1、引(yin)言
钛(tai)金属(shu)在地(di)壳中主要以氧(yang)化钛(tai)（TiO2）的形式(shi)存在(zai)，其含量(liang)仅(jin)次于(yu)铝、铁(tie)、镁(mei)，储(chu)存(cun)量十分丰(feng)富。作(zuo)为(wei)一种(zhong)稀有(you)金属，1791 年(nian)作为(wei)一(yi)种(zhong)矿(kuang)物(wu)质(zhi)被(bei)发现(xian)；1940年卢森(sen)堡(bao)科(ke)学家用镁(mei)还(hai)原(yuan)TiCl4 得到(dao)了纯钛，至(zhi)此钛金(jin)属(shu)的(de)生(sheng)产(chan)进入(ru)工业(ye)化(hua)阶段(duan)，其(qi)应用(yong)范(fan)围(wei)也(ye)被进(jin)一步拓(tuo)展。例如我(wo)国首(shou)个(ge)载人(ren)深(shen)海潜(qian)水器(qi)即使(shi)用(yong)Ti80 钛(tai)合金耐(nai)压(ya)壳(ke)，顺(shun)利下(xia)潜至(zhi)4500米(mi)深海(hai)。目前(qian)越来(lai)越(yue)多的(de)国家(jia)对(dui)于(yu)钛(tai)合(he)金(jin)的实(shi)用(yong)价值给予足够(gou)的重(zhong)视(shi)，在船舶耐(nai)压(ya)壳体(ti)应(ying)用(yong)中的(de)性能(neng)与优势也被(bei)广泛(fan)重视。
2、钛合(he)金材(cai)料特(te)点
钛(tai)合金(jin)材(cai)料(liao)是(shi)指(zhi)在(zai)钛元素中(zhong)加(jia)入(ru)其(qi)他(ta)元(yuan)素(su)构(gou)成(cheng)的(de)合金，钛合金材料具(ju)有密(mi)度(du)小(xiao)、强(qiang)度(du)高(gao)、韧性(xing)好(hao)和(he)优(you)秀(xiu)抗(kang)腐蚀性的(de)特(te)点(dian)，在(zai)制(zhi)造船体结(jie)构(gou)时(shi)使用钛(tai)合金，极(ji)大提升(sheng)设备性(xing)能。首(shou)先，从其强(qiang)度(du)性能看(kan)，一(yi)般的钛(tai)合金密度(du)约为4.5g/m3，密(mi)度仅仅是(shi)钢(gang)材料的(de)60%，但是(shi)强度(du)却(que)比钢材(cai)料高很多(duo)，在(zai)船体(ti)中利(li)用钛(tai)合(he)金能(neng)够制造出重(zhong)量轻(qing)、强(qiang)度高(gao)的(de)部件(jian)。其(qi)次(ci)，从抗(kang)腐(fu)蚀(shi)上看，钛(tai)合金(jin)在(zai)船舶建(jian)造中(zhong)有着(zhe)天然(ran)的(de)优(you)势(shi)，其(qi)抗腐(fu)蚀性(xing)能远(yuan)远(yuan)超过(guo)不锈钢。而(er)且(qie)对(dui)于碱、氯化物或(huo)者(zhe)氯的有机(ji)物(wu)品、硝(xiao)酸等都有(you)很(hen)强的抗腐蚀(shi)性(xing)能(neng)[1]。无(wu)论在(zai)清洁还是(shi)污染的(de)海水中(zhong)，钛合(he)金(jin)都能(neng)够(gou)保持钝(dun)化(hua)状(zhuang)态，腐(fu)蚀率(lv)仅(jin)为(wei)0.00076μm/a，几(ji)乎(hu)可以(yi)忽(hu)略不计(ji)。同时(shi)，钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)低温(wen)性(xing)能好(hao)，在海洋低温(wen)环(huan)境中都能够保持良好(hao)的(de)物理(li)性能(neng)，使(shi)用(yong)温度(du)在(zai)300 ～ 600℃之间。在(zai)-296℃的低(di)温下(xia)其(qi)强度也(ye)远(yuan)远高(gao)于(yu)其(qi)他(ta)合(he)金(jin)。