Les principaux domaines d'application de l'alliage de titane sur les navires comprennent les coques résistantes à la pression, les systèmes de canalisations d'eau de mer, les échangeurs de chaleur, les refroidisseurs, divers joints de tuyaux, les composants de moteur, les dispositifs de levage et les dispositifs de lancement. La Russie et les États-Unis ont été les premiers pays à s’engager dans des recherches sur les alliages de titane pour navires et ont formé leurs propres systèmes d’alliages de titane pour navires. La Russie est à l'avant-garde mondiale dans le développement et l'application pratique du titane pour les navires, avec différents niveaux de résistance des alliages de titane pour navires, et a classé ces alliages de titane en fonction de leurs utilisations. C’est actuellement le seul pays à posséder entièrement des sous-marins en titane. La Chine a commencé à développer des alliages de titane pour les navires dans les années 1960 et a maintenant formé une série d'alliages de titane pour les navires avec une plage de résistance de 320-1 250 MPa. Les principales nuances comprennent des alliages à faible résistance tels que TA2 et Ti31, des alliages à résistance moyenne tels que Ti70, Ti75 et Ti91, et des alliages à haute résistance tels que TC4, Ti80, TC11, Ti62A, Ti-B19 et Ti-B25. Du point de vue des types d'alliages, les alliages de titane à faible et moyenne résistance pour les navires sont généralement des alliages de titane alpha et quasi alpha, tandis que les alliages de titane à haute résistance pour les navires sont des alliages de titane alpha+bêta ou proche du bêta. L'alliage de titane à faible résistance présente les caractéristiques d'une plasticité élevée et d'une bonne soudabilité, ce qui le rend facile à transformer en tubes à paroi mince - et convient à la préparation de divers échangeurs de chaleur, refroidisseurs et autres matériaux de tuyaux ; L'alliage de titane à résistance moyenne offre une bonne adaptation complète des performances et convient aux composants de grande section épaisse, aux pipelines maritimes, etc. L'alliage de titane à haute résistance présente les caractéristiques de haute résistance et de faible plasticité et convient aux coques résistantes à la pression, aux récipients à haute pression, aux composants spéciaux de navires, etc.
Pour les composants structurels en alliage de titane marin ordinaires, compte tenu de l'adéquation de la résistance et de la ténacité du matériau, de la ténacité à la rupture par corrosion sous contrainte, de la soudabilité, etc., le niveau de résistance du matériau ne doit pas être trop élevé et des alliages de titane matures proches de l'alpha doivent être sélectionnés autant que possible. Cependant, pour les composants structurels ayant des exigences de résistance particulières, des alliages de titane à haute résistance doivent être sélectionnés. Avec le développement des équipements marins vers le bleu profond, des exigences plus élevées ont été mises en avant pour les performances des matériaux en titane utilisés dans les structures résistantes à la pression telles que les submersibles en haute mer et les stations spatiales profondes, favorisant le développement d'alliages de titane à haute résistance pour une utilisation marine. L'amélioration de la résistance des matériaux peut réduire l'épaisseur de la section transversale des composants et le poids des structures résistantes à la pression. Cependant, l’augmentation de la résistance sacrifie souvent la solidité des matériaux. Par conséquent, maintenir une résistance élevée tout en ayant une bonne ténacité est la clé de l'application d'alliages de titane à haute résistance pour les navires. Les alliages de titane à haute résistance et ténacité sont également devenus un point chaud de recherche pour divers instituts de recherche et entreprises de titane ces dernières années. La démarche de recherche est menée sous deux aspects. D'une part, en réponse aux besoins urgents des grands projets nationaux, les unités de conception ont tendance à choisir des matériaux en alliage de titane plus matures. En optimisant la composition de l'alliage et le processus de préparation des composants, le potentiel de performance des matériaux peut être exploré et l'adéquation résistance-ténacité des alliages peut être améliorée. De nombreuses études se sont concentrées sur l’optimisation de la conception des alliages matures TC4 et Ti80. D'autre part, nous nous appuyons sur le concept de développement d'alliages de titane à haute résistance et résistants pour l'aérospatiale pour développer de nouveaux types d'alliages de titane à haute résistance et résistants pour l'ingénierie maritime.
