船舶におけるチタン合金材料の応用
チタンとチタン合金材料は船舶に広く使用されています。船舶の付属品と客室設備を除いて、電子情報システム、電力システム、補助システム、船体構造、推進システムなど、すべての大型設備と部品にチタンとチタン合金材料が使用される可能性があります。外国のチタン合金材料は主に船体構造材料、船舶ポンプ、バルブ、パイプなどの付属品、動力駆動装置、熱交換器、凝縮器、冷却器、蒸発器、音響装置などに使用され、国産のチタン合金材料は主に潜水艦、動力駆動装置、船舶搭載レーダー、電子機器、ファスナーなどに使用されます。
1. シェル（耐圧性）
船舶分野では、潜水艦や潜水艇に主にチタン合金製の圧力シェルが使用されています。チタン合金は、比強度が高く、耐腐食性に優れ、非磁性という特徴があり、深海機器の圧力シェルの製造に適した高品質の材料です。
ロシアは原子力潜水艦にチタン合金圧力殻を採用した最初の国であり、世界の技術リーダーでもあります。 1960年代以来、ロシア（旧ソ連）は一連のチタン合金潜水艦を製造してきました。 ロシアは最初、テスト船であるチタン合金巡航ミサイル原子力潜水艦661号を建造しました。 その後、ロシアは7隻の「アルファ」級チタン合金潜水艦、「マイク」級潜水艦1隻、「シエラ」級潜水艦4隻を相次いで建造しました。 これらの原子力潜水艦はすべて攻撃型で、そのうち「アルファ」級チタン合金潜水艦は3,000トンのチタン合金を使用しています。 ロシア製の「タイフーン」級原子力潜水艦は、容積とトン数の点で世界最大の潜水艦であり、チタンの消費量は9,000トンに達します。
現在、ロシアの最新世代の「ボレイ」級原子力潜水艦もチタン合金製の耐圧殻を使用している。
チタン合金製圧力殻のもう一つの重要な用途は、深海潜水艇である。有人潜水艇「蛟龍」は我が国が独自に開発した有人潜水艇であり、設計最大潜水深度は7,2メートル以上である。有人潜水艇「蛟龍」の圧力殻はチタン合金で作られている。現在、世界の主要な深海有人潜水艇のほとんどは、圧力殻の準備材料としてチタン合金材料を使用している。例えば、米国のアルビンとニューアルビン、中国の蛟龍、フランスのノータイル、日本のしんかい6500などの深海有人潜水艇の殻材料はすべてチタン合金である[9]。チタン合金は深海潜水艇の耐圧殻の好ましい材料となっている。
2. 動力推進装置
海水や海洋気候の影響により、船舶のプロペラ材料には、より高い腐食疲労強度と耐キャビテーション性が求められます。銅合金や鋼鉄と比較して、チタン合金は腐食疲労強度と耐キャビテーション性に優れています。また、チタン合金は密度が低いため、同じサイズのプロペラを作る場合、チタン合金製プロペラの質量は他の一般的な材料よりも小さくなります。そのため、チタン合金製プロペラを使用した船舶の駆動効率は高くなります。チタン合金製プロペラの高い腐食疲労強度と耐キャビテーション性と相まって、メンテナンスや手入れが容易になり、プロペラの耐用年数が延びます。チタン合金は船舶のプロペラに最適な材料です。
ロシア、イギリスなどの国々は、1960年代にはすでに船舶にチタン合金のプロペラを使用する試みを始めていました。たとえば、ロシアは「アルファ」級と「マイク」級の原子力潜水艦にチタン合金のプロペラを使用しています。米国も多くの船舶にチタン合金のプロペラを使用しています。たとえば、米海軍は50tの研究用潜水艦追跡艦に直径812.8mmの3枚羽根の取り外し可能なスーパーキャビテーションチタン合金プロペラを使用しています。高速砲艦「アッシュビル」は4枚羽根の可変ピッチチタン合金プロペラを使用しています。米軍の大型水中翼船「プレインビュー」は、直径1.52mのTi-6Al-4V材料で作られた4枚羽根の取り外し可能なスーパーキャビテーションチタン合金プロペラを使用しています。我が国もさまざまなチタン合金プロペラの開発に成功し、多くの船舶に使用しています。 例えば、Ti-5Al-2.5SnとTi-6Al-4Vチタン合金水中翼プロペラは1972年に開発に成功し、現在までに多くの船舶に使用されています。長年の使用により、チタン合金プロペラは耐腐食性が強く、耐用年数は従来の銅合金プロペラの3倍であることが証明されています。
