Ti31Ti75Ti80鈦合金材料在海洋工程中的應用與特性

21世紀被稱為海洋的世紀。海洋空間與資源不僅已成為世界軍事和經濟競爭日趨激烈的重要領域，而且將成為人類賴以生存、社會借以發展、瀕海國家持續安泰昌盛的戰略空間和基地。鑒此，各瀕海國家，特別是海軍強國，均在以海權建設為核心，為增強控制海洋、維護海洋權益和疆土完整的綜合治海能力與開發利用海洋空間的能力而大力發展海軍裝備、海洋安全保障裝備和海洋工程裝備。

海洋工程用材料，要求必須有高強度、耐海水熱液腐蝕、抗硫化腐蝕、抗微生物附著、高韌性等特點。而鈦金屬質輕、高強、耐蝕，特別對鹽水或海水和海洋大氣環境的侵蝕有免疫能力，是優質輕型結構材料，被稱為“海洋金屬”，是重要的戰略金屬材料。鈦金屬在海洋工程中具有廣泛的用途，特別適于做輕型海工裝備，是海洋工程領域的新型關鍵材料之一，因此，充分利用海洋材料——鈦及鈦合金，將有助于國家海洋戰略的發展。

一、鈦適合海洋環境的特性 

1、密度小、強度高、比強度大

鈦的密度是4.5lg/cm³，為鋼的57％，鈦比重不到鋁的兩倍，強度是鋁3倍。鈦的比強度是常用工業合金中最大的。高比強度可促進海工裝備的小型化、輕量化，可增加潛艇的航速、浮力和機動性，增加深潛器的下潛深度和有效載荷，因此，鈦是海洋工程必不可少的關鍵結構材料。

2、耐蝕性能優異

鈦是目前已知材料中抗常溫海水腐蝕性能最好的材料，即使在污染的海水、熱海水(低于120℃)、海泥、流動海水中均具有良好的耐蝕性。其優異的耐蝕性是由于它具有很好的自鈍化性，當受到某種程度的破壞時，表面氧化膜或鈍化膜可以很快自行修復和恢復。也就是說，在海洋中，鈦幾乎是不可腐蝕的，鈦表面有一層附著力強而堅韌的氧化膜，故耐蝕性超過其他金屬。

在抗腐蝕設備設計中，可大幅度減少承載結構件厚良方向的腐蝕裕量，大大節約建造材料；抗腐蝕設備可與主體進行同壽命設計，減少維護頻次，大大降低維護費用，還可提升裝備服役能力；鈦制設備在海洋中使用時無需徐層保護，簡化了制造工藝，縮短了工期，降低了制造成本。

3、耐海水沖蝕腐蝕和氣蝕

大部分材料都存在臨界速度，超過此速度表面氧化膜就會被沖刷掉而使腐蝕加速發生。這種加速腐蝕就是沖蝕腐蝕。

鈦管路的耐沖刷腐蝕能力遠高于銅及銅合金管，鈦在海水里的臨界速度大于27米／秒。多種沖蝕腐蝕試驗表明鈦耐這種腐蝕的能力非常強。鈦允許采用較小的管徑、較薄的管壁和較高的流速制造管路系統，實現設備小型化、輕量化。同時，耐氣蝕實驗表明，鈦是最耐氣蝕破壞的金屬之一。

4、抗沖擊性能高

鈦及鈦合金的抗沖擊性能最佳，這有利于海工裝備抵御海浪周期性沖擊的能力，提高設備的安全可靠性。

5、無磁

鈦無磁性，非常適合用于必須將電磁波干擾減少到最小的地方。用于潛艇，可極大限度地降低潛艇的磁性物理場效應，從而減少其被反潛飛機磁探儀發現的可能；對于鈦制船舶、艦艇可增加隱蔽性，避免受到磁性水雷的攻擊。用于潛艇殼體，不會引起水雷的爆炸。同時，還有利于提高探測儀器及工具的抗磁干擾能力，保證信號的準確性。

6、高透聲系數

鈦用做潛艇和航母的聲吶導流罩材料，可提高設備的聲吶探測靈敏度和探測距離，提高裝備的效能與安全可靠性。

7、優良的加工性能

鈦金屬機械加工性能好，可制成各種形狀、各種規格的實用工程材料，包括板、鈦棒、管、絲、帶、箔、鈦鍛件、鑄件、焊件等；絕大多數鈦及其合金具有良好的可焊性，焊縫強度系數可達0.9以上；鈦金屬焊后很少產生延遲裂紋，其設備一般無需焊后熱處理，有利于船舶和海洋工程等大型工程裝備的建造。

