發(fā)布日期：2025-2-9 10:20:39
鈦合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐海洋環(huán)境腐蝕、抗沖擊、焊接性能好等一系列海洋裝備所需的材料特性，是一種理想的海洋工程結(jié)構(gòu)材料，被稱(chēng)為“海洋金屬”[1-2]。鈦合金在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，常用于制造深潛器的耐壓殼體、船體結(jié)構(gòu)、換熱器、冷凝器和管件等。如今，海洋能源的探索、海洋能轉(zhuǎn)換、海水淡化、海軍裝備的發(fā)展都離不開(kāi)鈦合金，其應(yīng)用市場(chǎng)持續(xù)拓寬，海洋工程已成為重要的鈦合金民用領(lǐng)域之一。海洋工程用鈦合金長(zhǎng)期處于海水及海洋大氣環(huán)境中，服役環(huán)境復(fù)雜且惡劣，如深海環(huán)境下極高的海水壓力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力疊加、持續(xù)的動(dòng)載和瞬間風(fēng)浪沖擊等，在應(yīng)力與腐蝕環(huán)境耦合條件下易發(fā)生腐蝕疲勞，因此在應(yīng)用時(shí)以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐腐蝕能力為主[3]。此外，海洋工程的結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，需要大量應(yīng)用焊接結(jié)構(gòu)件，要求焊接接頭應(yīng)具有足夠的焊接性能和斷裂韌性等。總之，海洋工程用鈦合金的研究應(yīng)根據(jù)實(shí)際服役環(huán)境展開(kāi)，以充分保障結(jié)構(gòu)的安全可靠性，延長(zhǎng)服役壽命。俄羅斯、美國(guó)和日本是最早將鈦合金應(yīng)用到船舶與海洋工程領(lǐng)域的國(guó)家，其中俄羅斯的鈦合金技術(shù)和工藝處于國(guó)際領(lǐng)先水平。美國(guó)于1950年開(kāi)始將鈦合金應(yīng)用于船舶與海洋工程領(lǐng)域，并于1963年成功用鈦合金制造了多種潛艇、民用船等。我國(guó)關(guān)于鈦合金的研究工作開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，最早是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)多年自主研發(fā)，鈦合金已被成功應(yīng)用于航空航天、海洋工程、醫(yī)療器械、車(chē)輛工業(yè)和石油化工等多個(gè)領(lǐng)域。其中鈦合金在船舶和海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)近七十年的研究工作，其設(shè)計(jì)和制造水平日新月異、逐年提高，船舶與海洋工程用鈦量不斷增加，鈦合金國(guó)產(chǎn)化程度也不斷提高[4]。鈦合金是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略金屬材料，其開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與推廣對(duì)提高海洋工程裝備的安全性和可靠性具有重要意義。本文介紹了鈦合金的熔煉工藝和材料特性，梳理了國(guó)內(nèi)外海洋工程用鈦合金體系，總結(jié)了近幾年鈦合金在海洋工程設(shè)施上的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了其未來(lái)的應(yīng)用前景。以期鈦合金能在惡劣的海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，努力踐行海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。
1、鈦合金熔煉工藝
鈦合金在高溫下的化學(xué)性能極其活潑，幾乎能與所有耐火材料和H2、N2、O2等氣體反應(yīng)，因此必須在真空或惰性氣體保護(hù)下置于通冷卻水的坩堝中進(jìn)行熔煉。目前，船舶與海洋工程用鈦合金熔煉常用工業(yè)方法包括真空自耗電弧熔煉、電子束冷床爐熔煉和真空感應(yīng)熔煉等[5-6]。
1.1真空自耗電弧熔煉
