As principais áreas de aplicação da liga de titânio em navios incluem cascos resistentes à pressão, sistemas de tubulação de água do mar, trocadores de calor, resfriadores, diversas juntas de tubos, componentes de motores, dispositivos de elevação e dispositivos de lançamento. A Rússia e os Estados Unidos foram os primeiros países a se engajarem na pesquisa de ligas de titânio para navios e formaram seus próprios sistemas de ligas de titânio para navios. A Rússia está na vanguarda mundial no desenvolvimento e aplicação prática de titânio para navios, com diferentes níveis de resistência de ligas de titânio para navios, e classificou essas ligas de titânio de acordo com seus usos. Atualmente é o único país com todos os submarinos de titânio. A China começou a desenvolver ligas de titânio para navios na década de 1960 e agora formou uma série de ligas de titânio para navios com uma faixa de resistência de 320-1250 MPa. As classes principais incluem ligas de baixa resistência, como TA2 e Ti31, ligas de média resistência, como Ti70, Ti75 e Ti91, e ligas de alta-resistência, como TC4, Ti80, TC11, Ti62A, Ti-B19 e Ti-B25. Do ponto de vista dos tipos de liga, as ligas de titânio de baixa e média resistência para navios são geralmente ligas de titânio alfa e quase alfa, enquanto as ligas de titânio de alta-resistência para navios são ligas de titânio alfa+beta ou quase beta. A liga de titânio de baixa resistência tem características de alta plasticidade e boa soldabilidade, facilitando o processamento em tubos de paredes finas e adequada para a preparação de vários trocadores de calor, resfriadores e outros materiais de tubos; A liga de titânio de média resistência tem uma boa correspondência de desempenho abrangente e é adequada para componentes de seção grande e espessa, dutos marítimos, etc.; A liga de titânio de alta resistência tem características de alta resistência e baixa plasticidade e é adequada para cascos resistentes à pressão, vasos de alta pressão, componentes especiais de navios, etc.
Para componentes estruturais de liga de titânio marinho comum, considerando a combinação de resistência e tenacidade do material, tenacidade à fratura por corrosão sob tensão, soldabilidade, etc., o nível de resistência do material não deve ser muito alto, e ligas maduras próximas ao titânio alfa devem ser selecionadas tanto quanto possível. No entanto, para componentes estruturais com requisitos especiais de resistência, ligas de titânio de alta-resistência devem ser selecionadas. Com o desenvolvimento de equipamentos marítimos em direção ao azul profundo, requisitos mais elevados foram apresentados para o desempenho de materiais de titânio usados em estruturas resistentes à pressão, como submersíveis-de águas profundas e estações espaciais profundas, promovendo o desenvolvimento de ligas de titânio de alta-resistência para uso marítimo. Melhorar a resistência dos materiais pode reduzir a-espessura da seção transversal dos componentes e o peso das estruturas resistentes à pressão. No entanto, o aumento da resistência muitas vezes sacrifica a tenacidade dos materiais. Portanto, manter alta resistência e ao mesmo tempo ter boa tenacidade é a chave para a aplicação de ligas de titânio de alta{10}}resistência para navios. Ligas de titânio de alta resistência e tenacidade também se tornaram um ponto importante de pesquisa para vários institutos de pesquisa e empresas de titânio nos últimos anos. A abordagem da pesquisa é realizada a partir de dois aspectos. Por um lado, em resposta às necessidades urgentes dos grandes projetos nacionais, as unidades de design tendem a escolher materiais de liga de titânio mais maduros. Ao otimizar a composição da liga e o processo de preparação dos componentes, o potencial de desempenho dos materiais pode ser explorado e a correspondência entre resistência e tenacidade das ligas pode ser melhorada. Muitos estudos se concentraram na otimização do projeto de ligas maduras TC4 e Ti80. Por outro lado, nos baseamos no conceito de desenvolvimento de ligas de titânio aeroespaciais de alta-resistência e resistência para desenvolver novos tipos de ligas de titânio de alta-resistência e resistência para engenharia naval.
Durante o período do 13º Plano Quinquenal, o Northwest Nonferrous Metals Research Institute (Northwest Institute) conduziu pesquisas sobre o projeto de otimização da composição da liga com base na liga Ti80, com o objetivo de melhorar a tenacidade da liga, mantendo sua alta resistência. A influência de - elementos estáveis, - elementos estáveis e elementos intersticiais na resistência e tenacidade da liga Ti80 foi estudada sistematicamente usando uma combinação de cálculos e experimentos da teoria de Yu Rui. O micromecanismo de influência dos elementos na resistência e tenacidade da liga foi revelado através dos cálculos da teoria de Yu Rui. Pesquisas aprofundadas foram conduzidas sobre as mudanças na resistência e tenacidade da liga Ti-6Al após a adição de elementos Mo e Nb. Verificou-se que os elementos Mo e Nb têm pouco efeito nas propriedades de tração da liga à temperatura ambiente, mas podem melhorar significativamente a resistência ao impacto da liga. Isto é atribuído principalmente à adição de elementos estabilizadores que alteram a composição de fases na microestrutura, excitando mais deslocamentos e gêmeos de deformação sob carga de impacto, consumindo mais carga de impacto, melhorando assim a capacidade da liga de resistir à propagação de trincas e alcançando maior desempenho de impacto. A influência do teor do elemento O no desempenho ao impacto de barras de liga Ti80 com diferentes microestruturas foi estudada e constatou-se que o desempenho ao impacto é mais sensível ao teor do elemento O na liga. Ajustando o conteúdo de cada elemento e o sistema de tratamento térmico, descobriu-se que a liga Ti80 apresenta a melhor correspondência de resistência e tenacidade no estado recozido. Sua microestrutura é uma estrutura bimodal composta por fase alfa primária equiaxial e fase de transição beta, conforme mostrado na Figura 1.
