钛合金拥有质轻?比强度高?耐海洋环境侵蚀?抗冲击?焊接机能好等一系列海洋设备所需的资料个性，是一种梦想的海洋工程结构资料，被称为 “海洋金属”[1-2]?钛合金在海洋工程领域的利用宽泛，常用于制作深潜器的耐压壳体?船体结构?换热器?冷凝器和管件等?如今，海洋能源的索求?海洋能转换?海水淡化?水师设备的发展都离不开钛合金，其利用市场持续拓宽，海洋工程已成为重要的钛合金民用领域之一?

海洋工程用钛合金持久处于海水及海洋大气环境中，服役环境复杂且恶劣，如深；肪诚录叩暮Ｋ沽τ虢峁褂αΦ加?持续的动载和瞬间风浪冲击等，在应力与侵蚀环境耦合前提下易产生侵蚀委顿，因而在利用时以减轻结构质量?提高结构强度和耐侵蚀能力为主 [3]?此外，海洋工程的结构重大且复杂，必要大量利用焊接结构件，要求焊接接头应拥有足够的焊接机能和断裂韧性等?总之，海洋工程用钛合金的钻研应凭据现实服役环境发展，以充分保险结构的安全靠得住性，耽搁服役寿命?

俄罗斯?美国和日本是最早将钛合金利用到船舶与海洋工程领域的国度，其中俄罗斯的钛合金技术和工艺处于国际当先水平?美国于 1950 年起头将钛合金利用于船舶与海洋工程领域，并于 1963 年成功能钛合金制作了多种潜艇?民用船等?我国关于钛合金的钻研工作起头于 20 世纪 50 年代，最早是利用于航空航天领域，经过多年自主研发，钛合金已被成功利用于航空航天?海洋工程?医疗器械?车辆工业和石油化工等多个领域?其中钛合金在船舶和海洋工程领域的利用起头于 20 世纪 60 年代，经过近七十年的钻研工作，其设计和制作水平日月牙异?逐年提高，船舶与海洋工程用钛量不休增长，钛合金国产化水平也不休提高 [4]?

钛合金是建设海洋强国的重要战术金属资料，其开发?利用与推广对提高海洋工程设备的安全性和靠得住性拥有重要意思?本文介绍了钛合金的熔炼工艺和资料个性，梳理了国内外海洋工程用钛合金系统，总结了近几年钛合金在海洋工程设施上的利用近况，并瞻望了其将来的利用远景?以期钛合金能在恶劣的海洋环境下实现更宽泛的利用，致力践行海洋强国战术?

1
、、、钛合金熔炼工艺

钛合金在高温下的化学机能极其活跃，险些能与所有耐火资料和 H 等气体反映，因而必须在真空或惰性气体；は轮糜谕ɡ淙此嫩巅鲋薪腥哿?目前，船舶与海洋工程用钛合金熔炼常用工业步骤蕴含真空自耗电弧熔炼?电子束冷床炉熔炼和真空感应熔炼等 [5-6]?

1.1 真空自耗电弧熔炼

真空自耗电弧熔炼 (Vacuum Arc Remelting, VAR) 是现阶段最成熟?最常用的钛合金工业熔炼工艺?真空自耗电弧炉的熔炼道理如图 1 [5] 所示?利用 VAR 工艺，可在高真空度环境下高效去除等气体和易挥发性杂质，使熔体干净度得到改善，从而在很大水平上削减组织偏析景象?VAR 工艺的重要优势是熔炼速度快?设备操作单一，合用于大尺寸钛合金铸锭?局限性在于难以节制电弧散布和浇铸温度，若工艺参数选用不适当，易出现质量问题 (尤其是高密度同化物)[7-9]?Zhao 等 [10] 利用 MeltFlow VAR 软件成立了一个耦合温度?电磁?流体流动和溶质场的模型，钻研了搅拌线圈参数对 TC17 合金铸锭成分和晶粒结构的影响?Woodside 等 [11] 钻研了 Ti6Al4V 工业 VAR 出产过程中的电弧散布情况，发现当出产中使用搅拌线圈，在低于 25Hz 的频率下进行外部磁场丈量时存在显著的弧位信息?