真空自耗電弧熔煉（VacuumArcRemelting,VAR）是現(xiàn)階段最成熟、最常用的鈦合金工業(yè)熔煉工藝。真空自耗電弧爐的熔煉原理如圖1[5]所示。利用VAR工藝，可在高真空度環(huán)境下高效去除H2、N2等氣體和易揮發(fā)性雜質(zhì)，使熔體潔凈度得到改善，從而在很大程度上減少組織偏析現(xiàn)象。VAR工藝的主要優(yōu)勢(shì)是熔煉速度快、設(shè)備操作簡(jiǎn)單，適用于大尺寸鈦合金鑄錠。局限性在于難以控制電弧分布和澆鑄溫度，若工藝參數(shù)選用不恰當(dāng)，易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題（尤其是高密度夾雜物）[7-9]。Zhao等[10]利用MeltFlowVAR軟件建立了一個(gè)耦合溫度、電磁、流體流動(dòng)和溶質(zhì)場(chǎng)的模型，研究了攪拌線圈參數(shù)對(duì)TC17合金鑄錠成分和晶粒結(jié)構(gòu)的影響。Woodside等[11]研究了Ti6Al4V工業(yè)VAR生產(chǎn)過(guò)程中的電弧分布情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)生產(chǎn)中使用攪拌線圈，在低于25Hz的頻率下進(jìn)行外部磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)存在顯著的弧位信息。
1.2電子束冷床爐熔煉
電子束冷床爐熔煉（ElectronBeamColdHearthMelting,EBCHM）是20世紀(jì)70-80年代發(fā)展起來(lái)的新型熔煉方法，是目前冶金領(lǐng)域發(fā)展的前沿技術(shù)。電子束冷床爐熔煉可在高度真空環(huán)境下，將高速電子束流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能來(lái)熔煉金屬材料，其熔煉原理如圖2[5]所示。電子束冷床爐熔煉具有溫度和速度可控、夾雜物去除能力強(qiáng)、制備的鈦合金質(zhì)量高且規(guī)格多樣、工藝流程短以及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[12]。雷云清等[13]利用TA1純鈦殘料+海綿鈦+中間合金，通過(guò)一次電子束冷床熔煉技術(shù)，制備出了組織均勻的TC4ELI鈦合金扁錠。杜彬等[14]利用新型電子束冷床熔煉爐制備了Ti55511鈦合金，發(fā)現(xiàn)鋁元素和鉻元素的揮發(fā)行為較為明顯。
1.3真空感應(yīng)磁懸浮熔煉
真空感應(yīng)磁懸浮熔煉是一種新型的先進(jìn)金屬熔煉工藝，其在真空或者惰性氣體環(huán)境下通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)金屬熔化和攪拌，并利用線圈產(chǎn)生的懸浮力將熔化金屬懸浮起來(lái)。與傳統(tǒng)熔煉工藝相比，真空感應(yīng)磁懸浮熔煉避免了熔體直接與坩堝接觸，減少了雜質(zhì)污染，同時(shí)電磁攪拌作用可以充分混勻熔化金屬，有效減少成分偏析現(xiàn)象[15-16]。何永亮等[17]通過(guò)分析和優(yōu)化真空感應(yīng)磁懸浮熔煉裝備控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)工藝參數(shù)，提高了熔煉金屬的質(zhì)量穩(wěn)定性和組織均勻性。王振玲等[18]利用真空感應(yīng)磁懸浮熔煉爐制備了10kg級(jí)（TiC+TiB）增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，并研究了鈦基復(fù)合材料的微觀組織與高溫力學(xué)性能。
2、海洋工程用鈦合金的性能特點(diǎn)
2.1基本性能
純鈦呈銀白色，加入Al、C、O和N元素可形成密排六方結(jié)構(gòu)的α相鈦合金；加入Mo、Nb、V、Cr、Mn、Cu、Fe、Si元素可形成體心立方結(jié)構(gòu)的β相鈦合金。根據(jù)室溫下的平衡態(tài)組織，鈦合金可分為α鈦合金、α+β鈦合金和β鈦合金三類(lèi)，國(guó)標(biāo)中分別以TA、TC和TB表示。鈦合金具有優(yōu)良的物理和力學(xué)性能，如：密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、抗沖擊、無(wú)磁性等。幾種常見(jiàn)海洋工程用合金的基本性能如表1[19]所示。鈦合金的密度為4.5g.cm-3，是高強(qiáng)鋼的57%，比強(qiáng)度卻遠(yuǎn)高于高強(qiáng)鋼、鋁合金和鎂合金。高比強(qiáng)度對(duì)于實(shí)現(xiàn)海洋工程設(shè)施結(jié)構(gòu)的輕量化具有重要意義，這使得鈦合金在制造深潛器殼體方面有非常大的應(yīng)用價(jià)值。
2.2耐腐蝕性能