8、綠色循環利用

鈦金屬制品在海洋環境中的使用壽命長，報廢后經解體回爐，可加工成較低級別的鈦合金材料使用，且其重量損失極少，回收率高。

二、鈦的綜合力學性能

工業純鈦，屬于低強度級別金屬范圍，通過添加合金元素Al、Sn、Mo、Zr等元素實現高強度化。純鈦的抗拉強度為240MPa～580MPa，一般鈦合金為685MPa～1180MPa，目前最高可達1760Mpa。鈦和鈦合金的壓縮強度不低于其抗拉強度。工業純鈦的壓縮屈服強度和拉伸屈服強度大致相等，而TC4(Ti-6A1-4V)和TA7(Ti-5A1-2.5Sn)壓縮強度比拉伸強度稍高。

鈦和鈦合金薄板的承壓屈服強度大約是抗拉強度的1.2～2.0倍。在正常大氣氣氛下，經加工和退火的鈦和鈦合金的持久極限為(0.5～0.65)倍抗拉強度。

在缺口狀態(Kt=3.9)進行一干萬次疲勞試驗時，退火TC4的持久極限為0.2倍抗拉強度。鈦合金的比彈性模量與鋁合金的相等，僅次于鈹、鉬和某些高溫合金。

許多鈦合金具有很高的斷裂韌性，或者說，鈦合金抗裂紋擴展的能力很好。退火狀態的TC4就是一種韌性極好的材料，當缺口集中系數Kt=25.4mm時，缺口拉伸強度與非缺口拉伸強度之比大于1。

一般工業鈦合金在540℃下能保持其有用的性能，但僅能供短時間應用，長時間使用的溫度范圍為450～480℃。鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原

有的一定的機械性能。隨著溫度的降低，鈦和鈦合金的強度不斷增加，而延性逐漸變差。許多退火的鈦合金在一195.5℃低溫下還具有足夠使用的延性和斷裂韌性。含間隙元素特低的TA7可在-252.7℃溫度下使用。

三、鈦金屬在海洋方面的應用

1、深海潛水器

第一艘載人深潛器為“曲斯特I”號。l960年1月23日，美國人在太平洋馬里亞納海溝下潛深度為10916m，創造了人類深潛的歷史。法國1985年研制的“鸚鵡螺”號潛水器最大下潛深度可達6000m。

俄羅斯是世界上擁有載人潛水器最多的國家，比較著名的是1987年建成的“和平I(MIR)”和“和平II(MIR)”號兩艘6000m級潛水器。日本1989年建成的下潛深度6500m的“深海6500”潛水器，水下作業8h。

中國“蛟龍號載人深潛器”，最大下潛深度7000米，2002年建造，已完成熱液取樣、生物采集、海底布放等多項深海科考項目。2012年6月24日，蛟龍號在西太平洋的馬里亞納海溝試驗海域成功創造了載人深潛新的歷史紀錄，首次突破7000米，最深達到7020米海底。這意味著蛟龍號已經成為世界上下潛能力最深的作業型載人潛水器，可在占世界海洋面積99.8％的廣闊海域自由行動。

寶鈦集團承擔的國家高技術研究發展計劃(863計劃)海洋技術領域重點科研項目4500米載人潛水器TC4載人球殼預研已取得成功，研制出了潛水器鈦合金載人艙1套，并掌握了具有完全自主知識產權的4500米載人潛水器載人艙耐壓球殼的建造技術，從而實現鈦合金載人球殼的國產化。

2、海洋能源開發利用

據聯合國教科文組織出版物估計，全世界海洋能總量為766億kW。海濱電站和核電站中凝汽器是重要大型設備，冷卻介質是海水。傳統使用鋼及銅合金材料制造，但抗海水腐蝕性差，使用壽命短。在海水中，特別是污染海水的作用下，銅合金凝汽器容易發生點蝕、孔蝕、應力腐蝕和疲勞腐蝕現象，導致設備泄漏，造成重大經濟損失。國內外實踐證明，電站的凝汽器和熱交換器采用鈦材是最合適的。

全世界電站裝機總容量約2X10MW，火電站和水電站約5000多座，采用鈦凝汽器約占3％～4％，核電站380多座，采用鈦凝汽器約占30％，歐、美、日本等

國電站都普遍使用鈦凝汽器。我國臺州電廠、鎮海發電廠、秦山核電站、大亞灣核電站等均采用了全鈦凝汽器。

濱海電站用鈦凝汽器具有較多的優越性：可以就地利用海水作冷卻介質；耐蝕性好，壽命長；熱交換效率高、經濟效益好；安全性能高、減少停電檢修時間、生產效率高等。

3、潛艇

俄羅斯在建造全鈦核潛艇研究和制造技術上處于國際領先地位，也是用鈦合金最先建造耐壓殼體的國家。從20世紀60年至80年代，前蘇聯生產了一系列鈦制潛艇，包括6艘“阿爾法”級核潛艇，每艘用鈦約3000t。6艘“臺風”級核潛艇，既輕又快，機動性能良好。其中“臺風”級核潛艇，擁有鈦金屬制造的外殼，其雙層外殼共用鈦9000t，使其具有了無磁性、下潛深、航速快、噪音小、維修次數少等優點，其在俄羅斯軍事防御工程中具有舉足輕重的地位。