船舶のプロペラ以外にも、船舶のエンジンにもチタン合金材料が使用されています。例えば、ロシア製の原子力砕氷船は、チタン合金材料を含む蒸気エンジンを使用しています。チタン合金の推進装置を使用すると、航行中に地球の磁力線を切断して発生する大きな誘導電流が船舶に影響を与えるのを防ぐことができます。また、米国のSES-100A試験船や日本の「PT-10」魚雷艇など、一部の船舶の水ジェット推進装置にもチタン合金材料が使用されています。これらの水ジェット推進装置は、工業用純チタンとチタン合金の鍛造品を使用しており、装置の重量が軽減され、水ジェット推進装置の効率が向上しています。
3. ポンプ、バルブ、パイプおよびその付属品
ロシアの船舶パイプラインシステムの運用要件は、最初のドック修理前に構造材料の耐用年数が 8 ～ 9 年であることが保証され、システムが完全に交換されるまでの耐用年数が 15 年以上であることです。この要件により、あらゆるレベルの船舶が 25 ～ 30 年間効果的に機能することが保証されます。船舶は海上で運航されるため、船上のポンプ、バルブ、パイプ、その他の付属品は厳しい海洋環境のテストを受けます。
ロシアの民間船の配管システムは、一般的に水流の速度に応じてM3C銅管とMH-5-1銅合金管を使用していますが、バルブ、ポンプ、熱交換器には銅合金が使用されています。船の配管に銅合金材料が使用されている場合、2年目に腐食して損傷している可能性があり、上記の使用要件を満たすことが困難になります。使用要件を満たすには、パイプの厚さを厚くする必要がある場合があり、同時に、水流速度を確保するためにパイプの直径を拡大する必要があります。船の配管システム全体の重量とコストが増加しました。
しかし、ロシアの軍艦のポンプ、バルブ、パイプなどには、より多くのチタン合金材料が使用されています。軍艦は長い間使用されており、その使用実践により、チタン合金のパイプ、バルブ、ポンプ、熱交換器などの製品は海水腐食に対する耐性が強く、耐用年数が長いことが証明されています。船舶の取水システムの製造にすべてチタン材料を使用すれば、システム寿命を大幅に延ばし、使用の信頼性を向上させることができます。
米海軍は船舶にチタン合金配管システムを採用しています。従来の銅ニッケル合金管と比較して、チタン合金は耐食性が強く、高速で流れる海水（流速13m/s）でも海水に洗われて腐食することはありません。特に、移動する海水、高流速、高圧を作動媒体とするパイプラインに適しています。そのため、同じ海水流量を確保する条件下では、チタン合金の高い耐食性により、パイプラインをより細く設計でき、パイプラインの直径が小さくなり、船舶の占有スペースが小さくなり、レイアウトの柔軟性が向上し、メンテナンスコストも削減されます。また、チタン合金の密度は銅ニッケル合金の約半分と小さく、それによって製造されるパイプラインの品質も低いため、パイプラインのサポートに使用される機器が少なくて済みます。船舶の負荷が軽減され、燃料消費量が削減されます。
4. 船舶音響装置
チタン合金材料は、ソナードーム、水中音響変換器部品、マイク、電話部品などの船舶の音響装置にも使用できます。ソナーは、船舶が水中のターゲットを検出するための最も効果的な装置です。わが国では主にステンレス鋼と繊維強化グラスファイバーを使用していますが、チタン合金材料と比較すると、その音の透過性と衝突抵抗は比較的弱いです。ロシアは、クルスク原子力潜水艦、ミンスク空母、キエフ空母などにチタン合金ソナードームを採用しており、実際のソナー検出効果は良好です。