海水是富含氯離子的天然強(qiáng)電解質(zhì)，氯離子可滲透并加速破壞合金表面的氧化膜，使合金失去保護(hù)而被腐蝕。海洋工程結(jié)構(gòu)常年處于高溫、高濕和富氯離子環(huán)境中，必須應(yīng)用強(qiáng)耐腐蝕性材料。目前海洋工程常用金屬材料中，鈦合金的耐海水腐蝕性能最為優(yōu)良，即使在被污染的海水、熱海水（低于120℃）、波浪沖擊、海泥和附著海生物的環(huán)境中仍表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能[20-21]。寶鈦集團(tuán)馮秋遠(yuǎn)等[22]選擇工業(yè)純鈦、黃銅和CuNi合金為試驗(yàn)材料，在一定流速的海水中進(jìn)行了60天耐腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果（表2）表明：相比于黃銅和Cu-Ni合金，鈦及鈦合金具有更加優(yōu)異的耐腐蝕性能，其在海水中的腐蝕速率接近于零。鈦合金的耐腐蝕機(jī)理和鋁合金相似，其表面可形成一層致密的氧化膜，保護(hù)鈦合金基體免受海水侵蝕以及油氣環(huán)境下碳?xì)浠衔铩⒃偷任镔|(zhì)的腐蝕。鈦合金的氧化膜具有更強(qiáng)的自鈍能力，遭受破壞后可以快速修復(fù)，因此鈦合金的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于其他種類(lèi)的海洋工程用合金。據(jù)調(diào)研，在我國(guó)南海、北海、東海等海域，在海水全浸區(qū)、潮差區(qū)、飛濺區(qū)和海洋大氣環(huán)境下，鈦合金的腐蝕速率都近似為零。鈦合金在海水中的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)50年以上。考慮合金結(jié)構(gòu)的使用成本及后期維護(hù)，對(duì)于設(shè)計(jì)壽命大于20年的海洋工程設(shè)施，以鈦合金作為結(jié)構(gòu)件可減少后期服役過(guò)程中的維護(hù)和修復(fù)費(fèi)用。但對(duì)于設(shè)計(jì)壽命僅為3~5年的海洋工程設(shè)施，使用成本較低的碳鋼材料更為合適[23]。
2.3室溫蠕變性能
為適應(yīng)深潛器長(zhǎng)期下潛-巡航-上浮過(guò)程中復(fù)雜的交變應(yīng)力，鈦合金應(yīng)用于海洋工程中時(shí)還需要考慮其蠕變效應(yīng)[24]。相比于其他金屬材料，部分鈦合金存在明顯的室溫蠕變行為。因此，室溫蠕變性能也是評(píng)價(jià)鈦合金結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)之一。室溫蠕變是指室溫下加載出現(xiàn)的塑性應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加的現(xiàn)象。鈦合金的室溫蠕變行為不僅會(huì)降低構(gòu)件的尺寸精度，還會(huì)影響構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度等性能指標(biāo)，從而降低使用的安全性和有效性。易發(fā)生蠕變的鈦合金主要為α鈦合金和α+β鈦合金，如TC4（Ti-6Al-4V）和TA7（Ti-5Al-2.5Sn）等，而β鈦合金的室溫蠕變現(xiàn)象不明顯，可忽略不計(jì)[25]。與高強(qiáng)鋼的高溫蠕變相比，鈦合金的室溫蠕變行為需要更長(zhǎng)的時(shí)間。Ankem等[26-28]認(rèn)為微觀組織和晶粒尺寸是影響鈦合金室溫蠕變性能的因素，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：鈦合金晶粒尺寸相同時(shí)，等軸組織的室溫蠕變情況要明顯優(yōu)于魏氏組織，而且晶粒越細(xì)，晶界越多，室溫蠕變行為越不容易發(fā)生。Peng等[29]通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)地研究了CPTi的低溫和中溫蠕變，發(fā)現(xiàn)達(dá)到閾值應(yīng)力以及在一定溫度下才會(huì)出現(xiàn)明顯的蠕變，并且只觀察到初始蠕變階段。Wang等[30]通過(guò)一系列耐壓殼體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，揭示了耐壓殼體模型蠕變行為的變化規(guī)律和分布特征，并提出了蠕變本構(gòu)方程。
2.4可焊性