A Figura 2 mostra o efeito do teor de O na resistência ao escoamento e na energia de impacto da liga Ti80 com microestrutura dupla. Pode-se concluir que quando o teor de O é de 0,1% (fração mássica), o limite de escoamento da liga atinge 800 MPa e a energia de impacto pode chegar a 72 J (padrão de teste GB/T229-2020). A carcaça resistente à pressão de um submersível-de águas profundas é um representante típico da liga de titânio-de alta resistência e resistente usada em equipamentos-de águas profundas, e a profundidade de mergulho do submersível está intimamente relacionada à resistência específica do material. O submersível Alvin nos Estados Unidos aumentou sua profundidade máxima de mergulho de 1.868 para 4.500 metros, substituindo o material resistente à pressão do casco, de aço por titânio. Após novas modificações com liga de titânio, sua profundidade de projeto foi aumentada para 6.000 metros. Observando a seleção de materiais de conchas resistentes à pressão para submersíveis de alto mar em vários países, pode-se ver que os principais tipos de materiais de titânio são Ti-6Al-4V (TC4) e Ti-6Al-4VELI (TC4ELI), e a profundidade de mergulho de um submersível para três pessoas feito dessas duas ligas não é superior a 7.000 metros. Em 2017, a China desenvolveu e construiu de forma independente o projétil esférico tripulado de liga TC4ELI e o projétil esférico tripulado de liga Ti80, e instalou com sucesso o projétil esférico tripulado TC4ELI no submersível Deep Sea Warrior, com uma profundidade máxima de mergulho de não mais que 7.000 metros. A profundidade máxima de mergulho da concha esférica tripulada TC4ELI, que tem o formato de pétalas de melão e é importada da Rússia, é de 7.000 m. O submersível para 3 pessoas "Striver" feito de liga Ti62A pode atingir uma profundidade de mergulho de 10909 m. A liga é uma liga de titânio tolerante a danos de alta resistência e alta tenacidade desenvolvida em conjunto pelo Instituto de Metais da Academia Chinesa de Ciências e pela Baoji Titanium Industry Co., Ltd.
e outras unidades conduziram pesquisas de otimização de desempenho na liga Ti62A e desenvolveram a liga de titânio Ti542222. O índice de resistência ao escoamento desta liga de titânio é 1000MPa e a energia de impacto é 40J. Após tratamento de recozimento duplo, apresenta a melhor correspondência de resistência, plasticidade e tenacidade.
Com o apoio de projetos nacionais relevantes, o Northwest Institute e o 725º Instituto de Pesquisa da China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) desenvolveram com sucesso ligas de titânio com limites de escoamento de 800900 e 1000MPa. O Northwest Institute desenvolveu de forma independente uma liga de titânio do tipo - Ti-B25 de alta resistência, que possui características de alta resistência e bom desempenho no trabalho a frio, e tem sido amplamente utilizada em sistemas de comunicação de navios. O Instituto de Metais da Academia Chinesa de Ciências desenvolveu ligas de titânio de 1.000 e 1.200 MPa de alta-resistência e tenacidade para titânio usado na engenharia oceânica e preparou conchas de liga de titânio para a estação experimental-científica in situ Abyss e o planador Abyss em pequenos lotes, basicamente substituindo a liga Ti64.
Nos últimos anos, a China também introduziu tecnologia de fabricação aditiva na fabricação de equipamentos-de alto mar. A China Shipbuilding Industry Corporation Fenxi Heavy Industry Co., Ltd., em conjunto com a Xi'an Bolite, usou a tecnologia de deposição por fusão a laser (LMD) para testar a produção de hélices de liga de titânio, conchas ocas, etc. O Instituto de Metais da Academia Chinesa de Ciências, em conjunto com a Universidade de Ciência e Tecnologia de Xangai, desenvolveu uma variedade de componentes de liga de titânio de engenharia-profunda do mar usando fabricação aditiva e processos de prensagem isostática a quente de pó. Com base na ideia de projeto de composição de alto sub-resfriamento e no método de fortalecimento e tenacidade de ligas de titânio de alta-resistência, foi desenvolvido um sistema de composição de liga de titânio de cristal equiaxial de textura fraca adequado para processos de fabricação aditiva, permitindo que ligas de titânio fabricadas com aditivos alcancem excelente resistência, correspondência plástica e isotropia de propriedades mecânicas.
Durante o período do 14º Plano Quinquenal, o Northwest Institute, contando com o subprojeto do Programa Nacional de P&D "Otimização e preparação de composição de liga de titânio resistente e de alta resistência para ambientes de serviço extremo em mar profundo", desenvolveu liga de titânio de ultra alta resistência Ti1300G para equipamentos de alto mar e liga de titânio de alta resistência e tenacidade Ti5321G para fabricação de aditivos de equipamentos de alto mar com base em ligas de titânio de alta resistência e tenazes Ti1300 e Ti5321. A resistência ao escoamento do invólucro resistente à pressão da liga Ti1300G pode atingir 1250MPa, alongamento maior ou igual a 9%, energia de impacto maior ou igual a 24J e tenacidade à fratura maior ou igual a 60MPa · m1/2; O limite de escoamento dos componentes fabricados com aditivo de liga Ti5321G pode atingir 1050MPa e a taxa de alongamento é maior ou igual a 9%. Um componente de casco resistente à pressão para planadores-de águas profundas foi preparado usando liga Ti1300G, e uma hélice de propulsor ROV-de águas profundas e um braço manipulador experimental foram preparados usando liga Ti5321G. Atualmente, o casco resistente à pressão está aguardando testes após a instalação, e o ROV passou com sucesso nos testes de mar no Mar do Sul da China.
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