分享：浅析钛及钛合金在海洋装备上的应用

宝鸡钛业股份有限公司，陕西　宝鸡　721013

摘要: 钛及钛合金在海洋工程装备领域应用非常广泛，如船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件、动力驱动装置中的推进器、冷凝器、冷却器、换热器、舰船声呐导流罩、螺旋桨等。本文在介绍钛及钛合金在海洋装备领域应用特点的基础上，总结了目前国内外形成的舰船用钛及钛合金体系和性能特征，分析了国内外钛及钛合金在海洋装备领域的应用现状及优势，展望了钛材在海洋装备的应用前景，以期对后续海洋工程装备设计选材提供参考，从而大幅度加速推动钛材在我国海洋装备领域的应用。

钛具有质轻、比强度高、抗冲击性高、耐海水腐蚀性能优异、断裂韧性好、疲劳强度高、焊接性能好、无磁、透声性好、耐冷热性优异、抗放射性、减震抗噪等一系列优点[1-10]，被誉为“海洋金属”，是一种理想的、具前景的海洋工程装备用结构材料。

钛在海洋工程装备领域应用非常广泛，如船体结构件、潜艇和深潜器的耐压壳体、管件、阀及附件等，动力驱动装置中的推进器和推进器轴，冷凝器、冷却器、换热器等，舰船声呐导流罩、螺旋桨等[2-7]。但目前国内仍未见有关海洋工程装备用钛材的选材手册的报道，未见有关完善的海洋工程装备用钛及钛合金使用评价体系的报道，这在很大程度上制约了钛材在海洋工程装备上的推广使用。

本文在介绍钛及钛合金在海洋装备领域应用特点的基础上，总结了目前国内外形成的舰船用钛及钛合金体系和性能特征，论述了国内外钛及钛合金在海洋装备领域的应用现状及优势，展望了钛材在海洋装备的应用前景，以期对后续海洋工程装备设计选材提供参考，从而大幅度加速推动钛材在我国海洋装备领域的应用。

1.   海洋工程装备用钛

为确保海洋装备的战技性能和航行的绝对安全可靠性，选择合适的装备材料至关重要。

钛及钛合金几乎具备海洋装备材料所需的全部特性，即钛及钛合金的诸多优点。

1.1   物理特性

①质轻。钛密度为4.5 g/cm3，仅为钢的57.7%，在舰船领域应用可减轻船体质量、增加载重、提高航速；②热膨胀系数低，焊接应力小，从而使部件焊接变形量小；③无磁性，在强磁场下也不会磁化，并可防电磁干扰，使装磁引信的水雷或鱼雷失效，避免磁性雷的攻击，从而提高水下潜艇的隐身技术水平和反侦察能力；④导热率与热传递速率匹配良好，是理想的热交换器材料；⑤透声性好，钛材透声系数大于0.85，甚至高达0.98，是舰船声呐导流罩最理想选材；⑥加工性良好，可通过多种加工方式如铸造、轧制、锻造、挤压等生产铸件、板材、丝材、型材、锻件、复杂的零部件等。

1.2   力学性能

钛及钛合金力学性能优异，其比强度高、塑性好，在−253~600 ℃范围内，它的屈强比和比强度在海洋装备用金属材料中最高；冲击韧性良好，在−60~20 ℃范围内，无明显韧-脆转变点；断裂韧性较高，在80~110 MPa·m1/2之间[2-3]。疲劳强度高，钛材低应力高周疲劳均在107周次以上。

1.3   腐蚀性能

钛在海洋环境介质中具有优异耐腐蚀性能。由于钛和氧亲和力极高，在空气或氧介质中，钛材表面极易快速形成一层薄、致密、坚固的氧化膜。钛的氧化膜具有很强的自愈性，当氧化膜受到破坏或划伤后，也会很快自愈或再生，形成新的氧化膜。这层氧化膜可使钛材几乎不被自然海水腐蚀。