焊接是船舶與海洋工程中最傳統(tǒng)、最重要的制造工藝之一，約占總制造工程量的30%~40%。焊接質(zhì)量是評(píng)價(jià)海洋工程結(jié)構(gòu)安全和可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，鈦合金的可焊性是海洋工程制造業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的性能之一。可焊性一般是指在某項(xiàng)焊接工藝下獲得性能優(yōu)良的焊接接頭的能力，其評(píng)價(jià)指標(biāo)包括焊接的難易程度和焊接接頭的性能等。雖然鈦合金的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)良好，但其焊接工藝復(fù)雜、難度高，焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接缺陷，焊接效率低下，這在一定程度上限制了鈦合金的廣泛應(yīng)用。鈦合金的焊接方法主要包括鎢極氬弧焊（TIG焊）、等離子弧焊、熔化極氬弧焊（MIG焊）、激光焊以及真空電子束焊等。船舶與海洋工程中常用的鈦合金為α型和近α型。此類(lèi)鈦合金的可焊性良好，可采用TIG焊、電子束焊等多種焊接方法進(jìn)行焊接，且焊縫區(qū)域塑性較好。而α+β型、近β型鈦合金在焊接過(guò)程中易析出有害的第二相，需要采用真空電子束焊等能量密度大的焊接工藝[31]，其中應(yīng)用最廣泛的α+β型鈦合金TC4可通過(guò)焊后熱處理改善焊縫區(qū)塑性。常規(guī)焊接方法對(duì)于大型鈦合金板材來(lái)說(shuō)容易出現(xiàn)渣塊、氣孔或未熔透等缺陷，深潛裝備常采用真空電子束焊，但焊接成本較高。
3、海洋工程用鈦合金體系
鈦合金的制造工藝與應(yīng)用是開(kāi)拓深海資源的研究熱點(diǎn)，受到世界各國(guó)的關(guān)注。俄羅斯和美國(guó)的海洋工程用鈦合金體系建立最早且最為完善。俄羅斯的海洋工程用鈦合金體系以強(qiáng)度為劃分依據(jù)，主要包括490MPa、585MPa、686MPa、785MPa系列鈦合金。美國(guó)在其成熟的航空用鈦合金體系基礎(chǔ)上，針對(duì)海洋特殊服役環(huán)境，成功建立并完善了海洋工程用鈦合金的應(yīng)用及考核體系，“阿爾文”號(hào)深潛器的耐壓殼體就采用了美國(guó)自主研制的鈦合金[3]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和應(yīng)用，我國(guó)逐漸形成了自己的船舶與海洋工程用鈦合金體系，包含了不同強(qiáng)度級(jí)別的國(guó)產(chǎn)鈦合金。根據(jù)鈦合金屈服強(qiáng)度的大小通常劃分為低強(qiáng)鈦合金（<490MPa）、中強(qiáng)鈦合金（490~790MPa）和高強(qiáng)鈦合金（>790MPa）[32]。
上述強(qiáng)度等級(jí)的鈦合金基本可滿足現(xiàn)階段海洋工程用結(jié)構(gòu)材料的指標(biāo)要求。中國(guó)船級(jí)社制定的《材料與焊接規(guī)范》中規(guī)定了船舶與海洋工程用鈦合金板材、棒材、管材的性能要求，如表3所示。下面針對(duì)我國(guó)的鈦合金體系進(jìn)行具體介紹。
3.1低強(qiáng)鈦合金
低強(qiáng)鈦合金主要牌號(hào)有TA9和TA10等，適用于不需要較高強(qiáng)度但要求耐腐蝕性能的設(shè)備，如板/管式換熱器、冷凝器、管路和閥門(mén)等。TA10鈦合金是一種典型的近α型低強(qiáng)鈦合金，耐腐蝕性能優(yōu)異，常為了控制成本而代替Ti-0.2Pd合金來(lái)制造海洋工程裝備。就彎曲性能和冷加工性能來(lái)看，TA10鈦合金與Ti-65A合金相差不大，但TA10鈦合金的耐腐蝕性能更好。現(xiàn)階段，TA10鈦合金主要以板材的形式應(yīng)用在海水淡化裝置或換熱器的制造中[33]。
3.2中強(qiáng)鈦合金
中強(qiáng)鈦合金主要牌號(hào)有Ti80、Ti7、TA18等，適用于要求加工塑性好，特別是截面大而厚的構(gòu)件，如潛艇殼體、導(dǎo)流罩、四通海水球閥等。Ti80鈦合金是20世紀(jì)80年代由上海鋼鐵研究所在Ti6211合金基礎(chǔ)上研制出的一種近α型中強(qiáng)鈦合金，具有高強(qiáng)、高韌、耐腐蝕、可焊性好等優(yōu)異的綜合性能，且焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能良好，主要用作潛艇的耐壓殼體和壓力容器等[34]。目前，我國(guó)關(guān)于Ti80鈦合金的研究和應(yīng)用較為充分，其在船舶與海洋工程上的應(yīng)用最為廣泛。
3.3高強(qiáng)鈦合金
高強(qiáng)鈦合金主要牌號(hào)有TC4、TC4ELI等。高強(qiáng)鈦合金的強(qiáng)度能達(dá)到普通高強(qiáng)度鋼的水平，但塑性和韌性較差，焊接難度大，且不適合冷加工成型，通常用于制造需要高強(qiáng)度的耐壓結(jié)構(gòu)件，如深潛器的耐壓殼體、耐熱耐蝕部件和特種機(jī)械等。TC4鈦合金是一種α+β型鈦合金，TC4ELI則是在TC4基礎(chǔ)上調(diào)整元素含量，研制出的一種損傷容限型鈦合金[35]。TC4和TC4ELI是國(guó)內(nèi)外載人深潛器殼體的常用鈦合金牌號(hào)。我國(guó)“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)載人深潛器耐壓殼體的建造均采用了超低間隙的TC4ELI合金[36]。