1.2 电子束冷床炉熔炼

电子束冷床炉熔炼 (Electron Beam Cold Hearth Melting, EBCHM) 是 20 世纪 70-80 年代发展起来的新型熔炼步骤，是目前冶金领域发展的前沿技术?电子束冷床炉熔炼可在高度真空环境下，将高速电子束流的动能转换成热能来熔炼金属资料，其熔炼道理如图 2 [5] 所示?电子束冷床炉熔炼拥有温度和速度可控?同化物去除能力强?制备的钛合金质量高且规格多样?工艺流程短以及对环境无传染等利益 [12]?雷云清等 [13] 利用 TA1 纯钛残料 + 海绵钛 + 中央合金，通过一次电子束冷床熔炼技术，制备出了组织均匀的 TC4 ELI 钛合金扁锭?杜彬等 [14] 利用新型电子束冷床熔炼炉制备了 Ti55511 钛合金，发现铝元素和铬元素的挥刊行为较为显著?

1.3 真空感应磁悬浮熔炼

真空感应磁悬浮熔炼是一种新型的先进金属熔炼工艺，其在真空或者惰性气体环境下通过电磁感应实现金属溶解和搅拌，并利用线圈产生的悬浮力将溶解金属悬浮起来?与传统熔炼工艺相比，真空感应磁悬浮熔炼预防了熔体直接与坩埚接触，削减了杂质传染，同时电磁搅拌作用能够充分混匀溶解金属，有效削减成分偏析景象 [15-16]?何永亮等 [17] 通过度析和优化真空感应磁悬浮熔炼设备节制系统中的各项工艺参数，提高了熔炼金属的质量不变性和组织均匀性?王振玲等 [18] 利用真空感应磁悬浮熔炼炉制备了 10kg 级 (TiC+TiB) 加强钛基复合伙料，并钻研了钛基复合伙料的微观组织与高温力学机能?

2
、、、海洋工程用钛合金的机能特点

2.1 根基机能

纯钛呈银白色，参与 Al?C?O 和 N 元素可形成密排六方结构的 α 相钛合金；参与 Mo?Nb?V?Cr?Mn?Cu?Fe?Si 元素可形成体心立方结构的 β 相钛合金?凭据室温下的平衡态组织，钛合金可分为钛合金?α+β 钛合金和 B 钛合金三类，国标平别离以 TA?TC 和 TB 暗示?钛合金拥有良好的物理和力学机能，如：密度小?强度高?比强度大?抗冲击?无磁性等?几种常见海洋工程用合金的根基机能如表 1 [19] 所示?钛合金的密度为 4.5g?cm-3, 是高强钢的 57%, 比强度却远高于高强钢?铝合金和镁合金?高比强度对于实现海洋工程设施结构的轻量化拥有重要意思，这使得钛合金在制作深潜器壳体方面有极度大的利用价值?

表 1 几种海洋工程用合金的根基机能 

Table 1 Fundamental characteristics of several alloys used in marine engineering

2.2 耐侵蚀机能

海水是富含氯离子的天然强电解质，氯离子可渗入并加快粉碎合金理论的氧化膜，使合金失去；ざ磺质?海洋工程结构终年处于高温?高湿和富氯离子环境中，必须利用强耐侵蚀性资料?目前海洋工程常用金属资猜中，钛合金的耐海水侵蚀机能最为良好，即便在被传染的海水?热海水 (低于 120℃)?波浪冲击?海泥和附着海生物的环境中仍阐发出优良的耐侵蚀机能 [20-21]?宝钛集团冯秋远等 [22] 选择工业纯钛?黄铜和 CuNi 合金为试验资料，在肯定流速的海水中进行了 60 天耐侵蚀试验，了局 (表 2) 批注：相比于黄铜和 Cu-Ni 合金，钛及钛合金拥有越发优异的耐侵蚀机能，其在海水中的侵蚀速度靠近于零?

表 2 工业纯钛?黄铜和 Cu-Ni 合金在高速流动海水中的耐侵蚀能力 

Table 2 Corrosion resistance of industrial pure titanium, brass and Cu-Ni alloys in high-speed flowing seawater

钛合金的耐侵蚀机理和铝合金类似，其理论可形成一层致密的氧化膜，；ゎ押辖鸹迕馐芎Ｋ质匆约坝推肪诚绿记饣衔?原油等物质的侵蚀?钛合金的氧化膜拥有更强的自钝能力，遭逢粉碎后能够急剧修复，因而钛合金的耐侵蚀机能显著优于其他种类的海洋工程用合金?据调研，在我国南海?武威?东海等海域，在海水全浸区?潮差区?飞溅区和海洋大气环境下，钛合金的侵蚀速度都近似为零?钛合金在海水中的使用寿命可长达 50 年以上?思考合金结构的使用成本及后期守护，对于设计寿命大于 20 年的海洋工程设施，以钛合金作为结构件可削减后期服役过程中的守护和修复用度?但对于设计寿命仅为 3~5 年的海洋工程设施，使用成本较低的碳钢资料更为相宜 [23]?