2.   国内外舰船用钛材体系

钛材是一种优良的舰船材料，得到了各国海军和造船业的青睐。近五十年来，俄罗斯、美国、中国和日本等先后都建立了适用于自己的舰船用钛及钛合金体系。

2.1   国外舰船用钛材体系

俄罗斯、美国是最早研究舰船用钛及钛合金的国家，并各自形成舰船用钛及钛合金体系，日本相对较晚，舰船用钛材体系较简单。俄、美、日各国常见的舰船用钛及钛合金牌号及屈服强度σ0.2按低、中、高强度级别划分见表1[1-3,6-10]。

俄罗斯舰船用钛及钛合金研究及应用水平居世界前列，是最早拥有专用舰船用钛合金体系的国家，如船体钛合金ПT-1M，船机用钛合金ПT-7M、3M、37，动力工程用钛合金ПT-3B、40、5B、23a等。几十年来，俄罗斯在核潜艇、常规潜艇、水面舰艇、航空母舰、深潜器等舰船领域都大量采用了钛材。

表  1  俄罗斯、美国、日本常见舰船用钛及钛合金牌号及屈服强度[1-3，6-10]

国家	低强钛合金			中强钛合金			高强钛合金
	牌号	合金成分	σ0.2/MPa	牌号	合金成分	σ0.2/MPa	牌号	合金成分	σ0.2/MPa
俄 罗 斯	ПT-1M	—	≥390	ПT-3B	Ti-4Al-2V	≥590	BT6	Ti-6Al-4V	≥850
	TL3	Ti-3.5Al-0.4V	≥440	37	—	≥690	BT8	Ti-6.5Al-3.3Mo-0.3Si	≥900
	ПT-7M	Ti-2Al-2.5Zr	≥490	5B	—	≥690	BT14	Ti-5Al-3Mo-1V	≥900
	TL5	Ti-3.5Al-2V	≥490	—	—	—	23a	—	≥1050
美国	Gr1	Cp-Ti	≥165	Gr.32	Ti-5Al-1Zr-1Sn- 1V-0.8Mo-0.1Si	≥586	Gr.23	Ti-6Al-4VELI	≥795
	Gr2	Cp-Ti	≥275	—	Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo	≥655	Gr.5	Ti-6Al-4V	≥820
	Gr12	Ti-0.3Mo-0.8Ni	≥345	—	—	—	Ti38644(βc)	Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr	≥1100
	Gr9	Ti-3Al-2.5V	≥485	—	—	—	—	—	—
日 本	CP-Ti	—	≥280	—	—	—	SAT-64	Ti-6Al-4V	≥830
	—	—	—	—	—	—	SAT-64ELI	Ti-6Al-4VELI	≥795

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美国海军自1963年开始对舰船用钛材进行大量的工程应用研究，主要的船用钛及钛合金有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等，现已成功将钛材应用于各种水面舰艇、动力潜艇、民船等。

日本的船用钛及钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI，集中应用于深潜器耐压壳体、民用渔船、游船等。

2.2   国内舰船用钛材体系

国内舰船用钛材的研究始于1962年，五十多年来，我国从研发到应用已逐渐形成了较完整的舰船用钛及钛合金体系[1-3,6-9]，其屈服强度在320~1130 MPa之间。业界通常按材料屈服强度大小对其分类，即屈服强度在500 MPa以下为低强钛合金，500~790 MPa为中强钛合金，高于790 MPa为高强钛合金。上述强度级别材料基本可满足国内舰船、潜艇、深潜器及深海空间站用结构材料的指标要求。现阶段我国已制定了舰船用钛及钛合金板材、棒材、锻件、无缝管材及铸件的相关规范，具体舰船用钛及钛合金体系、性能、应用及规范标准号见表2。

表  2  我国舰船用钛及钛合金体系、性能及应用[1-3,6-9]