4、深海空間站

深海移動空間站將主要用于進行海洋科學探索，被喻為海洋里的“天宮一號”。從上世紀60年代起，美國和前蘇聯都陸續完善了深海空間站體系。2000年，

俄羅斯公布了本國深海空間站的民用建設，其針對性很單一，主要針對北冰洋的石油開采。我國于上世紀90年代提出深海空間站的概念，旨在和平開發和利用海洋資源。已經建成的深海空間站試驗艇和正在建設的小型深海移動工作站都是我國自主研發的。深海空間站的建立都離不開鈦及鈦合金關鍵材料的支撐。

5、海水淡化

隨著人們對蒸餾淡化裝置腐蝕規律和鈦材優越性認識的逐步提高，海水淡化裝置傳熱管選材出現了顯著的變化，具有優異耐蝕性的鈦材傳熱管應用越來越廣泛。對鈦材的牌號來講，應用最廣的是工業純鈦TA1(Gr1)、TA2(Gr2)，溫度較高的海水加熱器使用TA9(Gr7，Ti-Pd)、TA10(Or12，Ti-0.3Mo-0.7Ni)，兩牌號具有更優異的抗腐蝕能力。

海水淡化設備使用最多的是鈦焊管，主要用于加熱器、冷凝器、蒸餾器、蒸發器、熱交換器等，它不僅可以節省成本，而且可以提高熱交換系數。

寶鈦集團有限公司由德國引進的3150噸擠壓機、1000噸穿孔機以及各種型號的軋管機系列設備，形成了年產2000t以上的無縫管材生產線；與法國ValtimeSAS和美國TimetAsia，lnc等企業合資組建的西安寶鈦美特法力諾焊管有限公司，形成兩條先進的鈦焊管生產線，年產能達800～1000t。由德國引進的MB22一Tl型二十輥冷軋機以及鈦及鈦合金帶材專用處理線，組成了國內第一條專業的鈦帶生產線，年產能達到10000t，代表國內鈦帶卷生產的最高水平，(0.3～4.75)×(600～1370)×Lmm產品品質達到國外同等產品水平。西安寶鈦美特法力諾焊管有限公司生產的鈦焊管已用于國內首鋼京唐海水淡化等工程項目。這為我國海水淡化裝備用焊管國產化打下了良好的基礎，必將推動鈦材在我國海水淡化產業的廣泛應用。

四、結語

21世紀人類進入了開發利用海洋的新時代，國際間以開發和占有海洋資源為核心的海洋維權之爭愈演愈烈。大量事實表明，海洋科技已進入全球科技競爭的前沿，并或為國家間綜合實力較量的焦點之一。海洋科技的發展離不開鈦及鈦合金材料，而寶鈦集團有限公司現已發展成為中國最大、實力最雄厚、體系最完整的以鈦及鈦合金為主的稀有金屬材料專業化科研生產基地，是我國鈦工業的搖籃和旗幟，是中國鈦、鋯國標、軍標、行規的制定者，代表著我國鈦材加工技術的最高水平，是“中國鈦谷”和“國家高技術新材料產業基地”的龍頭企業。因此，擁有國家級“企業技術中心”、“鈦及鈦合金國際科技合作基地”、“陜西省鈦鋯鎳工程技術研究中心”、“博士后科研工作站”、“陜西省院士專家工作站”的寶鈦集團有限公司，與海洋工程設計部門、應用研究部門以及中科院金屬研究所、北京有色金屬研究院、哈爾濱工業大學等科研院所緊密合作，依托現有的裝備、技術和人才優勢，在材料研發方面，完善海洋用鈦合金體系，在大規格、高性能鈦及鈦合金板、棒、管、鍛件、鑄件等方面消除技術瓶頸，實現工程化突破，為制取先進海工鈦裝備打下堅實基礎；同時要在艦船與深潛器用鈦、海上油氣開采用鈦，海水淡化及熱交換及新能源開發用鈦四大領域內應用取得重大技術突破，努力搶占海洋工程用鈦的技術制高點；總之，寶鈦集團有限公司以發展海洋工程關鍵、瓶頸鈦加工技術為研發重點，加強基礎性關鍵技術攻關，提高自主創新能力，獲取具有自主知識產權的海洋工程鈦材料技術和產品，盡快縮短與國際先進水平的差距，積極推動海洋工程用鈦的大發展。

(作者單位：寶鈦集團有限公司)

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