Las principales áreas de aplicación de la aleación de titanio en barcos incluyen carcasas resistentes a la presión, sistemas de tuberías de agua de mar, intercambiadores de calor, refrigeradores, diversas uniones de tuberías, componentes de motores, dispositivos de elevación y dispositivos de lanzamiento. Rusia y Estados Unidos fueron los primeros países en dedicarse a la investigación sobre aleaciones de titanio para barcos y formaron sus propios sistemas de aleaciones de titanio para barcos. Rusia está a la vanguardia mundial en el desarrollo y aplicación práctica del titanio para barcos, con diferentes niveles de resistencia de aleaciones de titanio para barcos, y ha clasificado estas aleaciones de titanio según sus usos. Actualmente es el único país que tiene todos los submarinos de titanio. China comenzó a desarrollar aleaciones de titanio para barcos en la década de 1960 y ahora ha formado una serie de aleaciones de titanio para barcos con un rango de resistencia de 320-1250 MPa. Los principales grados incluyen aleaciones de baja resistencia como TA2 y Ti31, aleaciones de resistencia media como Ti70, Ti75 y Ti91, y aleaciones de alta-resistencia como TC4, Ti80, TC11, Ti62A, Ti-B19 y Ti-B25. Desde la perspectiva de los tipos de aleaciones, las aleaciones de titanio de resistencia baja y media para barcos suelen ser aleaciones de titanio alfa y casi alfa, mientras que las aleaciones de titanio de alta resistencia para barcos son aleaciones de titanio alfa+beta o casi beta. La aleación de titanio de baja resistencia tiene las características de alta plasticidad y buena soldabilidad, lo que la hace fácil de procesar en tubos de paredes delgadas-y adecuada para la preparación de diversos intercambiadores de calor, refrigeradores y otros materiales de tuberías; La aleación de titanio de resistencia media tiene un buen rendimiento integral y es adecuada para componentes de sección grande y gruesa, tuberías marítimas, etc. La aleación de titanio de alta resistencia tiene las características de alta resistencia y baja plasticidad, y es adecuada para carcasas resistentes a la presión, recipientes de alta presión, componentes especiales de barcos, etc.
Para los componentes estructurales de aleación de titanio marino ordinario, considerando la combinación de resistencia y tenacidad del material, tenacidad a la fractura por corrosión bajo tensión, soldabilidad, etc., el nivel de resistencia del material no debe ser demasiado alto y se deben seleccionar aleaciones maduras de titanio casi alfa tanto como sea posible. Sin embargo, para componentes estructurales con requisitos de resistencia especiales, se deben seleccionar aleaciones de titanio de alta-resistencia. Con el desarrollo de equipos marinos hacia el azul profundo, se han planteado requisitos más altos para el rendimiento de los materiales de titanio utilizados en estructuras resistentes a la presión, como sumergibles-de aguas profundas y estaciones espaciales profundas, promoviendo el desarrollo de aleaciones de titanio de alta-resistencia para uso marino. Mejorar la resistencia de los materiales puede reducir-el espesor de la sección transversal de los componentes y el peso de las estructuras resistentes a la presión. Sin embargo, el aumento de la resistencia a menudo sacrifica la dureza de los materiales. Por lo tanto, mantener una alta resistencia y al mismo tiempo tener una buena tenacidad es la clave para la aplicación de aleaciones de titanio de alta-resistencia para barcos. Las aleaciones de titanio de alta resistencia y tenacidad también se han convertido en un punto de investigación para varios institutos de investigación y empresas de titanio en los últimos años. El enfoque de la investigación se realiza desde dos vertientes. Por un lado, en respuesta a las necesidades urgentes de los grandes proyectos nacionales, las unidades de diseño tienden a elegir materiales de aleación de titanio más maduros. Al optimizar la composición de la aleación y el proceso de preparación de los componentes, se puede explorar el potencial de rendimiento de los materiales y mejorar la igualación de resistencia y tenacidad de las aleaciones. Muchos estudios se han centrado en optimizar el diseño de aleaciones maduras TC4 y Ti80. Por otro lado, nos basamos en el concepto de desarrollo de aleaciones de titanio aeroespaciales de alta-resistencia y dureza para desarrollar nuevos tipos de aleaciones de titanio de alta-resistencia y dureza para la ingeniería marina.