类别	牌号	合金成分	Rm/MPa	Rp0.2/MPa	A/%	Z/%	KV2/J	性能特点	应用
低强	TA2	Cp-Ti	≥400	275~450	≥25	—	—	成型、焊接性能好，耐海水腐蚀	非耐压铸件、冷成型件、管路等
	TA3	Cp-Ti	≥500	380~550	≥20	—	—	成型、焊接性能好，耐海水腐蚀	非耐压铸件、冷成型件、管路等
	TA4	Cp-Ti	≥580	485~655	≥20	—	—	成型、焊接性能好，耐海水腐蚀	低强度承压壳体、冷成型件、结构件等
	Ti-31（TA22）	Ti-3Al-1Mo-1Zr-0.8Ni	>637	>490	≥18	≥35	≥47	成型、焊接性好，耐180 ℃ 海水腐蚀	换热器、冷凝器、泵体、管路、阀门、压力容器、承载焊接结构件等
	ZTA5	Ti-4Al-0.005B	≥590	≥490	≥10	≥25	≥24	铸造性能好	船舶推进、电子及辅助系统的泵、阀等
中强	TA18 M	Ti-3Al-2.5V	≥620	≥515	≥15	—	—	冷成型性、焊接性优异	舰船排气管、喷气偏导装置，舱盖、舱门等
	TA17	Ti-4Al-2V	685~835	≥560	≥10	—	—	良好焊接性能、抗腐蚀性能、 冲击韧性高	封头、声呐导流罩骨架、结构件等
	TA5	Ti-4Al-0.005B	≥685	≥585	≥12	—	—	耐蚀、可焊性好	鱼雷发射装置、框架结构件、船舶各类机械部件等
	ZTi60	Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-1.0Ta-0.5Nd-0.5Si	≥670	≥590	≥10	≥20	≥43	铸造性能好、耐蚀、可焊	各种耐压系统铸件等
	Ti70（TA23）	Ti-2.5Al-2Zr-1Fe	≥700	≥590	≥10	—	—	耐蚀性、透声性、冷成型、 焊接性好	透声罩、声呐导流罩、桅杆、冷成型件等
	Ti75（TA24）	Ti-3Al-2Mo-2Zr	≥730	≥630	≥13	≥25	—	耐蚀性、焊接性、成型性优异，断裂韧性、冲击韧性高	船舶结构、压力容器、耐高压管路、推进系统构件等
	Bti431	Ti-5Al-3Mo-1V	≥770	≥650	≥9	≥25	—	焊接性、铸造性良好	管材结构、紧固件、气瓶等耐压罐体等
	Ti91	Ti-3Al-1V-1Zr-1Fe	≥700	≥660	≥20	≥35	—	冷成型性、焊接性、耐蚀性、透声性优异	透声罩、声呐导流罩等
	ZTC4	Ti-6Al-4V	≥835	≥765	≥5	≥12	—	抗裂纹扩展、抗疲劳、 铸造性能好	螺旋桨、可承受重载荷的壳体等高强铸件
	Ti80（TA31）	Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo	≥880	≥785	≥10	≥40	—	耐蚀、可焊	紧固件、结构件、壳体等
高强	TC4ELI	Ti-6Al-4VELI	≥860	≥795	≥10	≥25	≥24	抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、焊接性好	耐压壳体、高压容器、结构件、船舶部件、紧固件等
	TC4	Ti-6Al-4V	≥895	≥830	≥10	—	—	抗裂纹扩展、抗疲劳、耐腐蚀、焊接性好	耐压壳体、发动机外壳、蒸汽透平机叶片、蓄电器、船舶部件、紧固件等
	TB8	Ti-15Mo- 3Al-2.7Nb-0.25Si	825~1000	795~965	≥6	—	—	高强、塑性、韧性，耐蚀	高强紧固件、海水管路、弹簧、弹射装置等
	TB9	Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr	—	—	—	—	—	塑性好、强度和弹性高、 淬透性好、耐蚀性和抗盐应力 腐蚀性能优异	弹簧、紧固件等
	TC11	Ti-6.5V-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si	≥1010	≥910	≥8	≥23	≥24	高强、高韧、耐高温	高压压气机转子、低压压气机叶片及轮盘等
	TiB19	Ti-3Al-1Mo-5V-4Cr-2Zr	≥1175	≥1130	≥5	≥10	—	强度高、塑韧性好、焊接性好	船舶高压容器、筒体、机械部件等
	Ti62A	Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-1V	≥1010	≥930	≥9	≥18	≥20	高强、高韧、耐冲击	大深度耐压壳体、耐压罐体、紧固件等
注：1）舰船用钛合金锻件规范 GJB 943A—2018；2）舰船用钛及钛合金板材规范 GJB 944A—2018；3）舰船用钛及钛合金棒材规范 GJB 9571—2018；4）舰船用钛及钛合金铸件规范 GJB 9574—2018；5）舰船用钛及钛合金无缝管材规范 GJB 9579—2018。