钛合(he)金的各种性(xing)能更符合船(chuan)舶(bo)设计与建(jian)造要求，所以一(yi)直被(bei)作为(wei)大型(xing)潜艇、深海(hai)潜(qian)水(shui)器等设(she)备(bei)壳(ke)体(ti)的(de)主要(yao)材(cai)料，俄罗(luo)斯(si)作(zuo)为世(shi)界(jie)上(shang)第(di)一(yi)个(ge)使(shi)用钛(tai)合(he)金(jin)耐压壳体(ti)的(de)国家，其(qi)钛(tai)合金生产(chan)工艺长(zhang)期处(chu)于(yu)世界领(ling)先位(wei)置(zhi)。具体(ti)而言(yan)，根(gen)据钛合金在船体(ti)中(zhong)的使用位(wei)置，可以分(fen)为(wei)壳体用(yong)钛(tai)合金、动力(li)工(gong)程(cheng)用(yong)钛合金(jin)和(he)船机用(yong)钛合(he)金(jin)。根(gen)据(ju)其特性可(ke)以分为(wei)可(ke)焊结构钛(tai)合金(jin)、高强(qiang)度(du)钛(tai)合金(jin)、耐热(re)钛(tai)合(he)金(jin)等(deng)。
表(biao)1 是(shi)钛合(he)金(jin)与其(qi)他(ta)几(ji)种金(jin)属材料性(xing)能(neng)、成本(ben)的对比。
从表1 可(ke)以(yi)看出，无论是(shi)强(qiang)度还是延(yan)伸(shen)率(lv)，高强钛(tai)合金(jin)都远(yuan)远高于另(ling)外(wai)两种合(he)金(jin)。但(dan)是钛合金缺(que)点是制造成本高，而且工艺复(fu)杂(za)，切削加工困难。尤(you)其(qi)是在(zai)热(re)加(jia)工(gong)过(guo)程中很(hen)容(rong)易混入各种杂质(zhi)，导(dao)致(zhi)焊(han)接质量受到(dao)严重的(de)影(ying)响(xiang)。
3、船舶(bo)建造中(zhong)对耐(nai)压(ya)壳(ke)体(ti)的质量(liang)要求(qiu)
船舶建造中对于(yu)金属(shu)材料(liao)的要求(qiu)较高，不但要(yao)具(ju)有(you)抵(di)御风浪的(de)良(liang)好强度(du)；而且(qie)也具有良好(hao)的耐腐蚀性，以(yi)降(jiang)低(di)海水、海洋(yang)大(da)气(qi)对船体的(de)破(po)坏(huai)。所以，长期以来船舶建(jian)造(zao)材料一直(zhi)是船舶领域(yu)研究的重点(dian)。从实际使用(yong)情况看，目(mu)前(qian)国(guo)外船(chuan)舶(bo)中对(dui)于钛(tai)合(he)金使用较为广泛，我(wo)国(guo)船舶建造中由于(yu)钛(tai)合金成(cheng)本(ben)、焊(han)接工艺(yi)等因素(su)的影(ying)响(xiang)，还存在(zai)很多的(de)应(ying)用(yong)障(zhang)碍，在一定(ding)程(cheng)度上影响(xiang)了钛合金(jin)材(cai)料(liao)在船(chuan)舶建(jian)造中(zhong)的(de)应(ying)用(yong)。
船舶建造中(zhong)的(de)耐(nai)压(ya)壳体大(da)多(duo)应用(yong)于船(chuan)体结构中(zhong)，但是由于海(hai)洋环(huan)境(jing)下(xia)具(ju)有(you)较强(qiang)腐(fu)蚀(shi)性(xing)，而且(qie)需(xu)要(yao)承(cheng)受海水的巨(ju)大(da)压力与(yu)腐(fu)蚀(shi)性环(huan)境，所以对船舶结构性(xing)能有(you)更(geng)高(gao)的(de)要求，保(bao)证(zheng)耐(nai)压(ya)壳体在使(shi)用(yong)中不(bu)会(hui)因海(hai)水压力(li)和(he)腐(fu)蚀(shi)而损(sun)坏(huai)。因(yin)此，近年来对(dui)船舶(bo)建(jian)造(zao)中(zhong)耐(nai)压壳体(ti)的(de)性(xing)能(neng)要求(qiu)越(yue)来越高。