Durante el período del 13.º Plan Quinquenal, el Instituto de Investigación de Metales No Ferrosos del Noroeste (Instituto del Noroeste) llevó a cabo una investigación sobre el diseño de optimización de la composición de la aleación basada en la aleación Ti80, con el objetivo de mejorar la tenacidad de la aleación manteniendo su alta resistencia. La influencia de - elementos estables, - elementos estables y elementos intersticiales en la resistencia y tenacidad de la aleación Ti80 se estudió sistemáticamente utilizando una combinación de experimentos y cálculos de la teoría de Yu Rui. El micromecanismo de la influencia de los elementos en la resistencia y tenacidad de la aleación se reveló a través de los cálculos de la teoría de Yu Rui. Se llevó a cabo una investigación en profundidad sobre los cambios en la resistencia y tenacidad de la aleación Ti-6Al después de agregar elementos Mo y Nb. Se descubrió que los elementos Mo y Nb tienen poco efecto sobre las propiedades de tracción de la aleación a temperatura ambiente, pero pueden mejorar significativamente la tenacidad al impacto de la aleación. Esto se atribuye principalmente a la adición de elementos estabilizadores que cambian la composición de fases en la microestructura, provocan más dislocaciones y deformaciones gemelas bajo carga de impacto, consumen más carga de impacto, mejorando así la capacidad de la aleación para resistir la propagación de grietas y logrando un mayor rendimiento ante impacto. Se estudió la influencia del contenido del elemento O en el rendimiento al impacto de barras de aleación de Ti80 con diferente microestructura y se encontró que el rendimiento al impacto es más sensible al contenido del elemento O en la aleación. Al ajustar el contenido de cada elemento y el sistema de tratamiento térmico, se descubrió que la aleación Ti80 tiene la mejor combinación de resistencia y tenacidad en el estado recocido. Su microestructura es una estructura bimodal compuesta por una fase alfa primaria equiaxial y una fase de transición beta, como se muestra en la Figura 1.
La Figura 2 muestra el efecto del contenido de O sobre el límite elástico y la energía de impacto de la aleación Ti80 con microestructura dual. Se puede concluir que cuando el contenido de O es del 0,1 % (fracción de masa), el límite elástico de la aleación alcanza los 800 MPa y la energía de impacto puede alcanzar los 72 J (norma de prueba GB/T229-2020). La carcasa resistente a la presión de un sumergible de aguas profundas-es un representante típico de la aleación de titanio resistente y de alta-resistencia utilizada en equipos de aguas profundas-y la profundidad de inmersión del sumergible está estrechamente relacionada con la resistencia específica del material. El sumergible Alvin en los Estados Unidos ha aumentado su profundidad máxima de inmersión de 1868 a 4500 metros reemplazando el material de la carcasa resistente a la presión del acero al titanio. Después de modificaciones adicionales con aleación de titanio, su profundidad de diseño se incrementó a 6000 metros. Al observar la selección de materiales de carcasas resistentes a la presión para sumergibles de aguas profundas en varios países, se puede ver que los principales grados de materiales de titanio son Ti-6Al-4V (TC4) y Ti-6Al-4VELI (TC4ELI), y la profundidad de inmersión de un sumergible para tres personas hecho de estas dos aleaciones no supera los 7000 metros. En 2017, China desarrolló y construyó de forma independiente el proyectil esférico tripulado de aleación TC4ELI y el proyectil esférico tripulado de aleación Ti80, e instaló con éxito el proyectil esférico tripulado TC4ELI en el sumergible Deep Sea Warrior, con una profundidad máxima de inmersión de no más de 7000 metros. La profundidad máxima de inmersión del caparazón esférico tripulado TC4ELI, que tiene forma de pétalos de melón e importado de Rusia, es de 7.000 m. El sumergible para 3 personas "Striver" hecho de aleación Ti62A puede alcanzar una profundidad de inmersión de 10909 m. La aleación es una aleación de titanio tolerante a daños de alta resistencia y alta tenacidad desarrollada conjuntamente por el Instituto de Metales de la Academia de Ciencias de China y Baoji Titanium Industry Co., Ltd. La resistencia de esta aleación ha mejorado considerablemente en comparación con la aleación TC4, al tiempo que mantiene buena tenacidad y soldabilidad.