4、鈦合金在海洋工程中的應(yīng)用
4.1深潛器
深潛器作為海洋探索開(kāi)發(fā)的重要手段，其發(fā)展經(jīng)歷了多次技術(shù)革新。從“海斗”、“潛龍”、“海燕”等無(wú)人深潛器，到“蛟龍”號(hào)、“深海勇士”號(hào)、“奮斗者”號(hào)等載人深潛器，我國(guó)的深海探索裝備技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。在深潛器研制過(guò)程中，鈦合金的制備、成型、熱處理及焊接等過(guò)程均需要多項(xiàng)真空技術(shù)支持，其突破與真空技術(shù)的發(fā)展密不可分。國(guó)內(nèi)深潛器用鈦合金板材的牌號(hào)、成型工藝及力學(xué)性能如表4[4]所示。“蛟龍”號(hào)耐壓殼體采用了俄羅斯生產(chǎn)的TC4ELI鈦合金，成型工藝為球瓣加工后手工焊接方式。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的深潛器耐壓殼體結(jié)構(gòu)鈦合金的研制工作，我國(guó)“深海勇士”號(hào)采用了由寶鈦集團(tuán)和725所制造的鈦合金艙體，成型工藝為半球沖壓后電子束焊接。2014年，中國(guó)科學(xué)院金屬所自主研制出高強(qiáng)高韌的Ti62A新型鈦合金，成功應(yīng)用于國(guó)之重器“奮斗者”號(hào)載人深潛器（如圖3[37]所示），其成型工藝亦為半球沖壓后電子束焊接，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)鈦合金制備和焊接技術(shù)的重大突破[38]。
鈦合金的高比強(qiáng)度有助于實(shí)現(xiàn)深潛器結(jié)構(gòu)的輕量化，從而提高深潛器的航速、浮力和機(jī)動(dòng)性。但鈦合金在選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮部分鈦合金的室溫蠕變現(xiàn)象。此外，深潛器用鈦合金的屈服強(qiáng)度通常在800MPa以上，強(qiáng)度的提高不可避免會(huì)導(dǎo)致其焊接性、韌性、塑性等隨之降低，必須選擇適當(dāng)?shù)某尚头椒ê秃附庸に嚥拍芡瓿赦伜辖鸬募庸ぁ?ldquo;奮斗者”號(hào)采用的真空電子束焊接工藝是一種高能束焊接技術(shù)，焊接時(shí)真空箱內(nèi)的真空度可達(dá)10-4Pa，有效降低了焊接接頭被雜質(zhì)氣體污染的可能性，而且電子束能量密度高，制得的焊縫具有較大深寬比，熱影響區(qū)小。目前，日本超高壓真空電子束焊接設(shè)備的加速電壓可達(dá)150kV，功率可達(dá)15kW，極大地提高了焊接質(zhì)量。
4.2海洋油氣
隨著油氣資源勘探作業(yè)逐漸向深水領(lǐng)域發(fā)展，鈦合金憑借其密度低、比強(qiáng)度高和耐腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在海洋油氣行業(yè)表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。鈦合金在海洋油氣環(huán)境下的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)：
（1）減輕管柱自重，降低管柱應(yīng)力。鎳基合金是常用的鉆井零部件材料，其密度為8~9g·cm-3，鈦合金密度僅為鎳基合金的一半，可以取代傳統(tǒng)的鎳基合金材料，制造出輕質(zhì)、比強(qiáng)度高和剛度大的油管。
（2）耐腐蝕性?xún)?yōu)異，服役周期較長(zhǎng)。鈦合金的耐腐蝕性主要源于致密的氧化膜和強(qiáng)大的自修復(fù)能力，即使在幾百攝氏度的高溫和酸性（含H2S、Cl-、CO2等）環(huán)境下，仍保持較低的腐蝕速率。
