високоякісними матеріалами для виготовлення напірних оболонок глибоководного обладнання.
Росія є першою країною, яка застосувала на атомних підводних човнах напірні оболонки з титанового сплаву, а також є світовим технологічним лідером. З 1960-х років Росія (колишній Радянський Союз) виготовила серію підводних човнів із титанового сплаву. Спочатку Росія побудувала атомний підводний човен з крилатими ракетами № 661 з титанового сплаву, який був дослідним катером. Пізніше Росія послідовно побудувала 7 підводних човнів класу «Альфа» з титанового сплаву, 1 підводний човен класу «Майк» і 4 підводні човни класу «Сьєрра». Усі ці атомні підводні човни є ударними, серед яких підводний човен із титанового сплаву класу «Альфа» використовує 3 000 тонни титанового сплаву. Атомний підводний човен класу «Тайфун» російського виробництва є найбільшим підводним човном у світі за об’ємом і тоннажем, а його споживання титану досягає 9000 тонн.
В даний час російські атомні підводні човни класу "Борей" останнього покоління також використовують корпуси з титанового сплаву під тиском.
Інше важливе застосування корпусів під тиском із титанового сплаву — глибоководні підводні апарати. Пілотований підводний апарат «Цзяолун» — це пілотований підводний апарат, незалежно розроблений моєю країною, з проектною максимальною глибиною занурення понад 7 000 метрів. Напірний корпус пілотованого підводного апарату «Цзяолун» виготовлений із титанового сплаву. В даний час більшість найбільших у світі глибоководних пілотованих підводних апаратів використовують матеріали з титанового сплаву як матеріал для підготовки корпусу під тиском. Наприклад, матеріали корпусу глибоководних пілотованих підводних апаратів, таких як американські Alvin і NewAlvin, китайський Jiaolong, французький Nautile і японський Shinkai 6500, є титановими сплавами [9]. Титановий сплав став кращим матеріалом для стійкого до тиску корпусу глибоководних підводних апаратів.
2. Силовий рушій
Через вплив морської води та морського клімату матеріал гвинта корабля повинен мати більш високу стійкість до корозії та кавітації. Порівняно з мідними сплавами та сталлю титановий сплав має переваги в корозійно-втомній міцності та стійкості до кавітації. Крім того, через низьку щільність титанового сплаву при виготовленні гвинтів однакового розміру маса гвинтів із титанового сплаву менша, ніж у інших широко використовуваних матеріалів. Тому ефективність руху суден, які використовують гвинти з титанового сплаву, вище. У поєднанні з високою корозійною втомною міцністю та стійкістю до кавітації гвинти з титанового сплаву полегшують обслуговування та догляд за ними, подовжуючи термін служби гвинта. Титановий сплав - ідеальний матеріал для суднових гвинтів.
Росія, Велика Британія та інші країни почали пробувати використовувати на кораблях гвинти з титанового сплаву ще в 1960-х роках. Наприклад, Росія використовує гвинти з титанового сплаву на атомних підводних човнах класу «Альфа» і «Майк». Сполучені Штати також використовували гвинти з титанового сплаву на багатьох кораблях. Наприклад, Військово-морські сили США використовують трилопатевий знімний гвинт із титанового сплаву з суперкавітацією діаметром 812,8 мм у дослідницькому дослідницькому підводному човні вагою 50 тонн. У швидкісному канонерському човні "Ешвіль" використовується чотирилопатевий гвинт із титанового сплаву змінного кроку. На великому військовому судні на підводних крилах США «Плейнвью» використовується чотирилопатевий знімний суперкавітаційний гвинт із титанового сплаву, виготовлений із матеріалу Ti-6Al-4V діаметром 1,52 м. моя країна також успішно розробила різні гвинти з титанового сплаву та успішно використовувала їх на багатьох кораблях. Наприклад, гвинти на підводних крилах із титанового сплаву Ti-5Al-2.5Sn і Ti-6Al-4V були успішно розроблені в 1972 році й досі використовувалися на багатьох кораблях . Роки використання показали, що гвинти з титанового сплаву мають високу стійкість до корозії, а термін їх служби втричі перевищує термін служби традиційних гвинтів з мідного сплаву.
