Ứng dụng của Titan và hợp kim Titan trong thiết bị hàng hải

Titan là vật liệu lý tưởng nhất trong môi trường biển. Việc sử dụng titan có thể cải thiện đáng kể hiệu quả chiến đấu của tàu và thiết bị hải quân, giảm chi phí bảo trì, kéo dài tuổi thọ và cải thiện khả năng che giấu. Hải quân Nga, Mỹ và Trung Quốc đã sử dụng rộng rãi titan trong thân tàu chịu áp lực, hệ thống đường ống dẫn nước biển, cấu trúc thượng tầng và các thành phần khác của tàu lặn, tàu ngầm dưới nước, tàu nổi, tàu và các thiết bị khác.

1. Thân tàu chịu áp lực
Các loại titan được sử dụng cho các quả cầu có người lái của tàu lặn biển sâu trong và ngoài nước chủ yếu là Ti-6Al-4V và Ti-6Al-4VELI (tương ứng với các loại trong nước TC4 và TC4ELI). Nhiều quả cầu có người lái của tàu lặn biển sâu được làm bằng thép ở giai đoạn đầu, nhưng sau đó đã sử dụng titan thay thế, có thể giảm trọng lượng, tăng độ sâu lặn và cải thiện tuổi thọ. Ví dụ: ① Tàu lặn Alvin của Mỹ được chế tạo vào năm 1964 bằng thép cường độ cao HYl00 (độ dày tấm 33,8 mm) với độ sâu lặn là 2000 m. Khi được chế tạo lại vào năm 1973, thân tàu chịu áp suất đã được thay thế bằng hợp kim titan (độ dày tấm 49 mm) và độ sâu lặn tăng lên 3600 m. Hộp phụ trợ và máy tạo khí áp suất cao của nó cũng sử dụng Ti-6Al-4VELI; ② Vỏ hình cầu có người lái "Deepsea 2000" của Nhật Bản được làm bằng thép và titan được sử dụng để chuẩn bị vỏ hình cầu có người lái khi "Deepsea 6500" được chế tạo để tăng độ sâu lặn.

Về ứng dụng vỏ tàu ngầm chịu áp lực, Nga là nước đầu tiên sử dụng titan. Hiện tại, đây là quốc gia có công nghệ tiên tiến và trưởng thành nhất thế giới trong việc sử dụng titan để chế tạo vỏ tàu ngầm chịu áp lực. Cấp titan duy nhất được sử dụng trong sản xuất tàu ngầm hạt nhân toàn titan của nước này là hợp kim titan IIT-3B (tương ứng với cấp trong nước TA17). Trong những năm gần đây, Trung Quốc cũng ưa chuộng sử dụng vật liệu titan khi chế tạo tàu ngầm, và các cấp chủ yếu tập trung ở TA17, TC4, TC4ELI, TC11, titan nguyên chất, v.v.

Ngoài ra, nhiều quốc gia hiện đang chế tạo tàu ngầm có người lái dưới biển sâu và vũ khí và thiết bị hoàn toàn bằng titan dưới biển sâu. Tàu ngầm có người lái toàn biển "Struggler" do Trung Quốc chế tạo đã thách thức thành công phần sâu nhất của đại dương thế giới - Rãnh Mariana vào ngày 10 tháng 11 năm 2020, với độ sâu 10.909 m, hiện thực hóa giấc mơ biển sâu của người dân Trung Quốc. Vật liệu vỏ hình cầu có người lái của tàu ngầm là hợp kim titan có độ bền cao, độ bền cao, chịu được hư hỏng do Công ty TNHH Baoti sản xuất; Trung Quốc đã bắt đầu chế tạo thiết bị biển sâu hoàn toàn bằng titan.