2.3 室温蠕变机能

为适应深潜器持久下潜 - 巡航 - 上浮过程中复杂的交变应力，钛合金利用于海洋工程中时还必要思考其蠕变效应 [24]?相比于其他金属资料，部门钛合金存在显著的室温蠕变行为?因而，室温蠕变机能也是评价钛合金结构安全性的重要指标之一?室温蠕变是指室温下加载出现的塑性应变随功夫耽搁而不休增长的景象?钛合金的室温蠕变行为不仅会降低构件的尺寸精度，还会影响构件的委顿强度等机能指标，从而降低使用的安全性和有效性?易产生蠕变的钛合金重要为钛合金和 α+β 钛合金，如 TC4 (Ti-6Al-4V) 和 TA7 (Ti-5Al-2.5Sn) 等，而 β 钛合金的室温蠕变景象不显著，可忽略不计 [25]?

与高强钢的高温蠕变相比，钛合金的室温蠕变行为必要更长的功夫?Ankem 等 [26-28] 以为微观组织和晶粒尺寸是影响钛合金室温蠕变机能的成分，试验钻研发现：钛合金晶粒尺寸一样时，等轴组织的室温蠕变情况要显著优于魏氏组织，并且晶粒越细，晶界越多，室温蠕变行为越不容易产生?Peng 等 [29] 通过蠕变试验系统地钻研了 CP-Ti 的低和善中温蠕变，发现达到阈值应力以及在肯定温度下才会出现显著的蠕变，并且只观察到初始蠕变阶段?Wang 等 [30] 通过一系列耐压壳体压缩蠕变试验，揭示了耐压壳体模型蠕变行为的变动法规和散布特点，并提出了蠕变本构方程?

2.4 可焊性

焊接是船舶与海洋工程中最传统?最重要的制作工艺之一，约占总制作工程量的 30%~40%?焊接质量是评价海洋工程结构安全和靠得住性的关键指标?因而，钛合金的可焊性是海洋工程制作业重点关注的机能之一?可焊性通常是指在某项焊接工艺下获得机能良好的焊接接头的能力，其评价指标蕴含焊接的难易水平和焊接接头的机能等?固然钛合金的各项力学机能指标优良，但其焊接工艺复杂?难度高，焊接过程中容易出现焊接缺点，焊接效能低下，这在肯定水平上限度了钛合金的宽泛利用?

钛合金的焊接步骤重要蕴含钨极氩弧焊 (TIG 焊)?等离子弧焊?溶解极氩弧焊 (MIG 焊)?激光焊以及真空电子束焊等?船舶与海洋工程中常用的钛合金为型和近型?此类钛合金的可焊性优良，可选取 TIG 焊?电子束焊等多种焊接步骤进行焊接，且焊缝区域塑性较好?而 α+β 型?近 β 型钛合金在焊接过程中易析出有害的第二相，必要选取真空电子束焊等能量密度大的焊接工艺 [31], 其中利用最宽泛的 α+β 型钛合金 TC4 可通过焊后热处置改善焊缝区塑性?通例焊接步骤对于大型钛合金板材来说容易出现渣块?气孔或未熔透等缺点，深潜设备常选取真空电子束焊，但焊接成本较高?

3
、、、 海洋工程用钛合金系统

钛合金的制作工艺与利用是启发深海资源的钻研热点，受到世界列国的关注?俄罗斯和美国的海洋工程用钛合金系统成立最早且最为美满?俄罗斯的海洋工程用钛合金系统以强度为划分凭据，重要蕴含 490MPa?585MPa?686MPa?785MPa 系列钛合金?美国在其成熟的航空用钛合金系统基础上，针对海洋特殊服役环境，成功成立并美满了海洋工程用钛合金的利用及查核系统，“阿尔文” 号深潜器的耐压壳体就选取了美国自主研制的钛合金 [3]?

经过几十年的钻研和利用，我国逐步形成了自己的船舶与海洋工程用钛合金系统，蕴含了分歧强度级此外国产钛合金?凭据钛合金屈服强度的巨细通；治颓款押辖 (<490MPa)?中强钛合金 (490~790MPa) 和高强钛合金 (>790MPa [32]?上述强度等级的钛合金根基可满足现阶段海洋工程用结构资料的指标要求?中国船级社制订的《资料与焊接规范》中划定了船舶与海洋工程用钛合金板材?棒材?管材的机能要求，如表 3 所示?下面针对我国的钛合金系统进行具体介绍?

