선박에 대한 티타늄 합금의 주요 응용 분야에는 내압 쉘, 해수 파이프라인 시스템, 열 교환기, 냉각기, 다양한 파이프 조인트, 엔진 구성 요소, 리프팅 장치 및 발사 장치가 포함됩니다. 러시아와 미국은 선박용 티타늄 합금 연구에 가장 먼저 참여한 국가였으며 자체 선박용 티타늄 합금 시스템을 형성했습니다. 러시아는 선박용 티타늄 합금의 강도 수준이 다양하여 선박용 티타늄 개발 및 실용화 분야에서 세계 선두에 있으며 이러한 티타늄 합금을 용도에 따라 분류했습니다. 현재 모든 티타늄 잠수함을 보유한 유일한 국가입니다. 중국은 1960년대부터 선박용 티타늄 합금 개발을 시작했으며 현재는 강도 범위가 320-1250MPa인 선박용 티타늄 합금 시리즈를 개발했습니다. 주요 등급에는 TA2 및 Ti31과 같은 저강도 합금, Ti70, Ti75, Ti91과 같은 중강도 합금, TC4, Ti80, TC11, Ti62A, Ti{19}}B19 및 Ti-B25와 같은 고강도 합금이 포함됩니다. 합금 유형의 관점에서 선박용 저강도 및 중강도 티타늄 합금은 일반적으로 알파 및 알파에 가까운 티타늄 합금인 반면, 선박용 고강도 티타늄 합금은 알파+베타 또는 베타에 가까운 티타늄 합금입니다. 저강도 티타늄 합금은 가소성이 높고 용접성이 우수하여 벽이 얇은 튜브로 쉽게 가공할 수 있으며 다양한 열 교환기, 냉각기 및 기타 파이프 재료를 준비하는 데 적합합니다. 중간 강도의 티타늄 합금은 포괄적인 성능 매칭이 우수하며 대형 두꺼운 단면 부품, 해상 파이프라인 등에 적합합니다. 고강도 티타늄 합금은 고강도 및 저소성 특성을 가지며 내압 쉘, 고압 용기, 특수 선박 부품 등에 적합합니다.
일반 해양 티타늄 합금 구조 부품의 경우 재료 강도와 인성, 응력 부식 파괴 인성, 용접성 등의 일치를 고려하여 재료의 강도 수준이 너무 높지 않아야 하며 알파 티타늄 합금에 가까운 성숙한 합금을 최대한 선택해야 합니다. 그러나 특별한 강도 요구 사항이 있는 구조 부품의 경우 고강도-티타늄 합금을 선택해야 합니다. 딥 블루를 향한 해양 장비의 개발과 함께 심해 잠수정 및 심우주 정거장과 같은 내압 구조물에 사용되는 티타늄 재료의 성능에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌으며, 이에 따라 해양용 고강도 티타늄 합금 개발이 촉진되었습니다.- 재료의 강도를 높이면-부품의 단면 두께와 내압 구조의 무게를 줄일 수 있습니다. 그러나 강도를 높이면 재료의 인성이 희생되는 경우가 많습니다. 따라서 우수한 인성을 유지하면서 높은 강도를 유지하는 것이 선박용 고강도 티타늄 합금 적용의 핵심입니다.{10} 고강도 및 인성 티타늄 합금은 최근 몇 년 동안 다양한 연구 기관 및 티타늄 기업의 연구 핫스팟이 되었습니다. 연구 접근 방식은 두 가지 측면에서 수행됩니다. 한편으로는 주요 국가 프로젝트의 긴급한 요구에 대응하여 설계 부서에서는 보다 성숙한 티타늄 합금 재료를 선택하는 경향이 있습니다. 합금 조성과 부품 준비 공정을 최적화함으로써 재료의 성능 잠재력을 탐구하고 합금의 강도 인성 매칭을 향상시킬 수 있습니다. 많은 연구가 성숙한 TC4 및 Ti80 합금의 설계를 최적화하는 데 중점을 두었습니다. 한편, 우리는 해양 공학을 위한 새로운 유형의 고강도 및 인성 티타늄 합금을 개발하기 위해 항공우주용 고강도{19}}고인성 티타늄 합금 개발 개념을 활용합니다.