（3）γ射線吸收率小，提高勘探精確度。鈦合金無(wú)磁性，僅吸收極少量探測(cè)地層的γ射線，這有效保證了探測(cè)靈敏度，使獲得的數(shù)據(jù)精確度更高[21]。目前，鈦合金已在國(guó)內(nèi)外的海洋油氣鉆采工業(yè)中獲得了大量應(yīng)用，如換熱器、鉆桿、隔水管、油管和連續(xù)管等。其中，鈦熱交換器應(yīng)用最為廣泛。自20世紀(jì)70年代初，美國(guó)就開(kāi)始將鈦熱交換器應(yīng)用于海洋油氣開(kāi)采工程，并在北海油田鉆井平臺(tái)上使用了約100個(gè)鈦熱交換器[39]。TC4合金是制造鉆桿、油管最常用的鈦合金材料，具有較高的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。但長(zhǎng)時(shí)間的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，鈦合金在鉆井磨損條件下耐沖蝕能力較差。這一問(wèn)題可以通過(guò)添加合金元素、表面處理和使用緩蝕劑來(lái)改善。不可忽視的是，我國(guó)鈦合金鉆井裝備制造的關(guān)鍵技術(shù)還有待突破，仍需開(kāi)展安全性、可靠性更好的鈦合金鉆井產(chǎn)品研制工作。
4.3海水淡化
在全球淡水資源匱乏的背景下，海水淡化可能是解決水資源短缺的有效策略之一。海水淡化裝置的系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)采用耐海水腐蝕、強(qiáng)度高、疲勞性能好的材料進(jìn)行制造。早期的海水管路系統(tǒng)大多由碳鋼、不銹鋼、銅合金等材料制造完成，但其耐海水腐蝕性能遠(yuǎn)低于鈦合金，逐漸被鈦合金所取代。鈦合金制造的冷凝器、蒸餾器、管件、閥門(mén)和泵等產(chǎn)品的抗海水腐蝕性強(qiáng)，服役壽命至少是碳鋼的10倍，且使用過(guò)程中幾乎不需要維護(hù)。美國(guó)圣克洛伊島建立的海水淡化廠率先使用了鈦管件，不僅延長(zhǎng)了管件使用壽命，還有效提高了換熱系數(shù)。隨后，日本也開(kāi)始進(jìn)行鈦合金在海水淡化裝置中的應(yīng)用研發(fā)。目前，我國(guó)山東、天津、河北等地已有多臺(tái)使用了鈦冷凝器和鈦管件的海水淡化裝置投入使用，未來(lái)會(huì)有更大的應(yīng)用市場(chǎng)[40]。
4.4海洋能轉(zhuǎn)換
溫差能、潮汐能、海流能以及鹽差能等海洋能都是海洋賦予人類(lèi)的寶藏。開(kāi)發(fā)海洋、利用海洋已成為人們未來(lái)的發(fā)展方向。目前，我國(guó)已進(jìn)行了多個(gè)溫差能和潮汐能發(fā)電項(xiàng)目。溫差能發(fā)電的原理是首先利用海洋表面溫度較高的海水將氨或者氟利昂汽化來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，再用海洋深層的低溫海水將汽化的氨或者氟利昂冷卻，構(gòu)成一個(gè)不斷循環(huán)的熱機(jī)系統(tǒng)。溫差能發(fā)電設(shè)備不僅要耐海水腐蝕，還需要耐氨和氟的腐蝕，鈦合金就是最合適的材料[39]。鈦冷凝器可以就地用海水冷卻，且不需要經(jīng)常停電維修。美國(guó)、日本等已經(jīng)成功地將鈦管式蒸發(fā)器和凝縮器應(yīng)用到溫差能發(fā)電設(shè)備中，并且使用效果良好。我國(guó)大亞灣核電站、鎮(zhèn)海發(fā)電廠等多座海濱電站也都使用了全鈦凝汽器。
5、結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)，我國(guó)海洋工程用鈦工業(yè)不斷跨步邁進(jìn)，隨著“奮斗者”號(hào)成功下潛萬(wàn)米深海，實(shí)現(xiàn)了重大的技術(shù)突破。鈦合金材料性能優(yōu)異，對(duì)多種海洋工程設(shè)施有較為廣泛的適用性，未來(lái)在海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)中會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。與俄羅斯、美國(guó)和日本相比，國(guó)內(nèi)鈦合金體系仍有待完善，主要表現(xiàn)為關(guān)于海洋工程用鈦合金的基礎(chǔ)研究薄弱，海洋工程用鈦合金種類(lèi)少且缺乏相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)，我國(guó)應(yīng)建立健全海洋工程用鈦合金應(yīng)用及評(píng)價(jià)體系，夯實(shí)鈦合金基礎(chǔ)研究，重視關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破，繼續(xù)擴(kuò)大鈦合金種類(lèi)和應(yīng)用范圍，推動(dòng)我國(guó)海洋事業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 常輝, 董月成, 淡振華, 等 . 我國(guó)海洋工程用鈦合金現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展,2020, 39( 增 刊 1): 585-590.
