鈦合金具有質(zhì)輕?比強度高?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)展都離不開鈦合金，其應(yīng)用市場持續(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)的動載和瞬間風浪沖擊等，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)用時以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量?提高結(jié)構(gòu)強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)實際服役環(huán)境展開，以充分保障結(jié)構(gòu)的安全可靠性，延長服役壽命?

俄羅斯?美國和日本是最早將鈦合金應(yīng)用到船舶與海洋工程領(lǐng)域的國家，其中俄羅斯的鈦合金技術(shù)和工藝處于國際領(lǐng)先水平?美國于 1950 年開始將鈦合金應(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?我國關(guān)于鈦合金的研究工作開始于 20 世紀 50 年代，最早是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，經(jīng)過多年自主研發(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?車輛工業(yè)和石油化工等多個領(lǐng)域?其中鈦合金在船舶和海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用開始于 20 世紀 60 年代，經(jīng)過近七十年的研究工作，其設(shè)計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，鈦合金國產(chǎn)化程度也不斷提高 [4]?

鈦合金是建設(shè)海洋強國的重要戰(zhàn)略金屬材料，其開發(fā)?應(yīng)用與推廣對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，并展望了其未來的應(yīng)用前景?以期鈦合金能在惡劣的海洋環(huán)境下實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，努力踐行海洋強國戰(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 H 等氣體反應(yīng)，因此必須在真空或惰性氣體保護下置于通冷卻水的坩堝中進行熔煉?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 (Vacuum Arc Remelting, 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)勢是熔煉速度快?設(shè)備操作簡單，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，易出現(xiàn)質(zhì)量問題 (尤其是高密度夾雜物)[7-9]?Zhao 等 [10] 利用 MeltFlow VAR 軟件建立了一個耦合溫度?電磁?流體流動和溶質(zhì)場的模型，研究了攪拌線圈參數(shù)對 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)過程中的電弧分布情況，發(fā)現(xiàn)當生產(chǎn)中使用攪拌線圈，在低于 25Hz 的頻率下進行外部磁場測量時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 (Electron Beam Cold Hearth Melting, EBCHM) 是 20 世紀 70-80 年代發(fā)展起來的新型熔煉方法，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能轉(zhuǎn)換成熱能來熔煉金屬材料，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?制備的鈦合金質(zhì)量高且規(guī)格多樣?工藝流程短以及對環(huán)境無污染等優(yōu)點 [12]?雷云清等 [13] 利用 TA1 純鈦殘料 + 海綿鈦 + 中間合金，通過一次電子束冷床熔煉技術(shù)，制備出了組織均勻的 TC4 ELI 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金屬熔煉工藝，其在真空或者惰性氣體環(huán)境下通過電磁感應(yīng)實現(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?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 (TiC+TiB) 增強鈦基復(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

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，鈦合金可分為鈦合金?α+β 鈦合金和 B 鈦合金三類，國標中分別以 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?強度高?比強度大?抗沖擊?無磁性等?幾種常見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, 是高強鋼的 57%, 比強度卻遠高于高強鋼?鋁合金和鎂合金?高比強度對于實現(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)用價值?

表 1 幾種海洋工程用合金的基本性能 

Table 1 Fundamental characteristics of several alloys used in marine engineering

2.2 耐腐蝕性能

海水是富含氯離子的天然強電解質(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]?寶鈦集團馮秋遠等 [22] 選擇工業(yè)純鈦?黃銅和 CuNi 合金為試驗材料，在一定流速的海水中進行了 60 天耐腐蝕試驗，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?

表 2 工業(yè)純鈦?黃銅和 Cu-Ni 合金在高速流動海水中的耐腐蝕能力 

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

鈦合金的耐腐蝕機理和鋁合金相似，其表面可形成一層致密的氧化膜，保護鈦合金基體免受海水侵蝕以及油氣環(huán)境下碳氫化合物?原油等物質(zhì)的腐蝕?鈦合金的氧化膜具有更強的自鈍能力，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)于其他種類的海洋工程用合金?據(jù)調(diào)研，在我國南海?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達 50 年以上?考慮合金結(jié)構(gòu)的使用成本及后期維護，對于設(shè)計壽命大于 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程中的維護和修復(fù)費用?但對于設(shè)計壽命僅為 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)深潛器長期下潛 - 巡航 - 上浮過程中復(fù)雜的交變應(yīng)力，鈦合金應(yīng)用于海洋工程中時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價鈦合金結(jié)構(gòu)安全性的重要指標之一?室溫蠕變是指室溫下加載出現(xiàn)的塑性應(yīng)變隨時間延長而不斷增加的現(xiàn)象?鈦合金的室溫蠕變行為不僅會降低構(gòu)件的尺寸精度，還會影響構(gòu)件的疲勞強度等性能指標，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 [25]?