表 3 中国船级社钛合金商标?成分及力学机能 

Table 3 Titanium alloy grade, composition and mechanical properties classified by China Classification Society

3.1 低强钛合金

低强钛合金重要商标有 TA9 和 TA10 等，合用于不必要较高强度但要求耐侵蚀机能的设备，如板 / 管式换热器?冷凝器?管路和阀门等?TA10 钛合金是一种典型的近型低强钛合金，耐侵蚀机能优异，常为了节制成本而包办 Ti-0.2Pd 合金来制作海洋工程设备?就弯曲机能和冷加工机能来看，TA10 钛合金与 Ti-65A 合金相差不大，但 TA10 钛合金的耐侵蚀机能更好?现阶段，TA10 钛合金重要以板材的大局利用在海水淡扮装置或换热器的制作中 [33]?

3.2 中强钛合金

中强钛合金重要商标有 Ti80?Ti7?TA18 等，合用于要求加工塑性好，出格是截面大而厚的构件，如潜艇壳体?导流罩?四通海水球阀等?Ti80 钛合金是 20 世纪 80 年代由上海钢铁钻研地点 Ti6211 合金基础上研制出的一种近型中强钛合金，拥有高强?高韧?耐侵蚀?可焊性好等优异的综合机能，且焊接接头的力学机能和耐侵蚀机能优良，重要用作潜艇的耐压壳体和压力容器等 [34]?目前，我国关于 Ti80 钛合金的钻研和利用较为充分，其在船舶与海洋工程上的利用最为宽泛?

3.3 高强钛合金

高强钛合金重要商标有 TC4?TC4 ELI 等?高强钛合金的强度能达到通常高强度钢的水平，但塑性和韧性较差，焊接难度大，且不适合冷加工成型，通常用于制作必要高强度的耐压结构件，如深潜器的耐压壳体?耐热耐蚀部件和特种机械等?TC4 钛合金是一种 α+β 型钛合金，TC4 ELI 则是在 TC4 基础上调整元素含量，研制出的一种危险容限型钛合金 [35]?TC4 和 TC4 ELI 是国内外载人深潜器壳体的常用钛合金商标?我国 “蛟龙” 号和 “深海勇士” 号载人深潜器耐压壳体的建造均选取了超低间隙的 TC4 ELI 合金 [36]?

4
、、、钛合金在海洋工程中的利用

4.1 深潜器

深潜器作为海洋索求开发的重要伎俩，其发展经历了屡次技术改革?从 “海斗”?“潜龙”?“海燕” 等无人深潜器，到 “蛟龙” 号?“深海勇士” 号?“奋斗者” 号等载人深潜器，我国的深海索求设备技术已经实现了逾越式发展?在深潜器研制过程中，钛合金的制备?成型?热处置及焊接等过程均必要多项真空技术支持，其突破与真空技术的发展密不成分?国内深潜器用钛合金板材的商标?成型工艺及力学机能如表 4 [4] 所示?“蛟龙” 号耐压壳体选取了俄罗斯出产的 TC4 ELI 钛合金，成型工艺为球瓣加工后手工焊接方式?经过持久的深潜器耐压壳体结构钛合金的研制工作，我国 “深海勇士” 号选取了由宝钛集团和 725 所制作的钛合金舱体，成型工艺为半球冲压后电子束焊接?2014 年，中国科学院金属所自主研制出高强高韧的 Ti62A 新型钛合金，成功利用于国之重器 “奋斗者” 号载人深潜器 (如图 3 [37] 所示), 其成型工艺亦为半球冲压后电子束焊接，实现了我国钛合金制备和焊接技术的重大突破 [38]?

表 4 国内深潜器用钛合金的商标?成型工艺及力学机能 

Table 4 Grade, forming process and mechanical properties of titanium alloys used for deep-sea submersible in China

钛合金的高比强度有助于实现深潜器结构的轻量化，从而提深邃潜器的航速?浮力和机动性?但钛合金在选材和结构设计时必须思考部门钛合金的室温蠕变景象?此外，深潜器用钛合金的屈服强度通常在 800MPa 以上，强度的提高不成预防会导致其焊接性?韧性?塑性等随之降低，必须选择适当的成型步骤和焊接工艺能力实现钛合金的加工?“奋斗者” 号选取的真空电子束焊接工艺是一种高能束焊接技术，焊接时真空箱内的真空度可达 10-4Pa, 有效降低了焊接接头被杂质气体传染的可能性，并且电子束能量密度高，制得的焊缝拥有较大深宽比，热影响区小?目前，日本超高压真空电子束焊接设备的加快电压可达 150kV, 功率可达 15kW, 极大地提高了焊接质量?

