1、引言

鈦金屬在地殼中主要以氧化鈦（TiOM₂ ）的(de)(de)形式存在(zai)，其(qi)含量(liang)僅次于(yu)鋁、鐵、鎂(mei)，儲存量(liang)十分豐(feng)富。作為一(yi)(yi)種稀有金屬(shu)，1791年(nian)作為一(yi)(yi)種礦物質被發(fa)現；1940年(nian)盧 森堡(bao)科(ke)學家用(yong)鎂(mei)還(huan)原TiCl4 得到了純鈦(tai)，至此鈦(tai)金屬(shu)的(de)(de)生產進入工(gong)業化階段(duan)，其(qi)應用(yong)范圍(wei)也被進一(yi)(yi)步拓展。例如我國(guo)首個載人深(shen)海潛水器(qi)即(ji)使用(yong)Ti80鈦(tai)合(he)金耐(nai)(nai)壓殼，順利下潛至4500 米深(shen)海。目(mu)前越來越多(duo)的(de)(de)國(guo)家對(dui)于(yu)鈦(tai)合(he)金的(de)(de)實用(yong)價值給予足夠(gou)的(de)(de)重視，在(zai)船舶耐(nai)(nai)壓殼體應用(yong)中的(de)(de)性能與優勢也被廣泛(fan)重視。

2、鈦合金材料特點

鈦合金材料是指在鈦元素中加入其他元素構成的合金，鈦合金材料具有密度小、強度高、韌性好和優秀抗腐蝕性的特點，在制造船體結構時使用鈦合金，極大提升設備性能。首先，從其強度性能看，一般的鈦合金密度約為 4.5g/m³ ，密度(du)(du)僅(jin)僅(jin)是(shi)鋼材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de) 60%，但是(shi)強(qiang)(qiang)度(du)(du)卻(que)比(bi)鋼材(cai)料高很多，在船體(ti)中(zhong)利用鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)能(neng)(neng)夠(gou)制造出(chu)重量輕、強(qiang)(qiang)度(du)(du)高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)件。其次，從抗(kang)腐蝕上看，鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)在船舶建(jian)造中(zhong)有(you)著天(tian)然(ran)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優勢，其抗(kang)腐蝕性(xing)(xing)能(neng)(neng)遠遠超過不(bu)銹鋼。而且對(dui)于堿、氯(lv)化(hua)物或者氯(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)機(ji)物品、硝酸等都(dou)有(you)很強(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)腐蝕性(xing)(xing)能(neng)(neng)[1] 。無(wu)論在清潔(jie)還是(shi)污染的(de)(de)(de)(de)(de)(de)海(hai)水中(zhong)，鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)都(dou)能(neng)(neng)夠(gou)保持鈍化(hua)狀態，腐蝕率僅(jin)為(wei)0.00 076 μm/a，幾乎可以(yi)(yi)忽略(lve)不(bu)計。同時，鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)材(cai)料低溫性(xing)(xing)能(neng)(neng)好(hao)，在海(hai)洋低溫環(huan)境中(zhong)都(dou)能(neng)(neng)夠(gou)保持良好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)物理性(xing)(xing)能(neng)(neng)，使用溫度(du)(du)在 300 ～ 600℃之間。在 -296℃的(de)(de)(de)(de)(de)(de)低溫下(xia)其強(qiang)(qiang)度(du)(du)也(ye)遠遠高于其他(ta)合(he)(he)(he)(he)金(jin)。鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)種性(xing)(xing)能(neng)(neng)更(geng)符合(he)(he)(he)(he)船舶設計與(yu)(yu)建(jian)造要求，所以(yi)(yi)一直被(bei)作(zuo)為(wei)大型潛(qian)艇、深海(hai)潛(qian)水器等設備殼體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要材(cai)料，俄羅(luo)斯(si)作(zuo)為(wei)世(shi)界上第一個使用鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)耐壓殼體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)國家，其鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)生產工(gong)藝長期處于世(shi)界領先位置。具體(ti)而言，根(gen)據鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)在船體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使用位置，可以(yi)(yi)分為(wei)殼體(ti)用鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)、動力工(gong)程用鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)和船機(ji)用鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)。根(gen)據其特性(xing)(xing)可以(yi)(yi)分為(wei)可焊結構(gou)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)、高強(qiang)(qiang)度(du)(du)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)、耐熱(re)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)等。表 1是(shi)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)與(yu)(yu)其他(ta)幾種金(jin)屬(shu)材(cai)料性(xing)(xing)能(neng)(neng)、成本的(de)(de)(de)(de)(de)(de)對(dui)比(bi)。