與高強鋼的高溫蠕變相比，鈦合金的室溫蠕變行為需要更長的時間?Ankem 等 [26-28] 認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，試驗研究發(fā)現(xiàn)：鈦合金晶粒尺寸相同時，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，晶界越多，室溫蠕變行為越不容易發(fā)生?Peng 等 [29] 通過蠕變試驗系統(tǒng)地研究了 CP-Ti 的低溫和中溫蠕變，發(fā)現(xiàn)達到閾值應(yīng)力以及在一定溫度下才會出現(xiàn)明顯的蠕變，并且只觀察到初始蠕變階段?Wang 等 [30] 通過一系列耐壓殼體壓縮蠕變試驗，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)量是評價海洋工程結(jié)構(gòu)安全和可靠性的關(guān)鍵指標?因此，鈦合金的可焊性是海洋工程制造業(yè)重點關(guān)注的性能之一?可焊性一般是指在某項焊接工藝下獲得性能優(yōu)良的焊接接頭的能力，其評價指標包括焊接的難易程度和焊接接頭的性能等?雖然鈦合金的各項力學(xué)性能指標良好，但其焊接工藝復(fù)雜?難度高，焊接過程中容易出現(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型和近型?此類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 可通過焊后熱處理改善焊縫區(qū)塑性?常規(guī)焊接方法對于大型鈦合金板材來說容易出現(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)用是開拓深海資源的研究熱點，受到世界各國的關(guān)注?俄羅斯和美國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度為劃分依據(jù)，主要包括 490MPa?585MPa?686MPa?785MPa 系列鈦合金?美國在其成熟的航空用鈦合金體系基礎(chǔ)上，針對海洋特殊服役環(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” 號深潛器的耐壓殼體就采用了美國自主研制的鈦合金 [3]?

經(jīng)過幾十年的研究和應(yīng)用，我國逐漸形成了自己的船舶與海洋工程用鈦合金體系，包含了不同強度級別的國產(chǎn)鈦合金?根據(jù)鈦合金屈服強度的大小通常劃分為低強鈦合金 (<490MPa)?中強鈦合金 (490~790MPa) 和高強鈦合金 (>790MPa [32]?上述強度等級的鈦合金基本可滿足現(xiàn)階段海洋工程用結(jié)構(gòu)材料的指標要求?中國船級社制定的《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?下面針對我國的鈦合金體系進行具體介紹?

表 3 中國船級社鈦合金牌號?成分及力學(xué)性能 

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

3.1 低強鈦合金

低強鈦合金主要牌號有 TA9 和 TA10 等，適用于不需要較高強度但要求耐腐蝕性能的設(shè)備，如板 / 管式換熱器?冷凝器?管路和閥門等?TA10 鈦合金是一種典型的近型低強鈦合金，耐腐蝕性能優(yōu)異，常為了控制成本而代替 Ti-0.2Pd 合金來制造海洋工程裝備?就彎曲性能和冷加工性能來看，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 中強鈦合金

中強鈦合金主要牌號有 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 80 年代由上海鋼鐵研究所在 Ti6211 合金基礎(chǔ)上研制出的一種近型中強鈦合金，具有高強?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 高強鈦合金

高強鈦合金主要牌號有 TC4?TC4 ELI 等?高強鈦合金的強度能達到普通高強度鋼的水平，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械等?TC4 鈦合金是一種 α+β 型鈦合金，TC4 ELI 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 TC4 ELI 是國內(nèi)外載人深潛器殼體的常用鈦合金牌號?我國 “蛟龍” 號和 “深海勇士” 號載人深潛器耐壓殼體的建造均采用了超低間隙的 TC4 ELI 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” 等無人深潛器，到 “蛟龍” 號?“深海勇士” 號?“奮斗者” 號等載人深潛器，我國的深海探索裝備技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展?在深潛器研制過程中，鈦合金的制備?成型?熱處理及焊接等過程均需要多項真空技術(shù)支持，其突破與真空技術(shù)的發(fā)展密不可分?國內(nèi)深潛器用鈦合金板材的牌號?成型工藝及力學(xué)性能如表 4 [4] 所示?“蛟龍” 號耐壓殼體采用了俄羅斯生產(chǎn)的 TC4 ELI 鈦合金，成型工藝為球瓣加工后手工焊接方式?經(jīng)過長期的深潛器耐壓殼體結(jié)構(gòu)鈦合金的研制工作，我國 “深海勇士” 號采用了由寶鈦集團和 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，中國科學(xué)院金屬所自主研制出高強高韌的 Ti62A 新型鈦合金，成功應(yīng)用于國之重器 “奮斗者” 號載人深潛器 (如圖 3 [37] 所示), 其成型工藝亦為半球沖壓后電子束焊接，實現(xiàn)了我國鈦合金制備和焊接技術(shù)的重大突破 [38]?

