寶雞TC4/Ti75鈦合金廠(chǎng)家談海洋金屬的特性與主要應(yīng)用

21世紀(jì)被稱(chēng)為海洋的世紀(jì)。海洋空間與資源不僅已成為世界軍事和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的重要領(lǐng)域，而且將成為人類(lèi)賴(lài)以生存、社會(huì)借以發(fā)展、瀕海國(guó)家持續(xù)安泰昌盛的戰(zhàn)略空間和基地。鑒此，各瀕海國(guó)家，特別是海軍強(qiáng)國(guó)，均在以海權(quán)建設(shè)為核心，為增強(qiáng)控制海洋、維護(hù)海洋權(quán)益和疆土完整的綜合治海能力與開(kāi)發(fā)利用海洋空間的能力而大力發(fā)展海軍裝備、海洋安全保障裝備和海洋工程裝備。

海洋工程用材料，要求必須有高強(qiáng)度、耐海水熱液腐蝕、抗硫化腐蝕、抗微生物附著、高韌性等特點(diǎn)。而鈦金屬質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐蝕，特別對(duì)鹽水或海水和海洋大氣環(huán)境的侵蝕有免疫能力，是優(yōu)質(zhì)輕型結(jié)構(gòu)材料，被稱(chēng)為“海洋金屬”，是重要的戰(zhàn)略金屬材料。鈦金屬在海洋工程中具有廣泛的用途，特別適于做輕型海工裝備，是海洋工程領(lǐng)域的新型關(guān)鍵材料之一，因此，充分利用海洋材料——鈦及鈦合金，將有助于國(guó)家海洋戰(zhàn)略的發(fā)展。

一、鈦適合海洋環(huán)境的特性

1、密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大

鈦的密度是4.5lg/cm³，為鋼的57％，鈦比重不到鋁的兩倍，強(qiáng)度是鋁3倍。鈦的比強(qiáng)度是常用工業(yè)合金中最大的。高比強(qiáng)度可促進(jìn)海工裝備的小型化、輕量化，可增加潛艇的航速、浮力和機(jī)動(dòng)性，增加深潛器的下潛深度和有效載荷，因此，鈦是海洋工程必不可少的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。

2、耐蝕性能優(yōu)異

鈦是目前已知材料中抗常溫海水腐蝕性能最好的材料，即使在污染的海水、熱海水(低于120℃)、海泥、流動(dòng)海水中均具有良好的耐蝕性。其優(yōu)異的耐蝕性是由于它具有很好的自鈍化性，當(dāng)受到某種程度的破壞時(shí)，表面氧化膜或鈍化膜可以很快自行修復(fù)和恢復(fù)。也就是說(shuō)，在海洋中，鈦幾乎是不可腐蝕的，鈦表面有一層附著力強(qiáng)而堅(jiān)韌的氧化膜，故耐蝕性超過(guò)其他金屬。

在抗腐蝕設(shè)備設(shè)計(jì)中，可大幅度減少承載結(jié)構(gòu)件厚良方向的腐蝕裕量，大大節(jié)約建造材料；抗腐蝕設(shè)備可與主體進(jìn)行同壽命設(shè)計(jì)，減少維護(hù)頻次，大大降低維護(hù)費(fèi)用，還可提升裝備服役能力；鈦制設(shè)備在海洋中使用時(shí)無(wú)需徐層保護(hù)，簡(jiǎn)化了制造工藝，縮短了工期，降低了制造成本。

3、耐海水沖蝕腐蝕和氣蝕

大部分材料都存在臨界速度，超過(guò)此速度表面氧化膜就會(huì)被沖刷掉而使腐蝕加速發(fā)生。這種加速腐蝕就是沖蝕腐蝕。

鈦管路的耐沖刷腐蝕能力遠(yuǎn)高于銅及銅合金管，鈦在海水里的臨界速度大于27米／秒。多種沖蝕腐蝕試驗(yàn)表明鈦耐這種腐蝕的能力非常強(qiáng)。鈦允許采用較小的管徑、較薄的管壁和較高的流速制造管路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化、輕量化。同時(shí)，耐氣蝕實(shí)驗(yàn)表明，鈦是最耐氣蝕破壞的金屬之一。