Au cours de la période du 13e plan quinquennal, l'Institut de recherche sur les métaux non ferreux du Nord-Ouest (Institut du Nord-Ouest) a mené des recherches sur la conception d'optimisation de la composition des alliages basée sur l'alliage Ti80, dans le but d'améliorer la ténacité de l'alliage tout en maintenant sa haute résistance. L'influence de - éléments stables, - éléments stables et éléments interstitiels sur la résistance et la ténacité de l'alliage Ti80 a été systématiquement étudiée à l'aide d'une combinaison de calculs et d'expériences théoriques de Yu Rui. Le micromécanisme de l'influence des éléments sur la résistance et la ténacité de l'alliage a été révélé grâce aux calculs théoriques de Yu Rui. Des recherches approfondies ont été menées sur les changements de résistance et de ténacité de l'alliage Ti-6Al après l'ajout d'éléments Mo et Nb. Il a été constaté que les éléments Mo et Nb ont peu d'effet sur les propriétés de traction à température ambiante de l'alliage, mais peuvent améliorer considérablement la résistance aux chocs de l'alliage. Ceci est principalement attribué à l'ajout d'éléments stabilisants modifiant la composition des phases dans la microstructure, excitant davantage de dislocations et de jumeaux de déformation sous une charge d'impact, consommant plus de charge d'impact, améliorant ainsi la capacité de l'alliage à résister à la propagation des fissures et à obtenir des performances d'impact plus élevées. L'influence de la teneur en éléments O sur les performances aux chocs des barres en alliage Ti80 avec différentes microstructures a été étudiée et il a été constaté que les performances aux chocs sont plus sensibles à la teneur en éléments O dans l'alliage. En ajustant le contenu de chaque élément et le système de traitement thermique, il a été constaté que l'alliage Ti80 présente la meilleure résistance et ténacité à l'état recuit. Sa microstructure est une structure bimodale composée d'une phase alpha primaire équiaxe et d'une phase de transition bêta, comme le montre la figure 1.
La figure 2 montre l'effet de la teneur en O sur la limite d'élasticité et l'énergie de choc de l'alliage Ti80 à double microstructure. On peut conclure que lorsque la teneur en O est de 0,1 % (fraction massique), la limite d'élasticité de l'alliage atteint 800 MPa et l'énergie d'impact peut atteindre 72 J (norme d'essai GB/T229-2020). La coque résistante à la pression d'un submersible des grands fonds-est un représentant typique de l'alliage de titane à haute résistance et robuste-utilisé dans les équipements des grands fonds-, et la profondeur de plongée du submersible est étroitement liée à la résistance spécifique du matériau. Le submersible Alvin aux États-Unis a augmenté sa profondeur de plongée maximale de 1 868 à 4 500 mètres en remplaçant le matériau de la coque résistant à la pression de l'acier au titane. Après d'autres modifications avec un alliage de titane, sa profondeur de conception a été augmentée à 6 000 mètres. En examinant la sélection de matériaux pour les coques résistantes à la pression pour les submersibles des grands fonds dans divers pays, on peut voir que les principales qualités de matériaux en titane sont le Ti-6Al-4V (TC4) et le Ti-6Al-4VELI (TC4ELI), et que la profondeur de plongée d'un submersible pour trois personnes fabriqué à partir de ces deux alliages n'est pas supérieure à 7 000 mètres. En 2017, la Chine a développé et construit de manière indépendante et avec succès la coque sphérique habitée en alliage TC4ELI et la coque sphérique habitée en alliage Ti80, et a installé avec succès la coque sphérique habitée TC4ELI sur le submersible Deep Sea Warrior, avec une profondeur de plongée maximale de 7 000 mètres maximum. La profondeur de plongée maximale de la coque sphérique habitée TC4ELI, en forme de pétales de melon et importée de Russie, est de 7 000 m. Le submersible « Striver » pour 3 personnes en alliage Ti62A peut atteindre une profondeur de plongée de 10 909 m. L'alliage est un alliage de titane tolérant aux dommages à haute résistance et haute ténacité, développé conjointement par l'Institut des métaux de l'Académie chinoise des sciences et Baoji Titanium Industry Co., Ltd. La résistance de cet alliage est grandement améliorée par rapport à l'alliage TC4, tout en conservant une bonne ténacité et une bonne soudabilité.