4.2 海洋油气

随着油气资源勘探作业逐步向深水领域发展，钛合金凭借其密度低?比强度高和耐侵蚀机能良好等特点，在海洋油气行业阐发出辽阔的利用远景?钛合金在海洋油气环境下的利用优势重要蕴含以下几点：(1) 减轻管柱自重，降低管柱应力?镍基合金是常用的钻井零部件资料，其密度为 8~9g?cm-3, 钛合金密度仅为镍基合金的一半，能够取代传统的镍基合金资料，制作出轻质?比强度高和刚度大的油管?(2) 耐侵蚀性优异，服役周期较长?钛合金的耐侵蚀性重要源于致密的氧化膜和壮大的自修复能力，即便在几百摄氏度的高和善酸性 (含 H2S
、、、Cl-
、、、CO2 等) 环境下，仍维持较低的侵蚀速度?(3) 射线吸收率小，提高勘探精确度?钛合金无磁性，仅吸收极少量探测地层的 γ 射线，这有效保障了探测活络度，使获得的数据精确度更高 [21]?

目前，钛合金已在国内外的海洋油气钻采工业中获得了大量利用，如换热器?钻杆?隔水管?油管和陆续管等?其中，钛热互换器利用最为宽泛?自 20 世纪 70 年代初，美国就起头将钛热互换器利用于海洋油气开采工程，并在武威油田钻井平台上使用了约 100 个钛热互换器 [39]?TC4 合金是制作钻杆?油管最常用的钛合金资料，拥有较高的屈服强度和委顿强度?但长功夫的工程实际发现，钛合金在钻井磨损前提下耐冲蚀能力较差?这一问题能够通过增长合金元素?理论处置和使用缓蚀剂来改善?不成忽视的是，我国钛合金钻井设备制作的关键技术还有待突破，仍需发展安全性?靠得住性更好的钛合金钻井产品研制工作?

4.3 海水淡化

在全球淡水资源匮乏的布景下，海水淡化可能是解决水资源欠缺的有效战术之一?海水淡扮装置的系统复杂，应选取耐海水侵蚀?强度高?委顿机能好的资料进行制作?早期的海水管路系统大多由碳钢?不锈钢?铜合金等资料制作实现，但其耐海水侵蚀机能远低于钛合金，逐步被钛合金所取代?钛合金制作的冷凝器?蒸馏器?管件?阀门和泵等产品的抗海水侵蚀性强，服役寿命至少是碳钢的 10 倍，且使用过程中险些不必要守护?美国圣克洛伊岛成立的海水淡化厂率先使用了钛管件，不仅耽搁了管件使用寿命，还有效提高了换热系数?随后，日本也起头进行钛合金在海水淡扮装置中的利用研发?目前，我国山东?天津?河北等地已有多台使用了钛冷凝器和钛管件的海水淡扮装置投入使用，将来会有更大的利用市场 [40]?

4.4 海洋能转换

温差能?潮汐能?海流能以及盐差能等海洋能都是海洋赋予人类的宝藏?开发海洋?利用海洋已成为人们将来的发展方向?目前，我国已进行了多个温差能和潮汐能发电项目?温差能发电的道理是首先利用海洋理论温度较高的海水将氨或者氟利昂汽化来驱动涡轮机动弹发电，再用海洋深层的低温海水将汽化的氨或者氟利昂冷却，组成一个不休循环的热机系统?温差能发电设备不仅要耐海水侵蚀，还必要耐氨和氟的侵蚀，钛合金就是最相宜的资料 [39]?钛冷凝器能够当场用海水冷却，且不必要时时停电维修?美国?日本等已经成功地将钛管式蒸发器和凝缩器利用到温差能发电设备中，并且使用成效优良?我国大亚湾核电站?镇海发电厂等多座海滨电站也都使用了全钛凝汽器?

5
、、、实现语

近年来，我国海洋工程用钛工业不休跨步迈进，随着 “奋斗者” 号成功下潜万米深海，实现了重大的技术突破?钛合金资料机能优异，对多种海洋工程设施有较为宽泛的合用性，将来在海洋强国建设中会有更辽阔的利用空间?与俄罗斯?美国和日本相比，国内钛合金系统仍有待美满，重要阐发为关于海洋工程用钛合金的基础钻研幽微，海洋工程用钛合金种类少且不足相应的规范尺度?将来，我国应成立健全海洋工程用钛合金利用及评价系统，夯实钛合金基础钻研，器主关键技术的创新突破，持续扩大钛合金种类和利用领域，推动我国海洋事业的发展?

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