4、抗沖擊性能高

鈦及鈦合金的抗沖擊性能最佳，這有利于海工裝備抵御海浪周期性沖擊的能力，提高設(shè)備的安全可靠性。

5、無(wú)磁

鈦無(wú)磁性，非常適合用于必須將電磁波干擾減少到最小的地方。用于潛艇，可極大限度地降低潛艇的磁性物理場(chǎng)效應(yīng)，從而減少其被反潛飛機(jī)磁探儀發(fā)現(xiàn)的可能；對(duì)于鈦制船舶、艦艇可增加隱蔽性，避免受到磁性水雷的攻擊。用于潛艇殼體，不會(huì)引起水雷的爆炸。同時(shí)，還有利于提高探測(cè)儀器及工具的抗磁干擾能力，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。

6、高透聲系數(shù)

鈦用做潛艇和航母的聲吶導(dǎo)流罩材料，可提高設(shè)備的聲吶探測(cè)靈敏度和探測(cè)距離，提高裝備的效能與安全可靠性。

7、優(yōu)良的加工性能

鈦金屬機(jī)械加工性能好，可制成各種形狀、各種規(guī)格的實(shí)用工程材料，包括板、棒、管、絲、帶、箔、鍛件、鑄件、焊件等；絕大多數(shù)鈦及其合金具有良好的可焊性，焊縫強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.9以上；鈦金屬焊后很少產(chǎn)生延遲裂紋，其設(shè)備一般無(wú)需焊后熱處理，有利于船舶和海洋工程等大型工程裝備的建造。

8、綠色循環(huán)利用

鈦金屬制品在海洋環(huán)境中的使用壽命長(zhǎng)，報(bào)廢后經(jīng)解體回爐，可加工成較低級(jí)別的鈦合金材料使用，且其重量損失極少，回收率高。鈦的綜合力學(xué)性能工業(yè)純鈦，屬于低強(qiáng)度級(jí)別金屬范圍，通過(guò)添加合金元素Al、Sn、Mo、Zr等元素實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化。純鈦的抗拉強(qiáng)度為240MPa～580MPa，一般鈦合金為685MPa～1180MPa，目前最高可達(dá)1760MPa。鈦和鈦合金的壓縮強(qiáng)度不低于其抗拉強(qiáng)度。丁業(yè)純鈦的壓縮屈服強(qiáng)度和拉伸屈服強(qiáng)度大致相等，而TC4(Ti-6A1-4V)和TA7(Ti-5A1-2.5Sn)壓縮強(qiáng)度比拉伸強(qiáng)度稍高。鈦和鈦合金薄板的承壓屈服強(qiáng)度大約是抗拉強(qiáng)度的1.2～2.0倍。在正常大氣氣氛下，經(jīng)加工和退火的鈦和鈦合金的持久極限為(0.5～0.65)倍抗拉強(qiáng)度。在缺口狀態(tài)(Kt=3.9)進(jìn)行一干萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)時(shí)，退火TC4鈦合金的持久極限為0.2倍抗拉強(qiáng)度。鈦合金的比彈性模量與鋁合金的相等，僅次于鈹、鉬和某些高溫合金。

許多鈦合金具有很高的斷裂韌性，或者說(shuō)，鈦合金抗裂紋擴(kuò)展的能力很好。退火狀態(tài)的TC4就是一種韌性極好的材料，當(dāng)缺口集中系數(shù)Kt=25.4mm時(shí)，缺口拉伸強(qiáng)度與非缺口拉伸強(qiáng)度之比大于1。

一般工業(yè)鈦合金在540℃下能保持其有用的性能，但僅能供短時(shí)間應(yīng)用，長(zhǎng)時(shí)間使用的溫度范圍為450～480℃。鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的一定的機(jī)械性能。隨著溫度的降低，鈦和鈦合金的強(qiáng)度不斷增加，而延性逐漸變差。許多退火的鈦合金在-195．5℃低溫下還具有足夠使用的延性和斷裂韌性。含間隙元素特低的TA7可在-252.7℃溫度下使用。