[2] AMIGÓ-BORRÁS V, LARIO-FEMENÍA J, AMIGÓ-MATA A, et al. Titanium, titanium alloys and composites[J]. Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys, 2022，1: 179-199.
[3] 董月成, 方志剛, 常輝, 等 . 海洋環(huán)境下鈦合金主要[35] 李永華,張文旭,陳小龍,等 . 海洋工程用鈦合金研究 與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2022,39(1):43-48.
服役性能研究[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展, 2020, 39(3): 185-190. [4] 海敏娜, 黃帆, 王永梅 . 淺析鈦及鈦合金在海洋裝備 上的應(yīng)用[J]. 金屬世界, 2021(5): 16-21.
[5] 王梓驕, 賈雷, 苗慶東, 等 . 艦船用鈦合金制備技術(shù) 的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)冶金, 2024, 34(6): 14-25.
[6] 李偉東, 史許娜, 李晨陽(yáng), 等 . 鈦及鈦合金鑄錠制備 工藝發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2024, 41(5):42-48.
[7] KARIMI-SIBAKI E, KHARICHA A, WU M. A parametric study of the vacuum arc remelting (VAR)process: effects of are radius, side-arcing, and gas cooling[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2020, 51(1): 222-235.
[8] WANG Y D, ZHANG L F, ZHANG J, et al. Simulation of solidification structure during vacuum arc remelting using cellular automaton − finite element method[J]. Steel Research International, 2022, 93(1): 2100408.
[9] CUI J J, LI B K, LIU Z Q, et al. Numerical investigation of grain structure under the rotating arc based on cellular automata-finite element method during vacuum arc remelting process[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2023，54:661-672.
[10] ZHAO X H, WANG J C, WANG K X, et al. Numerical simulation and experimental validation on the effect of stirring coils' parameters on TC17 ingot during vacuum arc remelting process[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2023, 52(8): 2676-2682.
[11] WOODSIDE C R, KING P E, NORDLUND C. Arc distribution during the vacuum arc remelting of Ti-6Al4V[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2013, 44: 154-165.
[12] 馬強(qiáng), 孫足來(lái),張哲魁, 等 . 大功率真空電子束冷床 熔煉爐拉錠機(jī)構(gòu)振動(dòng)仿真分析[J]. 真空, 2021, 58(5): 104-109.
[13] 雷云清, 馬小艷, 張煒華, 等 . TC4ELI 鈦合金的電子 束冷床熔煉技術(shù)[J]. 金屬功能材料, 2023,30(6): 108- 113.
[14] 杜彬, 王龍, 曹壽林, 等 . Ti55511 鈦合金的電子束冷 床熔煉技術(shù)研究[J]. 金屬功能材料, 2022,29(4): 28-36.
[15] CUI Y P, CHEN Z Y, MA X A, et al. Microstructures and mechanical properties of a new type of high temperature titanium alloy[J]. Materials Science Forum, 2020, 993: 208−216.
[16] FENG Q S, LIC H. Low-cost preparation technologies for titanium alloys: a review[M]. Rijeka: Intech Open, 2022.
[17] 何永亮, 李萬(wàn)青, 嚴(yán)建強(qiáng), 等 . 真空感應(yīng)懸浮熔煉工 藝的自動(dòng)控制研究[J]. 鑄造, 2021, 70(5):598-602.
[18] 王 振 玲 , 于 玉 城 , 李 睿 智 , 等 . 真 空 感 應(yīng) 懸 浮 熔 煉 （TiC+TiB）增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料組織及高溫拉伸性能 研究[J]. 鋼鐵釩鈦, 2021, 42(5): 54-61.