Jiti Industry Co., Ltd. y otras unidades han llevado a cabo investigaciones de optimización del rendimiento de la aleación Ti62A y han desarrollado la aleación de titanio Ti542222. El índice de límite elástico de esta aleación de titanio es de 1000 MPa y la energía de impacto es de 40 J. Después del tratamiento de recocido doble, tiene la mejor combinación de resistencia, plasticidad y dureza.
Con el apoyo de proyectos nacionales relevantes, el Instituto Northwest y el Instituto de Investigación 725 de la Corporación de la Industria de Construcción Naval de China (CSIC) han desarrollado con éxito aleaciones de titanio con límites elásticos de 800900 y 1000MPa. Northwest Institute ha desarrollado de forma independiente una aleación de titanio de tipo - Ti-B25 de alta -resistencia, que tiene las características de alta resistencia y buen rendimiento de trabajo en frío, y se ha utilizado ampliamente en sistemas de comunicación de barcos. El Instituto de Metales de la Academia de Ciencias de China ha desarrollado aleaciones de titanio de alta resistencia y tenacidad de 1000 y 1200 MPa para el titanio utilizado en ingeniería oceánica, y ha preparado carcasas de aleación de titanio para la estación experimental científica in situ Abyss y el planeador Abyss en pequeños lotes, básicamente reemplazando la aleación Ti64.
En los últimos años, China también ha introducido tecnología de fabricación aditiva en la fabricación de equipos de aguas profundas-. China Shipbuilding Industry Corporation Fenxi Heavy Industry Co., Ltd., junto con Xi'an Bolite, ha utilizado la tecnología de deposición por fusión por láser (LMD) para probar la producción de hélices de aleación de titanio, carcasas huecas, etc. El Instituto de Metales de la Academia China de Ciencias, junto con la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai, ha desarrollado una variedad de componentes de aleación de titanio de ingeniería de aguas profundas-utilizando fabricación aditiva y procesos de prensado isostático en caliente en polvo. Basado en la idea de diseño de una composición de alto subenfriamiento y el método de fortalecimiento y endurecimiento de aleaciones de titanio de alta-resistencia, se ha desarrollado un sistema de composición de aleación de titanio de cristal equiaxial de textura débil adecuado para procesos de fabricación aditiva, que permite que las aleaciones de titanio fabricadas con aditivos alcancen excelente resistencia, adaptación plástica e isotropía de propiedades mecánicas.
Durante el período del 14º Plan Quinquenal, Northwest Institute, basándose en el subproyecto del Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo "Optimización y preparación de una composición de aleación de titanio resistente y de alta resistencia para entornos de servicio extremos en aguas profundas", desarrolló la aleación de titanio de ultra alta resistencia Ti1300G para equipos de aguas profundas y la aleación de titanio de alta resistencia y dureza Ti5321G para la fabricación aditiva de equipos de aguas profundas basada en aleaciones de titanio de alta resistencia y dureza Ti1300 y Ti5321. El límite elástico de la carcasa resistente a la presión de aleación Ti1300G puede alcanzar 1250 MPa, un alargamiento mayor o igual al 9%, una energía de impacto mayor o igual a 24 J y una tenacidad a la fractura mayor o igual a 60 MPa · m1/2; El límite elástico de los componentes fabricados con aditivos de aleación Ti5321G puede alcanzar 1050 MPa y la tasa de alargamiento es mayor o igual al 9%. Se preparó un componente de carcasa resistente a la presión para planeadores de aguas profundas utilizando una aleación Ti1300G, y una hélice de propulsor de ROV de aguas profundas y un brazo manipulador experimental se prepararon utilizando una aleación Ti5321G. Actualmente, la carcasa resistente a la presión está a la espera de ser probada después de su instalación, y el ROV ha superado con éxito las pruebas en el mar en el Mar de China Meridional.
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