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与俄罗斯、美国相比，中国舰船用钛及钛合金体系还不够完善，且应用数据较少，无准确、高效的舰船用钛材的评价体系。

3.   钛材在海洋装备上的应用现状及优势

钛材是海洋环境中最理想的材料，使用钛材可使海军舰船及装备大大提高战斗力、降低维护成本、延长使用寿命、提高隐蔽性[1,10]。俄、美、中国海军已将钛材广泛应用于深潜器、水下潜艇、水面舰艇、舰船等装备的耐压壳体、海水管路系统、上层建筑及其他部件等[9-11]。

3.1   耐压壳体

国内外选用钛材作为耐压壳体的实例较多，主要用于深潜器载人球壳、潜艇壳体[11]，具体典型应用所选用钛材的牌号及拉伸性能见表3。

表  3  国内外载人球舱和潜艇耐压壳体材质、制备工艺及材料性能

国家	牌号	成型、焊接工艺	拉伸性能				潜艇名称	设计深度/mm	使用 年份
			σ0.2/MPa	σb/MPa	A/%	Z/%
俄罗斯	BT6	瓜瓣/拼焊 手工TIG焊接	≥800	≥850	≥10	≥20	“和平”号	6000	1987
美国	Ti-6Al-4VELI	整半球冲压成型 赤道缝电子束焊接 螺栓连接	≥760	≥825	≥8	≥15	新“阿尔文”号 Triton 36000/2	6500 11000	1994 2019
法国	Ti-6AL-4VELI	整半球冲压成型 螺栓连接	≥795	≥860	≥10	—	“鹦鹉螺”号	6000	1985
中国	TC4 ELI	整半球冲压成型 赤道缝电子束焊接	≥795	≥860	≥10	—	“深海勇士”号	4500	2017
	TC4	瓜瓣/拼焊 手工TIG焊接	≥825	≥895	≥10	—	“蛟龙”号	7000	2009
日本	Ti-6Al-4VELI	整半球冲压成型 赤道缝电子束焊接	≥810	—	—	—	深海“6500”号	6500	1989
俄罗斯	ΠT-3B （对应国内TA17）	—	640~835	≥590	≥9	≥15	核潜艇	—	1960

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国内外深潜器载人球壳选用钛材牌号主要有Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI（对应国内牌号TC4、TC4ELI）。很多深潜器载人球壳前期选用钢材，但后期都采用钛材替代，既可以减轻重量，增加下潜深度，又可以提高使用寿命。例如：①美国Alvin深潜器，1964年建造时采用的是HYl00高强钢(板厚33.8 mm)，下潜深度为2000 m，1973年改建时将耐压壳体换成钛合金(板厚49 mm)，下潜深度增加到3600 m，其辅助箱及高压气器也采用Ti-6Al-4VELI；②日本的“深海2000”载人球壳采用钢材制备，后续在建造“深海6500”时选用钛材制备载人球壳以增加下潜深度。

在潜艇耐压壳体应用方面，俄罗斯最早选用钛材，是目前世界上使用钛材制造耐压壳体技术最先进最成熟的国家，其全钛核潜艇制造选用的惟一的钛材牌号为IIT-3B钛合金（对应国内牌号TA17）。近年来，国内在建造潜艇时也更青睐于选用钛材，牌号主要集中于TA17、TC4、TC4ELI、TC11、纯钛等。