從(cong)表(biao) 1 可以看出，無論(lun)是(shi)強度(du)還是(shi)延伸率，高強鈦合(he)(he)金都遠(yuan)遠(yuan)高于另外(wai)兩種合(he)(he)金。但(dan)是(shi)鈦合(he)(he)金缺點(dian)是(shi)制(zhi)造(zao)成本高，而且工藝復(fu)雜，切削加工困(kun)難。尤(you)其是(shi)在熱加工過程中很(hen)容易混入各種雜質，導致(zhi)焊接(jie)質量受到嚴重的影(ying)響。

3、船舶建造中對耐壓殼體的質量要求

船舶建造中對于金屬材料的要求較高，不但要具有抵御風浪的良好強度；而且也具有良好的耐腐蝕性，以降低海水、海洋大氣對船體的破壞。所以，長期以來船舶建造材料一直是船舶領域研究的重點。從實際使用情況看，目前國外船舶中對于鈦合金使用較為廣泛，我國船舶建造中由于鈦合金成本、焊接工藝等因素的影響，還存在很多的應用障礙，在一定程度上影響了鈦合金材料在船舶建造中(zhong)的應用。

船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)(bo)建造中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)耐(nai)壓(ya)(ya)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)大(da)多(duo)應用(yong)于船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)(ti)結(jie)(jie)構中(zhong)(zhong)，但是由于海(hai)洋環境下具有較強腐蝕(shi)性(xing)，而且需要(yao)(yao)承受海(hai)水(shui)的(de)(de)(de)巨大(da)壓(ya)(ya)力與腐蝕(shi)性(xing)環境，所以(yi)對船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)(bo)結(jie)(jie)構性(xing)能(neng)有更高的(de)(de)(de)要(yao)(yao)求，保(bao)證耐(nai)壓(ya)(ya)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)在使(shi)用(yong)中(zhong)(zhong)不會(hui)因(yin)海(hai)水(shui)壓(ya)(ya)力和腐蝕(shi)而損壞(huai)。因(yin)此(ci)，近年(nian)來對船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)(bo)建造中(zhong)(zhong)耐(nai)壓(ya)(ya)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)要(yao)(yao)求越來越高。一般常見的(de)(de)(de)船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)(bo)耐(nai)壓(ya)(ya)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)主要(yao)(yao)結(jie)(jie)構形式包括球形、圓柱形、圓錐形等多(duo)種，但是海(hai)洋航行(xing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)惡劣環境對耐(nai)壓(ya)(ya)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)材料提出更高的(de)(de)(de)要(yao)(yao)求，需要(yao)(yao)對其物理性(xing)能(neng)進行(xing)嚴格(ge)的(de)(de)(de)測(ce)試，以(yi)確保(bao)船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)(bo)航行(xing)安全。在鈦合金(jin)(jin)使(shi)用(yong)中(zhong)(zhong)，我(wo)們也自主研發了一些船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)舶(bo)(bo)使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)鈦合金(jin)(jin)，如 Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、TA5等，應用(yong)于船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)體(ti)(ti)、動(dong)力裝置、民用(yong)船(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)只耐(nai)壓(ya)(ya)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)等[2] 。但是與俄羅斯、美國(guo)相比，我(wo)國(guo)鈦合