Jiti Industry Co., Ltd. et d'autres unités ont mené des recherches d'optimisation des performances sur l'alliage Ti62A et développé l'alliage de titane Ti542222. L'indice de limite d'élasticité de cet alliage de titane est de 1 000 MPa et l'énergie d'impact est de 40 J. Après un double traitement de recuit, il présente la meilleure correspondance de résistance, plasticité et ténacité.
Avec le soutien de projets nationaux pertinents, le Northwest Institute et le 725e institut de recherche de la China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) ont développé avec succès des alliages de titane avec des limites d'élasticité de 800 900 et 1 000 MPa. Le Northwest Institute a développé de manière indépendante un alliage de titane de type - à haute résistance -B25, qui présente les caractéristiques de haute résistance et de bonnes performances de travail à froid, et a été largement utilisé dans les systèmes de communication des navires. L'Institut des métaux de l'Académie chinoise des sciences a développé des alliages de titane à haute résistance et ténacité de 1 000 et 1 200 MPa pour le titane utilisé dans l'ingénierie océanique, et a préparé des coques en alliage de titane pour la station d'expérimentation scientifique in situ Abyss et le planeur Abyss en petits lots, remplaçant essentiellement l'alliage Ti64.
Ces dernières années, la Chine a également introduit la technologie de fabrication additive dans la fabrication d'équipements en haute mer-. La China Shipbuilding Industry Corporation Fenxi Heavy Industry Co., Ltd., en collaboration avec Xi'an Bolite, a utilisé la technologie de dépôt par fusion laser (LMD) pour tester la production d'hélices en alliage de titane, de coques creuses, etc. L'Institut des métaux de l'Académie chinoise des sciences, en collaboration avec l'Université des sciences et technologies de Shanghai, a développé une variété de composants en alliage de titane d'ingénierie en haute mer en utilisant la fabrication additive et des processus de pressage isostatique à chaud de poudre. Basé sur l'idée de conception d'une composition à sous-refroidissement élevé et sur la méthode de renforcement et de trempe des alliages de titane à haute résistance, un système de composition d'alliage de titane cristallin équiaxé à texture faible, adapté aux processus de fabrication additive, a été développé, permettant aux alliages de titane fabriqués avec des additifs d'obtenir une excellente résistance, une correspondance plastique et une isotropie des propriétés mécaniques.
Au cours de la période du 14e plan quinquennal, le Northwest Institute, s'appuyant sur le sous-projet du programme national clé de R&D « Optimisation et préparation d'une composition d'alliage de titane à haute résistance et robuste pour un environnement de service extrême en haute mer », a développé un alliage de titane à ultra haute résistance Ti1300G pour les équipements en haute mer et un alliage de titane à haute résistance et résistance Ti5321G pour la fabrication additive d'équipement en haute mer à base d'alliages de titane à haute résistance et résistance Ti1300 et Ti5321. La limite d'élasticité de la coque résistante à la pression en alliage Ti1300G peut atteindre 1 250 MPa, un allongement supérieur ou égal à 9 %, une énergie d'impact supérieure ou égale à 24J et une ténacité à la rupture supérieure ou égale à 60MPa · m1/2 ; La limite d'élasticité des composants fabriqués en alliage Ti5321G peut atteindre 1 050 MPa et le taux d'allongement est supérieur ou égal à 9 %. Un composant de coque résistant à la pression pour les planeurs en haute mer - a été préparé en utilisant l'alliage Ti1300G, et une hélice de propulseur de ROV en haute mer - et un bras manipulateur expérimental ont été préparés en utilisant l'alliage Ti5321G. Actuellement, la coque résistante à la pression est en attente de tests après son installation, et le ROV a passé avec succès les essais en mer en mer de Chine méridionale.
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