一般(ban)常(chang)见的(de)船舶(bo)耐压壳(ke)体主(zhu)要结(jie)构形式(shi)包(bao)括(kuo)球(qiu)形、圆(yuan)柱(zhu)形(xing)、圆锥(zhui)形等多种(zhong)，但(dan)是(shi)海洋(yang)航(hang)行中的(de)恶劣环(huan)境(jing)对(dui)耐(nai)压壳(ke)体使(shi)用的材料提出(chu)更(geng)高的(de)要求(qiu)，需(xu)要对其物理(li)性(xing)能(neng)进行(xing)严(yan)格(ge)的(de)测(ce)试(shi)，以(yi)确(que)保船舶(bo)航行安全。在钛合金使(shi)用中(zhong)，我(wo)们(men)也自主(zhu)研发了一(yi)些(xie)船舶(bo)使(shi)用(yong)的(de)钛(tai)合金，如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等，应用于船体、动力(li)装置、民(min)用(yong)船只耐压壳(ke)体等(deng)[2]。但(dan)是与俄罗(luo)斯(si)、美国相(xiang)比，我(wo)国(guo)钛合(he)金(jin)在船舶中的(de)应(ying)用不(bu)太成熟(shu)，还(hai)具有很(hen)大的(de)应(ying)用推(tui)广空间(jian)。
4、钛合金材料(liao)耐(nai)压(ya)壳(ke)体在(zai)船舶建造中(zhong)的(de)应(ying)用
有(you)鉴于钛(tai)合(he)金材料(liao)良(liang)好的(de)性能，近年(nian)来(lai)在(zai)船舶(bo)制造中得(de)到(dao)一定应(ying)用。从实(shi)际情况看，在(zai)民用(yong)船只(zhi)、深海潜水(shui)器(qi)、军(jun)用(yong)船只，钛合(he)金(jin)材料(liao)应用较为(wei)广(guang)泛(fan)。本(ben)节(jie)主(zhu)要(yao)根(gen)据应用情况(kuang)，对(dui)钛合(he)金材料(liao)在船舶制造(zao)中的应用(yong)与发(fa)展(zhan)进(jin)行(xing)简要探(tan)讨(tao)。
4.1 钛(tai)合(he)金材料(liao)在(zai)民(min)用船(chuan)只(zhi)中的(de)应(ying)用
民(min)用(yong)船舶(bo)由(you)于(yu)长期浸泡(pao)在海(hai)水(shui)中，受到(dao)海洋侵蚀(shi)和海(hai)洋(yang)大(da)气环(huan)境的影(ying)响(xiang)，船体(ti)结构很(hen)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)腐蚀(shi)，尤其是(shi)螺旋桨(jiang)等接(jie)触(chu)海水(shui)的(de)部件。所(suo)以(yi)在(zai)建(jian)造中(zhong)往(wang)往对(dui)材(cai)料有(you)着(zhe)更高的(de)要(yao)求，包(bao)括(kuo)要(yao)具(ju)有很(hen)强(qiang)的(de)耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)、强度高(gao)、维修(xiu)少(shao)等(deng)，进(jin)而满(man)足船(chuan)舶(bo)使(shi)用中耐蚀性、耐久(jiu)性(xing)、牢(lao)固性(xing)、可(ke)靠(kao)性(xing)及(ji)稳(wen)定性等(deng)多方面要(yao)求(qiu)。在航(hang)运(yun)中(zhong)具有(you)较(jiao)强(qiang)的(de)承重(zhong)力(li)，受到海水(shui)冲击(ji)时(shi)，能(neng)够(gou)尽(jin)量(liang)减(jian)少其对(dui)船(chuan)体(ti)的破坏。同时(shi)还(hai)能够降(jiang)低船(chuan)体(ti)重(zhong)量，提升航行距离(li)。这些严苛(ke)的条件，都(dou)为钛合(he)金材料在船(chuan)舶(bo)建造中(zhong)的(de)应(ying)用奠定(ding)了(le)良好(hao)的(de)基(ji)础(chu)。例(li)如(ru)如果(guo)用(yong)铜(tong)或者(zhe)不锈(xiu)钢来制作船舶(bo)的泵、阀(fa)和(he)管系，一(yi)般只有2—5年(nian)的(de)寿(shou)命(ming)。如果用(yong)钛合(he)金(jin)来(lai)制(zhi)作(zuo)，其使(shi)用(yong)寿(shou)命会远(yuan)超(chao)铜(tong)和不(bu)锈钢[3]。