除此之外，目前许多国家都正在建造大深度载人潜水器和大深度全钛武器装备。国内建造的“奋斗者”号全海深载人潜水器已于2020年11月10日成功挑战全球海洋最深处——马里亚纳海沟，深度达10909 m，实现了中国人的深海梦，该深潜器的载人球壳材料为高强高韧损伤容限型钛合金，由宝钛股份制造；国内已开始建造全钛的大深度装备。

3.2   海水管路系统

海水管路系统复杂、通径规格多，所选材料要求具有耐海水腐蚀、强度高、疲劳性能好等特点，钛材均可满足，采用钛合金制造的管道较传统材料（碳钢、不锈钢、铜合金）优势显著[1,9-10]。

(1)提高服役寿命，与舰船本体同寿命。俄罗斯对比研究了传统材料和钛材制造的管道系统服役寿命。结果表明，钛材与舰船同寿命，只需投入一次，且在使用过程中仅需简单维护即可；传统材料服役期限约2~10 a，服役期内必须定期维修，甚至更换，尤其是在高速推动环境作用下，各种接头均会产生局部腐蚀。美国海军舰船应用数据显示，钛制管系寿命为40 a，铜镍合金管系寿命只有6~8 a。国内开展了采用“钛合金”替代“铜合金”制造海水管路系统的验证考核试验，宝钛提供的TA2钛无缝管材、配套管件和钛法兰在整套试验系统运行近3 a后，拆解检验管路及配套材料，均未发现有裂纹、孔洞和腐蚀等异常情况。

(2)降低成本。采用钛合金部件，虽一次投入成本较高，但一次投入即可满足全寿命使用，使用过程中仅需简单维护保养，大量节省维修和维护费用。美海军舰船热交换器用的铜镍合金管每年大约需更换97 km，而在LPD17两栖船坞运输舰的2个主海水配管系统上选用了Gr.2纯钛管材，约1000多个管件，总长度3350 m以上，全寿命期节省成本达1700万美元。

综上所述，钛材在管路系统的使用，既可以减重、又可以实现与本体同寿命，同时，降低成本。近几年，国内已在022艇等多型号海洋装备上批量应用。

3.3   上层建筑

目前，在国内舰船上层建筑中也已有钛材应用实例，如：桅杆用Ti70(TA23)、雷达天线用TA5和TA7棒材、机库蒙皮和框架结构用TA2和TA5板材。

美海军在LPD17两栖船坞运输舰的关键部位上层建筑区也大量使用了钛，使其质量减轻约50%，大大提高了该舰的稳定性[10]。

3.4   其他领域应用

除上述耐压壳体、管路系统和上层建筑大量用钛材外，国内外海洋装备上还有其他部件也有用钛，应用实例见表4。

表  4  国内外海洋装备其他部件用常见钛材

序号	用途	常用牌号	产品类型
1	泵、阀	纯钛、ZTC4、ZTA5、ZTi60	铸件
2	螺旋桨	ZTC4	铸件
3	声呐导流罩、透声罩	Ti70、ΠT-3B	板材
4	框架结构	TA2、TA5、TC4	板材、型材
5	气瓶、耐压罐体	Bti341、TC4、TC4ELI、Ti62A	棒材、板材
6	冷却器/管/水套、冷凝器等	TA2、TA16、Ti75、Ti31	管材
7	紧固件、弹簧、销	TC4、TC4ELI、TC11、TB8、TB9（Ti38644）	棒材、丝材

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4.   结束语

钛合金不仅使海洋装备实现向“深、大、远、高、低”的方向发展，也可完全实现与海洋装备本体同寿命，是海洋装备的最佳选材[11-14]。目前，我国对钛材在海洋装备上的应用也越来越重视，用钛量也在不断的增加。深海耐压壳体、海水管路、气瓶、上层建筑、框架等将成为海洋用钛的重点发展方向。

现阶段国内外钛材在船舶领域应用实例较多，但相关规范中材料体系并不完善。希望相关单位组织讨论并完善现行“钛制压力容器”、“材料与焊接”等相关规范中的材料体系，以便于设计人员参考。