2. Hệ thống đường ống nước biển
Hệ thống đường ống nước biển phức tạp và có nhiều thông số kỹ thuật về đường kính. Các vật liệu được lựa chọn phải có đặc tính chống ăn mòn của nước biển, độ bền cao và hiệu suất chịu mỏi tốt. Titan có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu này. Đường ống làm bằng hợp kim titan có những ưu điểm đáng kể so với các vật liệu truyền thống (thép cacbon, thép không gỉ, hợp kim đồng).

(1) Nâng cao tuổi thọ, ngang bằng với tuổi thọ của chính con tàu. Nga đã so sánh tuổi thọ của hệ thống đường ống làm bằng vật liệu truyền thống và titan. Kết quả cho thấy titan có tuổi thọ tương đương với tàu, chỉ cần đầu tư một lần, trong quá trình sử dụng chỉ cần bảo dưỡng đơn giản; tuổi thọ của vật liệu truyền thống khoảng 2 đến 10 năm, trong suốt thời gian sử dụng phải thường xuyên sửa chữa hoặc thậm chí thay thế, đặc biệt là dưới tác động của môi trường lái xe tốc độ cao, các mối nối khác nhau sẽ sinh ra ăn mòn cục bộ. Theo dữ liệu ứng dụng của tàu Hải quân Hoa Kỳ, tuổi thọ của đường ống titan là 40 năm, còn tuổi thọ của đường ống hợp kim đồng-niken chỉ từ 6 đến 8 năm.
Trung Quốc đã tiến hành kiểm tra xác minh và đánh giá việc sử dụng "hợp kim titan" thay thế "hợp kim đồng" để chế tạo hệ thống đường ống nước biển. Sau khi ống liền mạch titan TA2, phụ kiện ống hỗ trợ và mặt bích titan do Baoti cung cấp chạy trong gần 3 năm, các đường ống và vật liệu hỗ trợ đã được tháo rời và kiểm tra, không phát hiện tình trạng bất thường như nứt, lỗ và ăn mòn.

(2) Giảm chi phí. Mặc dù chi phí đầu tư một lần cho các bộ phận hợp kim titan cao hơn, nhưng khoản đầu tư một lần có thể đáp ứng được toàn bộ vòng đời sử dụng và chỉ cần bảo dưỡng đơn giản trong quá trình sử dụng, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí sửa chữa và bảo dưỡng. Các ống hợp kim đồng-niken được sử dụng trong bộ trao đổi nhiệt của tàu Hải quân Hoa Kỳ cần được thay thế khoảng 97 km mỗi năm, trong khi các ống titan nguyên chất Gr.2 được chọn cho hai hệ thống đường ống nước biển chính của tàu vận tải đổ bộ LPD17, với khoảng 1, 000 ống và tổng chiều dài hơn 3.350 m, tiết kiệm tới 17 triệu đô la chi phí trong toàn bộ vòng đời. Tóm lại, việc sử dụng titan trong hệ thống đường ống không chỉ có thể giảm trọng lượng mà còn đạt được tuổi thọ tương đương với thân chính, đồng thời giảm chi phí. Trong những năm gần đây, nó đã được áp dụng theo lô trên nhiều loại thiết bị hàng hải như tàu 022 ở Trung Quốc.

3. Cấu trúc thượng tầng
Hiện nay, cũng có những ví dụ về ứng dụng titan trong kết cấu thượng tầng của tàu trong nước, chẳng hạn như Ti70 (TA23) cho cột buồm, thanh TA5 và TA7 cho ăng ten radar và tấm TA2 và TA5 cho vỏ nhà chứa máy bay và kết cấu khung. Hải quân Hoa Kỳ cũng sử dụng một lượng lớn titan trong khu vực kết cấu thượng tầng chính của tàu vận tải đổ bộ LPD17, giúp giảm khối lượng của tàu khoảng 50% và cải thiện đáng kể độ ổn định của tàu.

4. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác
Ngoài các thân tàu chịu áp lực, hệ thống đường ống và kết cấu thượng tầng sử dụng một lượng lớn titan nêu trên, còn có nhiều bộ phận khác của thiết bị hàng hải trong và ngoài nước cũng sử dụng titan.