4.2 钛(tai)合金材(cai)料(liao)耐(nai)压(ya)壳(ke)体在深(shen)海潜(qian)水器(qi)中的应(ying)用
深海潜(qian)水器是探索深(shen)海(hai)救援(yuan)，进(jin)行(xing)深海科(ke)学(xue)研究(jiu)的(de)重(zhong)要(yao)基础，在(zai)技术(shu)获(huo)得突(tu)破后(hou)又(you)可(ke)以被应(ying)用到军事(shi)领(ling)域。
所(suo)以，近(jin)年来世(shi)界各(ge)国(guo)都十(shi)分重视(shi)深海潜水器的制造，在(zai)我(wo)国第(di)一(yi)个(ge)深(shen)海潜(qian)水(shui)器(qi)制造(zao)中(zhong)，由(you)于(yu)钛合金(jin)焊(han)接工艺(yi)极高(gao)，所以(yi)一(yi)直(zhi)采用俄罗(luo)斯制(zhi)造的(de)钛合金耐压(ya)壳(ke)。美(mei)国则重点研制了Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等(deng)船(chuan)用钛(tai)合(he)金，有(you)效(xiao)提(ti)升船舶(bo)运动过程中(zhong)的稳(wen)定(ding)性(xing)，减轻(qing)船(chuan)体质(zhi)量[4]。例如(ru)我(wo)国上(shang)海(hai)钢研所(suo)研(yan)制(zhi)的Ti-Nb-Zr-Mo钛(tai)合(he)金(jin)性(xing)能(neng)接近(jin)α 高(gao)强度钛(tai)，其(qi)强度、韧(ren)性、可焊(han)接性(xing)、耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性(xing)的(de)综(zong)合性(xing)能都得(de)到(dao)很大的提(ti)升(sheng)，成为(wei)深(shen)海(hai)潜水(shui)器(qi)耐压壳(ke)体的(de)最佳材(cai)料(liao)。
4.3 钛合金(jin)材(cai)料(liao)在(zai)军(jun)用(yong)船只(zhi)中(zhong)的(de)应用
钛(tai)合金(jin)材料在(zai)军用(yong)船(chuan)只(zhi)中(zhong)的(de)应(ying)用(yong)也十(shi)分广(guang)泛，作(zuo)为世界上最早研(yan)究、应(ying)用(yong)钛合(he)金的国(guo)家，俄罗(luo)斯目(mu)前(qian)已(yi)经(jing)构(gou)建出(chu)齐(qi)全的钛合金(jin)体系，并将高强(qiang)度(du)的钛(tai)合金(jin)应用至(zhi)船(chuan)体、船(chuan)机(ji)和动(dong)力(li)装(zhuang)置等(deng)方面。例如列宁(ning)号(hao)破(po)冰(bing)船制(zhi)成的(de)钛合金(jin)蒸汽(qi)发(fa)生(sheng)器，顺(shun)利(li)使用(yong)了几十(shi)年(nian)未出现损坏[3]。美(mei)国海军1950年(nian)即开始重(zhong)点(dian)发展(zhan)钛(tai)合(he)金(jin)在(zai)军(jun)用船(chuan)只(zhi)中的应用(yong)，随后将钛合(he)金材料(liao)应(ying)用(yong)至各(ge)种(zhong)动(dong)力(li)潜(qian)艇(ting)、水面(mian)艇(ting)，材料包括(kuo)Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等(deng)。我国(guo)对于钛(tai)合金材料(liao)在军(jun)用船舶(bo)中(zhong)的(de)应用研(yan)究(jiu)开(kai)始(shi)于(yu)1962 ，目(mu)前钛(tai)合(he)金(jin)已(yi)经应用至船体(ti)结(jie)构(gou)、螺(luo)旋(xuan)桨、电(dian)子(zi)电力系统以(yi)及各种(zhong)特(te)殊(shu)装置中，满(man)足(zu)舰(jian)艇、潜(qian)艇(ting)和深潜器对不同(tong)强度(du)级别的要(yao)求(qiu)[4]。