Крім суднових гвинтів, матеріали з титанових сплавів також використовуються в суднових двигунах. Наприклад, на атомних криголамах російського виробництва використовуються парові двигуни, що містять матеріали з титанових сплавів. Використання рушійних пристроїв із титанового сплаву може запобігти впливу на кораблі сильних індукованих струмів, що утворюються в результаті розрізання магнітних ліній Землі під час плавання. Крім того, деякі корабельні водометні рушійні установки також використовують матеріали з титанового сплаву, як-от випробувальний катер US SES-100A та японський торпедний катер «PT-10». Їхні водометні рушійні установки використовують промисловий чистий титан і кування з титанових сплавів, що зменшує вагу пристрою та підвищує ефективність водометного рушійного пристрою.
3. Насоси, клапани, труби та аксесуари до них
Російські вимоги до експлуатації систем суднових трубопроводів полягають у тому, що конструкційні матеріали повинні мати гарантований термін служби 8-9 років до першого ремонту доку, а термін служби до повної заміни системи - не менше 15 років. Ця вимога може гарантувати, що всі рівні кораблів можуть ефективно служити протягом 25-30 років. Кораблі працюють у морі, тому насоси, клапани, труби та інші аксесуари на кораблях стикаються з випробуванням у суворих морських умовах.
У системі трубопроводів російських цивільних кораблів зазвичай використовуються мідні труби M3C і труби з мідного сплаву MH-5-1 відповідно до швидкості потоку води, тоді як клапани, насоси та теплообмінники використовують мідні сплави. Якщо в суднових трубах використовуються матеріали зі сплаву міді, вони можуть зазнати корозії та пошкодження протягом другого року, що ускладнить виконання вищезазначених вимог до використання. Для того, щоб відповідати вимогам використання, товщина труби може знадобитися потовщення, і в той же час, діаметр труби потрібно розширити, щоб забезпечити швидкість потоку води. Зросла вага та вартість загальної системи трубопроводів корабля.
Однак у насосах, клапанах, трубах тощо російських військових кораблів використовується більше титанових сплавів. Військові кораблі знаходяться в експлуатації протягом тривалого часу, і практика їх використання довела, що труби, клапани, насоси, теплообмінники та інші вироби з титанового сплаву мають високу стійкість до корозії у морській воді та мають тривалий термін служби. Якщо для виготовлення суднової водозабірної системи використовувати всі титанові матеріали, можна значно подовжити термін служби системи та підвищити надійність використання.
Військово-морські сили США використовують на кораблях системи трубопроводів із титанового сплаву. У порівнянні з традиційними трубами зі сплаву міді та нікелю, титановий сплав має сильну стійкість до корозії. Навіть у високошвидкісній морській воді (зі швидкістю потоку 13 м/с) він не буде розмитий і роз’їдений морською водою. Він особливо підходить для трубопроводів з рухомою морською водою, високою швидкістю потоку та високим тиском як робоче середовище. Таким чином, за умови забезпечення однакової швидкості потоку морської води висока корозійна стійкість титанового сплаву дозволяє проектувати трубопровід тоншим, діаметр трубопроводу стає меншим, простір, який займає судно, стає меншим, гнучкість компонування покращено, а вартість обслуговування також зменшена. Крім того, щільність титанового сплаву невелика, приблизно вдвічі менша за щільність мідно-нікелевого сплаву, а якість виготовленого з нього трубопроводу невелика, що зменшує кількість обладнання, яке використовується для підтримки трубопроводу. Зменшується навантаження на судно і зменшується витрата палива.
4. Судновий акустичний пристрій
Матеріали з титанового сплаву також можна використовувати для акустичних пристроїв на кораблях, таких як куполи гідроакустичних пристроїв, компоненти гідроакустичних перетворювачів, мікрофони, телефонні деталі тощо. Гідролокатор є найефективнішим обладнанням для кораблів для виявлення цілей під водою. У моїй країні здебільшого використовується нержавіюча сталь і армоване волокном скловолокно, але порівняно з матеріалами з титанового сплаву його звукопроникність і стійкість до зіткнень відносно слабкі. Росія застосувала гідроакустичні куполи з титанового сплаву на атомному підводному човні «Курськ», авіаносці «Мінськ», авіаносці «Київ» тощо, і фактичний ефект виявлення сонара хороший.