13차 5개년 계획 기간 동안 북서 비철금속 연구소(Northwest Institute)는 고강도를 유지하면서 합금의 인성을 향상시키는 것을 목표로 Ti80 합금을 기반으로 한 합금 조성 최적화 설계에 대한 연구를 수행했습니다. - 안정 원소, - 안정 원소 및 격자간 원소가 Ti80 합금의 강도와 인성에 미치는 영향은 Yu Rui 이론 계산과 실험을 조합하여 체계적으로 연구되었습니다. Yu Rui 이론 계산을 통해 합금 강도와 인성에 대한 요소 영향의 미세 메커니즘이 밝혀졌습니다. Mo 및 Nb 원소 첨가 후 Ti{11}}6Al 합금의 강도 및 인성의 변화에 대한 심층적인 연구가 수행되었습니다. Mo 및 Nb 원소는 합금의 실온 인장 특성에 거의 영향을 미치지 않지만 합금의 충격 인성을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 주로 미세 구조의 상 조성을 변경하는 안정화 요소를 추가하고, 충격 하중 하에서 더 많은 전위 및 변형 쌍정을 자극하고, 더 많은 충격 하중을 소비하여 균열 전파에 저항하는 합금의 능력을 향상시키고 더 높은 충격 성능을 달성하기 때문입니다. 다양한 미세 구조를 가진 Ti80 합금 바의 충격 성능에 대한 O 원소 함량의 영향을 연구한 결과, 충격 성능은 합금의 O 원소 함량에 더 민감한 것으로 나타났습니다. 각 원소의 함량과 열처리 시스템을 조정함으로써 Ti80 합금이 어닐링 상태에서 가장 우수한 강도 인성을 갖는 것으로 나타났습니다. 그 미세 구조는 그림 1과 같이 등축 1차 알파상과 베타 전이상으로 구성된 이중 모드 구조입니다.
그림 2는 이중 미세 구조를 갖는 Ti80 합금의 항복 강도 및 충격 에너지에 대한 O 함량의 영향을 보여줍니다. O 함량이 0.1%(질량 분율)일 때 합금의 항복 강도는 800MPa에 도달하고 충격 에너지는 72J에 도달할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다(테스트 표준 GB/T229-2020). 심해 잠수정의 내압 쉘은 심해 장비에 사용되는 고강도{10}}인성 티타늄 합금의 대표적인 예이며 잠수정의 잠수 깊이는 재료의 특정 강도와 밀접한 관련이 있습니다. 미국의 앨빈 잠수정은 내압 쉘 소재를 강철에서 티타늄으로 교체해 최대 잠수 깊이를 1868미터에서 4500미터로 늘렸다. 티타늄 합금으로 추가 수정 후 설계 깊이가 6000미터로 늘어났습니다. 여러 국가의 심해 잠수정용 내압 쉘 소재 선택을 살펴보면 티타늄 소재의 주요 등급은 Ti-6Al-4V(TC4) 및 Ti-6Al-4VELI(TC4ELI)이며, 이 두 합금으로 제작된 3인용 잠수정의 잠수 깊이는 7000미터를 넘지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 2017년 중국은 TC4ELI 합금 유인 구형 포탄과 Ti80 합금 유인 구형 포탄을 독자적으로 개발하여 성공적으로 제작했으며 최대 잠수 깊이가 7000m 이하인 Deep Sea Warrior 잠수정에 TC4ELI 유인 구형 포탄을 성공적으로 설치했습니다. 멜론 꽃잎 모양으로 러시아에서 수입한 TC4ELI 유인 구형 쉘의 최대 잠수 수심은 7000m이다. Ti62A 합금으로 제작된 "Striver" 3인용 잠수정은 잠수 깊이 10909m에 도달할 수 있습니다. 이 합금은 중국과학원 금속연구소와 Baoji Titanium Industry Co., Ltd.가 공동 개발한 고강도, 고인성 손상 내성 티타늄 합금입니다. 이 합금의 강도는 TC4 합금에 비해 크게 향상되었으며 동시에 우수한 인성과 용접성을 유지합니다.