5、结(jie)语
钛(tai)合(he)金被(bei)广泛(fan)应(ying)用以(yi)来(lai)，我国经过几(ji)十年(nian)的(de)技术(shu)研(yan)究(jiu)与(yu)发(fa)展已(yi)经形(xing)成较为完善的(de)产业链，并为(wei)船(chuan)舶建(jian)造行(xing)业带(dai)来(lai)明显(xian)的社(she)会效益(yi)与(yu)经济价值[5]。相(xiang)对于船(chuan)用钢(gang)材(cai)，钛(tai)合金虽(sui)然是(shi)钢材(cai)价格(ge)的数(shu)倍(bei)，但是(shi)钛(tai)合金使(shi)用寿命更(geng)长、技(ji)术(shu)性(xing)能(neng)更具优势(shi)，其边际(ji)成本更(geng)低(di)[6]。所以(yi)在(zai)动辄(zhe)寿(shou)命(ming)数(shu)十(shi)年(nian)的(de)海洋船(chuan)只建造(zao)中，积极使用(yong)钛合(he)金不(bu)仅(jin)能(neng)够延长(zhang)使(shi)用(yong)寿(shou)命，而(er)且(qie)维护费用(yong)低(di)，值得在(zai)船(chuan)舶制(zhi)造行业(ye)中广(guang)泛(fan)推广。
【参(can)考文(wen)献】
[1] 王鹏(peng)飞，江(jiang)亚(ya)彬(bin)，宋江，等. 深(shen)海用(yong)复合(he)材料(liao)耐(nai)压(ya)壳(ke)体(ti)结(jie)构(gou)设(she)计方(fang)法(fa)研(yan)究(jiu)[J]. 复合材(cai)料科学与(yu)工(gong)程，2020(11):49-53.
[2] 王(wang)珂(ke)，吴丽(li)，李(li)永正，等(deng). 新型钛合金材料疲劳裂纹(wen)扩(kuo)展试验(yan)研(yan)究(jiu)[J]. 舰船科学技术(shu)，2020，42(21):9-12.
[3] 吴(wu)建(jian)新. 钛合金(jin)材(cai)料(liao)在(zai)船(chuan)舶(bo)材(cai)料上的(de)应用(yong)[ J ] . 船舶物(wu)资(zi)与(yu)市(shi)场(chang)，2020(8):5-6.
[4] 肖伟(wei)星(xing). 船(chuan)用(yong)钛(tai)合(he)金材料(liao)焊(han)接中的常(chang)见(jian)问(wen)题(ti)与(yu)对策[ J ] . 中(zhong)国(guo)设备工(gong)程，2019(2):188-189.
[5] 江(jiang)洪(hong)，陈(chen)亚(ya)杨. 钛合金(jin)在舰(jian)船(chuan)上(shang)的(de)研究(jiu)及应用进展[ J ] . 新(xin)材(cai)料(liao)产业，2018(12):11-14.
[6] 李(li)德(de)强，王树(shu)森，包恩达. 钛合金(jin)材料(liao)在(zai)船(chuan)舶材(cai)料(liao)上(shang)的(de)应(ying)用与(yu)发(fa)展[J]. 世(shi)界有(you)色金属，2015(9):127-128.
基金项目：甘肃(su)省(sheng)教育厅高(gao)校创新基(ji)金项(xiang)目(mu)，基于水(shui)环(huan)境(jing)的大气(qi)波导观(guan)测(ce)方(fang)法研究(jiu)（2020A-220 号(hao)）。
作者简(jian)介(jie)：钟立(li)才(cai)（1987- ），男(nan)，甘(gan)肃兰(lan)州(zhou)，本(ben)科，讲(jiang)师(shi)，研究(jiu)方向: 高分(fen)子材料(liao)加(jia)工机械(xie)。
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