[19] 付毓偉, 趙立平, 趙亞兵, 等 . 鈦合金在油氣勘探開(kāi) 發(fā) 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 前 景 [J]. 石 油 鉆 采工 藝 , 2017, 39(5): 662-666.
[20] 鄒武裝 .“海洋金屬”鈦的特性及應(yīng)用[J]. 世界有色 金屬, 2014(8): 28-30.
[21] 王平, 楊紹蘭, 楊葒培, 等 . 鈦合金在油氣行業(yè)的應(yīng) 用及研究進(jìn)展[J]. 世界石油工業(yè), 2023, 30(6): 69-78.
[22] 馮秋遠(yuǎn) . 寶鈦海洋裝備產(chǎn)品研制及應(yīng)用進(jìn)展[R]. 寶 雞: 中國(guó)寶鈦集團(tuán)有限公司, 2023.
[23] 祝建雯, 馮毅江, 李佐臣, 等 . 海洋裝備用鈦現(xiàn)狀與 展望[C]// 中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)海洋鋼結(jié)構(gòu)分會(huì)2010 年 學(xué) 術(shù) 會(huì) 議 暨 第 六 屆 理 事 會(huì) 第 三 次 會(huì) 議 論 文 集 . 洛 陽(yáng): 中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)海洋鋼結(jié)構(gòu)分會(huì), 2010: 22-26.
[24] 蔣鵬, 王啟, 張斌斌, 等 . 深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)用鈦合 金材料應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2019,21(6): 95- 101.
[25] 席國(guó)強(qiáng) . 海洋工程用鈦合金室溫蠕變及保載疲勞性 能研究[D]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2021.
[26] DORAISWAMY D, ANKEM S. The effect of grain size and stability on ambient temperature tensile and creep deformation in metastable beta titanium alloys[J]. Acta Materialia, 2003,51(6): 1607-1619.
[27] RAMESH A, ANKEM S. The effect of grain size on the ambient temperature creep deformation behavior of a beta Ti-14.8V alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2002, 33: 1137-1144.
[28] AIYANGAR A K, NEUBERGER B W, OBERSON P G, et al. The effects of stress level and grain size on the ambient temperature creep deformation behavior of an alpha Ti-1.6 wt pct V alloy [J]. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science,2005, 36: 637-644.
[29] PENG J, ZHOU C Y, DAI Q, et al. The temperature and stress dependent primary creep of CP-Ti at low and intermediate temperature[J]. Materials Science and Engineering A, 2014, 611: 123.
[30] WANG L, LI Y Q, SUN C Q, et al. Compressive creep behavior of spherical pressure hull scale model for fullocean-depth manned submersible[J]. Ocean Engineering, 2022, 266(2):112831.
[31] 程德彬 . 船用鈦合金與航空鈦合金的使用性能差異 [J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2012, 27(3): 60-63.
[32] 江洪, 陳亞楊 . 鈦合金在艦船上的研究及應(yīng)用進(jìn)展 [J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2018(12): 11-14.
[33] 陳軍, 趙永慶, 常輝 . 中國(guó)船用鈦合金的研究和發(fā)展 [J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2005,19(6):67-70.
[34] 楊晶,任曉龍,王濤,等 . 海洋工程用超大規(guī)格 Ti80 鈦 合金鍛坯制備研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2021,46(2):19-22.
[35] 李永華,張文旭,陳小龍,等 . 海洋工程用鈦合金研究 與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2022,39(1):43-48.
[36] 崔維成 .“蛟龍”號(hào)載人潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究與自主 創(chuàng)新[J]. 船舶與海洋工程, 2012(1):1-8.
[37] 中國(guó)日?qǐng)?bào)網(wǎng)“. 奮斗者”號(hào)潛水器載人艙球殼“鈦”厲 害 [EB/OL].(2020-11-30)[2024-05-10].https://baijiahao. baidu. com / s? id=1684782828625663740 & wfr=spider & for=pc.
[38] 王華,趙坦,陳妍 . 載人深潛器耐壓殼體用金屬材料 研發(fā)進(jìn)展[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2023,38(3):88-95.
[39] 范麗穎, 劉俊玲, 安紅 . 鈦在海洋工程上的應(yīng)用現(xiàn)狀 及前景展望[J]. 中國(guó)金屬通報(bào), 2006(增刊2): 25-28.
[40] 于宇, 李嘉琪 . 國(guó)內(nèi)外鈦合金在海洋工程中的應(yīng)用 現(xiàn)狀與展望[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2018, 33(3):111-116.