Jiti Industry Co., Ltd. 및 기타 부서에서는 Ti62A 합금에 대한 성능 최적화 연구를 수행하고 Ti542222 티타늄 합금을 개발했습니다. 이 티타늄 합금의 항복 강도 지수는 1000MPa이고 충격 에너지는 40J입니다. 이중 어닐링 처리 후 최고의 강도 소성 인성 매칭을 갖습니다.
관련 국가 프로젝트의 지원을 받아 Northwest Institute와 중국 조선 산업 공사(CSIC)의 725번째 연구소는 항복 강도가 800900 및 1000MPa인 티타늄 합금을 성공적으로 개발했습니다. Northwest Institute는 고강도 및 우수한 냉간 가공 성능을 지닌 고강도 -형 티타늄 합금 Ti-B25를 독자적으로 개발했으며 선박 통신 시스템에 널리 사용되었습니다. 중국과학원 금속연구소에서는 해양 공학에 사용되는 티타늄용 1000 및 1200MPa 고강도 및 고인성 티타늄 합금을 개발했으며, 기본적으로 Ti64 합금을 대체하는 Abyss 현장 과학 실험 스테이션 및 Abyss 글라이더용 티타늄 합금 쉘을 소량으로 준비했습니다.
최근 몇 년 동안 중국은 심해 장비 제조에 적층 제조 기술을 도입했습니다.- China Shipbuilding Industry Corporation Fenxi Heavy Industry Co., Ltd.는 Xi'an Bolite와 협력하여 레이저 용융 증착(LMD) 기술을 사용하여 티타늄 합금 프로펠러, 중공 쉘 등을 시험 생산했습니다. 중국 과학원 금속 연구소는 상하이 과학기술대학교와 협력하여 적층 제조 및 분말 열간 등압 성형 공정을 사용하여 다양한 심해 엔지니어링 티타늄 합금 부품을 개발했습니다. 높은 과냉각 조성 설계 아이디어와 고강도 티타늄 합금의 강화 및 강인화 방법을 기반으로 적층 가공 공정에 적합한 약한 질감의 등축 결정 티타늄 합금 조성 시스템이 개발되어 첨가제로 제조된 티타늄 합금이 우수한 강도, 소성 매칭 및 기계적 특성 등방성을 달성할 수 있습니다.
14차 5개년 계획 기간 동안 Northwest Institute는 국가 핵심 R&D 프로그램 "심해 극한 서비스 환경을 위한 고강도 및 견고한 티타늄 합금 조성물의 최적화 및 준비"의 하위 프로젝트에 의존하여 심해 장비용 초고강도 티타늄 합금 Ti1300G와 고강도 및 인성 티타늄 합금 Ti1300 및 Ti5321을 기반으로 심해 장비 적층 제조용 고강도 티타늄 합금 Ti5321G를 개발했습니다. Ti1300G 합금 내압 쉘의 항복 강도는 1250MPa, 연신율 9% 이상, 충격 에너지 24J 이상, 파괴 인성 60MPa·m1/2 이상에 도달할 수 있습니다. Ti5321G 합금 적층 제조 부품의 항복 강도는 1050MPa에 도달할 수 있으며 연신율은 9% 이상입니다. 심해 글라이더용 내압 쉘 부품은 Ti1300G 합금을 사용하여 준비되었으며, 심해 ROV 스러스터 프로펠러와 실험용 매니퓰레이터 암은 Ti5321G 합금을 사용하여 준비되었습니다. 현재 내압 쉘은 설치 후 테스트를 기다리고 있으며 ROV는 남중국해에서 해상 시험을 성공적으로 통과했습니다.
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