金在船舶中的應用不(bu)太成熟，還具(ju)有很(hen)大(da)的應用推廣空間。

4、鈦合金材料耐壓殼體在船舶建造中的應用

有鑒于鈦(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)良好的性能，近年來在船舶制造中得到一(yi)定(ding)應用(yong)。從實際情況看，在民用(yong)船只、深海潛水器、軍(jun)用(yong)船只，鈦(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)應用(yong)較(jiao)為(wei)廣泛。本節主要根據應用(yong)情況，對鈦(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)在船舶制造中的應用(yong)與發展(zhan)進行(xing)簡要探討(tao)。

4.1 鈦合金材料(liao)在民用船只中(zhong)的(de)應(ying)用

民用(yong)船(chuan)舶(bo)由(you)于長(chang)期浸泡在海(hai)(hai)水(shui)中，受(shou)到海(hai)(hai)洋(yang)侵蝕和海(hai)(hai)洋(yang)大氣環境的影(ying)響，船(chuan)體結構很容易受(shou)到腐蝕，尤其是螺旋槳等接觸海(hai)(hai)水(shui)的部件。所以(yi)在建(jian)造中往往對(dui)(dui)材料(liao)有(you)(you)著(zhu)更高的要(yao)求，包括(kuo)要(yao)具(ju)有(you)(you)很強(qiang)的耐腐蝕性(xing)(xing)、強(qiang)度(du)高、維(wei)修少等，進而滿(man)足船(chuan)舶(bo)使(shi)用(yong)中耐蝕性(xing)(xing)、耐久性(xing)(xing)、牢固性(xing)(xing)、可(ke)靠性(xing)(xing)及穩定性(xing)(xing)等多方面(mian)要(yao)求。在航運中具(ju)有(you)(you)較(jiao)強(qiang)的承重力(li)，受(shou)到海(hai)(hai)水(shui)沖擊(ji)時(shi)(shi)，能(neng)夠(gou)盡量減少其對(dui)(dui)船(chuan)體的破壞。同時(shi)(shi)還能(neng)夠(gou)降低(di)船(chuan)體重量，提升航行距(ju)離。這些嚴苛的條件，都為鈦合金(jin)材料(liao)在船(chuan)舶(bo)建(jian)造中的應用(yong)奠定了(le)良好(hao)的基(ji)礎。例(li)如如果用(yong)銅或者不(bu)銹鋼來(lai)制作船(chuan)舶(bo)的泵、閥和管系(xi)，一般(ban)只有(you)(you) 2—5年的壽命。如果用(yong)鈦合金(jin)來(lai)制作，其使(shi)用(yong)壽命會遠(yuan)超(chao)銅和不(bu)銹鋼[3] 。

4.2 鈦(tai)合金材料耐壓殼體在深(shen)海(hai)潛水器中(zhong)的(de)應用

深海(hai)潛水器是探(tan)索深海(hai)救(jiu)援(yuan)，進行深海(hai)科學研究的重要基礎，在技(ji)術獲得(de)突(tu)破后又(you)可以被應用到軍事領域。

所(suo)以(yi)，近(jin)(jin)年來世(shi)界各國(guo)(guo)(guo)都十(shi)分(fen)重視深(shen)海潛(qian)水器(qi)的(de)(de)制(zhi)造，在(zai)我(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)第(di)一個深(shen)海潛(qian)水器(qi)制(zhi)造中(zhong)，由于鈦合金(jin)(jin)焊(han)接工藝極高，所(suo)以(yi)一直采用俄羅斯(si)制(zhi)造的(de)(de)鈦合金(jin)(jin)耐(nai)壓殼(ke)。美國(guo)(guo)(guo)則重點研(yan)制(zhi)了 Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 等船(chuan)用鈦合金(jin)(jin)，有效(xiao)提(ti)升(sheng)船(chuan)舶運動過程中(zhong)的(de)(de)穩定性(xing)，減輕(qing)船(chuan)體質量[4] 。例(li)如我(wo)(wo)國(guo)(guo)(guo)上海鋼研(yan)所(suo)研(yan)制(zhi)的(de)(de) Ti-Nb-Zr-Mo鈦合金(jin)(jin)性(xing)能接近(jin)(jin) α 高強度鈦，其強度、韌性(xing)、可焊(han)接性(xing)、耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)的(de)(de)綜合性(xing)能都得到很大的(de)(de)提(ti)升(sheng)，成為深(shen)海潛(qian)水器(qi)耐(nai)壓殼(ke)體的(de)(de)最佳(jia)材料。