表 4 國內(nèi)深潛器用鈦合金的牌號?成型工藝及力學(xué)性能 

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

鈦合金的高比強度有助于實現(xiàn)深潛器結(jié)構(gòu)的輕量化，從而提高深潛器的航速?浮力和機動性?但鈦合金在選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計時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度通常在 800MPa 以上，強度的提高不可避免會導(dǎo)致其焊接性?韌性?塑性等隨之降低，必須選擇適當?shù)某尚头椒ê秃附庸に嚥拍芡瓿赦伜辖鸬募庸?“奮斗者” 號采用的真空電子束焊接工藝是一種高能束焊接技術(shù)，焊接時真空箱內(nèi)的真空度可達 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 150kV, 功率可達 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?比強度高和耐腐蝕性能優(yōu)良等特點，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)勢主要包括以下幾點：(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)?比強度高和剛度大的油管?(2) 耐腐蝕性優(yōu)異，服役周期較長?鈦合金的耐腐蝕性主要源于致密的氧化膜和強大的自修復(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) 射線吸收率小，提高勘探精確度?鈦合金無磁性，僅吸收極少量探測地層的 γ 射線，這有效保證了探測靈敏度，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 70 年代初，美國就開始將鈦熱交換器應(yīng)用于海洋油氣開采工程，并在北海油田鉆井平臺上使用了約 100 個鈦熱交換器 [39]?TC4 合金是制造鉆桿?油管最常用的鈦合金材料，具有較高的屈服強度和疲勞強度?但長時間的工程實踐發(fā)現(xiàn)，鈦合金在鉆井磨損條件下耐沖蝕能力較差?這一問題可以通過添加合金元素?表面處理和使用緩蝕劑來改善?不可忽視的是，我國鈦合金鉆井裝備制造的關(guān)鍵技術(shù)還有待突破，仍需開展安全性?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?強度高?疲勞性能好的材料進行制造?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?閥門和泵等產(chǎn)品的抗海水腐蝕性強，服役壽命至少是碳鋼的 10 倍，且使用過程中幾乎不需要維護?美國圣克洛伊島建立的海水淡化廠率先使用了鈦管件，不僅延長了管件使用壽命，還有效提高了換熱系數(shù)?隨后，日本也開始進行鈦合金在海水淡化裝置中的應(yīng)用研發(fā)?目前，我國山東?天津?河北等地已有多臺使用了鈦冷凝器和鈦管件的海水淡化裝置投入使用，未來會有更大的應(yīng)用市場 [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的寶藏?開發(fā)海洋?利用海洋已成為人們未來的發(fā)展方向?目前，我國已進行了多個溫差能和潮汐能發(fā)電項目?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驅(qū)動渦輪機轉(zhuǎn)動發(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)成一個不斷循環(huán)的熱機系統(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?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

近年來，我國海洋工程用鈦工業(yè)不斷跨步邁進，隨著 “奮斗者” 號成功下潛萬米深海，實現(xiàn)了重大的技術(shù)突破?鈦合金材料性能優(yōu)異，對多種海洋工程設(shè)施有較為廣泛的適用性，未來在海洋強國建設(shè)中會有更廣闊的應(yīng)用空間?與俄羅斯?美國和日本相比，國內(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少且缺乏相應(yīng)的規(guī)范標準?未來，我國應(yīng)建立健全海洋工程用鈦合金應(yīng)用及評價體系，夯實鈦合金基礎(chǔ)研究，重視關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破，繼續(xù)擴大鈦合金種類和應(yīng)用范圍，推動我國海洋事業(yè)的發(fā)展?

參考文獻

[1] 常輝，董月成，淡振華，等。我國海洋工程用鈦合金現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [J]. 中國材料進展，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)境下鈦合金主要服役性能研究 [J]. 中國材料進展，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)的研究進展 [J]. 中國冶金，2024, 34 (6): 14-25.

[6] 李偉東，史許娜，李晨陽，等。鈦及鈦合金鑄錠制備工藝發(fā)展現(xiàn)狀 [J]. 鈦工業(yè)進展，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，孫足來，張哲魁，等。大功率真空電子束冷床熔煉爐拉錠機構(gòu)振動仿真分析 [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): 108113.

[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，李萬青，嚴建強，等。真空感應(yīng)懸浮熔煉工藝的自動控制研究 [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)用及研究進展 [J]. 世界石油工業(yè)，2023, 30 (6): 69-78.

[22] 馮秋遠。寶鈦海洋裝備產(chǎn)品研制及應(yīng)用進展 [R]. 寶雞：中國寶鈦集團有限公司，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]// 中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會海洋鋼結(jié)構(gòu)分會 2010 年學(xué)術(shù)會議暨第六屆理事會第三次會議論文集。洛陽：中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會海洋鋼結(jié)構(gòu)分會，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]. 中國工程科學(xué)，2019, 21 (6): 95101.

[25] 席國強。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 full-ocean-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)用進展 [J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2018 (12): 11-14.

[33] 陳軍，趙永慶，常輝。中國船用鈦合金的研究和發(fā)展 [J]. 材料導(dǎo)報，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)進展，2022,39 (1):43-48.

[36] 崔維成.“蛟龍” 號載人潛水器關(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] 中國日報網(wǎng).“奮斗者” 號潛水器載人艙球殼 “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)進展 [J]. 材料開發(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]. 中國金屬通報，2006 (增刊 2): 25-28.

[40] 于宇，李嘉琪。國內(nèi)外鈦合金在海洋工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望 [J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用，2018, 33 (3): 111-116.