4.3 鈦合金材料(liao)在(zai)軍(jun)用船(chuan)只中的應用

鈦(tai)(tai)合金(jin)材料(liao)在(zai)軍用(yong)(yong)(yong)船只中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)也十(shi)分廣泛(fan)，作為世(shi)界上最早研(yan)究、應(ying)用(yong)(yong)(yong)鈦(tai)(tai)合金(jin)的(de)國(guo)(guo)家(jia)，俄羅斯(si)目前(qian)已經(jing)構建出(chu)齊全的(de)鈦(tai)(tai)合金(jin)體(ti)(ti)系(xi)，并將(jiang)高強度(du)的(de)鈦(tai)(tai)合金(jin)應(ying)用(yong)(yong)(yong)至(zhi)船體(ti)(ti)、船機和動力裝(zhuang)置(zhi)等方面。例如列寧號破(po)冰船制成的(de)鈦(tai)(tai)合金(jin)蒸汽發生器，順(shun)利使用(yong)(yong)(yong)了幾(ji)十(shi)年(nian)未(wei)出(chu)現(xian)損(sun)壞(huai)[3] 。美國(guo)(guo)海軍 1950 年(nian)即開始(shi)重點發展鈦(tai)(tai)合金(jin)在(zai)軍用(yong)(yong)(yong)船只中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)，隨后(hou)將(jiang)鈦(tai)(tai)合金(jin)材料(liao)應(ying)用(yong)(yong)(yong)至(zhi)各(ge)種動力潛艇(ting)、水面艇(ting)，材料(liao)包(bao)括(kuo) Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-3Al-2.5V、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等。我國(guo)(guo)對于鈦(tai)(tai)合金(jin)材料(liao)在(zai)軍用(yong)(yong)(yong)船舶中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)研(yan)究開始(shi)于 1962 年(nian)，目前(qian)鈦(tai)(tai)合金(jin)已經(jing)應(ying)用(yong)(yong)(yong)至(zhi)船體(ti)(ti)結構、螺旋(xuan)槳(jiang)、電子(zi)電力系(xi)統以及各(ge)種特殊裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)，滿足艦艇(ting)、潛艇(ting)和深潛器對不同強度(du)級別的(de)要求[4] 。

5、結語

鈦合金被廣(guang)泛應(ying)用(yong)(yong)(yong)以來(lai)(lai)，我國經過幾(ji)十年(nian)的(de)(de)(de)技術研究與發展(zhan)已經形(xing)成較為完善的(de)(de)(de)產業鏈，并為船(chuan)舶(bo)建造行(xing)業帶來(lai)(lai)明(ming)顯的(de)(de)(de)社會效益與經濟價(jia)值[5] 。相(xiang)對(dui)于船(chuan)用(yong)(yong)(yong)鋼材(cai)，鈦合(he)金雖然是鋼材(cai)價(jia)格(ge)的(de)(de)(de)數倍，但是鈦合(he)金使用(yong)(yong)(yong)壽(shou)命更(geng)長、技術性能更(geng)具優勢(shi)，其邊際成本更(geng)低[6] 。所以在動輒(zhe)壽(shou)命數十年(nian)的(de)(de)(de)海洋船(chuan)只建造中(zhong)，積(ji)極使用(yong)(yong)(yong)鈦合(he)金不僅能夠延長使用(yong)(yong)(yong)壽(shou)命，而且維護費用(yong)(yong)(yong)低，值得在船(chuan)舶(bo)制造行(xing)業中(zhong)廣(guang)泛推廣(guang)。

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基金(jin)項目：甘肅(su)省(sheng)教育廳高校創新基金(jin)項目，基于水(shui)環境的大氣波導觀測方法(fa)研(yan)究（2020A-220 號）。

作(zuo)者簡介：鐘立才（1987- ），男，甘肅蘭州，本(ben)科，講師，研(yan)究(jiu)方(fang)向 : 高分子材料(liao)加工機械。