二、鈦金屬在海洋方面的應(yīng)用

1、深海潛水器

第一艘載人深潛器為“曲斯特I”號(hào)。1960年1月23日，美國(guó)人在太平洋馬里亞納海溝下潛深度為10916m，創(chuàng)造了人類(lèi)深潛的歷史。法國(guó)1985年研制的“鸚鵡螺”號(hào)潛水器最大下潛深度可達(dá)6000m。俄羅斯是世界上擁有載人潛水器最多的國(guó)家，比較著名的是1987年建成的“和平I(MIR)”和“和平II(MIR)”號(hào)兩艘6000m級(jí)潛水器。日本1989年建成的下潛深度6500m的“深海6500”潛水器，水下作業(yè)8h。

中國(guó)“蛟龍?zhí)栞d人深潛器”，最大下潛深度7000米，2002年建造，已完成熱液取樣、生物采集、海底布放等多項(xiàng)深海科考項(xiàng)目。2012年6月24日，蛟龍?zhí)栐谖魈窖蟮鸟R里亞納海溝試驗(yàn)海域成功創(chuàng)造了載人深潛新的歷史紀(jì)錄，首次突破7000米，最深達(dá)到7020米海底。這意味著蛟龍?zhí)栆呀?jīng)成為世界上下潛能力最深的作業(yè)型載人潛水器，可在占世界海洋面積99．8％的廣闊海域自由行動(dòng)。

寶鈦集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)海洋技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)科研項(xiàng)目4500米載人潛水器TC4載人球殼預(yù)研已取得成功，研制出了潛水器鈦合金載人艙1套，并掌握了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4500米載人潛水器載人艙耐壓球殼的建造技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)鈦合金載人球殼的國(guó)產(chǎn)化。

2、海洋能源開(kāi)發(fā)利用

據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織出版物估計(jì)，全世界海洋能總量為766億kW。海濱電站和核電站中凝汽器是重要大型設(shè)備，冷卻介質(zhì)是海水。傳統(tǒng)使用鋼及銅合金材料制造，但抗海水腐蝕性差，使用壽命短。在海水中，特別是污染海水的作用下，銅合金凝汽器容易發(fā)生點(diǎn)蝕、孔蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備泄漏，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明，電站的凝汽器和熱交換器采用鈦材是最合適的。

全世界電站裝機(jī)總?cè)萘考s2X10MW，火電站和水電站約5000多座，采用鈦凝汽器約占3％～4％，核電站380多座，采用鈦凝汽器約占30％，歐、美、日本等國(guó)電站都普遍使用鈦凝汽器。我國(guó)臺(tái)州電廠(chǎng)、鎮(zhèn)海發(fā)電廠(chǎng)、秦山核電站、大亞灣核電站等均采用了全鈦凝汽器。

濱海電站用鈦凝汽器具有較多的優(yōu)越性：可以就地利用海水作冷卻介質(zhì)；耐蝕性好，壽命長(zhǎng)；熱交換效率高、經(jīng)濟(jì)效益好；安全性能高、減少停電檢修時(shí)間、生產(chǎn)效率高等。

3、潛艇

俄羅斯在建造全鈦核潛艇研究和制造技術(shù)上處于國(guó)際領(lǐng)先地位，也是用鈦合金最先建造耐壓殼體的國(guó)家。從20世紀(jì)60年至8O年代，前蘇聯(lián)生產(chǎn)了一系列鈦制潛艇，包括6艘“阿爾法”級(jí)核潛艇，每艘用鈦約3000t。6艘“臺(tái)風(fēng)”級(jí)核潛艇， 既輕又快，機(jī)動(dòng)性能良好。其中“臺(tái)風(fēng)”級(jí)核潛艇，擁有鈦金屬制造的外殼，其雙層外殼共用鈦9000t，使其具有了無(wú)磁性、下潛深、航速快、噪音小、維修次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，其在俄羅斯軍事防御工程中具有舉足輕重的地位。

4、深海空間站

深海移動(dòng)空間站將主要用于進(jìn)行海洋科學(xué)探索，被喻為海洋里的“天宮一號(hào)”。從上世紀(jì)60年代起，美國(guó)和前蘇聯(lián)都陸續(xù)完善了深海空間站體系。2000年，俄羅斯公布了本國(guó)深海空間站的民用建設(shè)，其針對(duì)性很單一，主要針對(duì)北冰洋的石油開(kāi)采。我國(guó)于上世紀(jì)90年代提出深海空間站的概念，旨在和平開(kāi)發(fā)和利用海洋資源。已經(jīng)建成的深海空間站試驗(yàn)艇和正在建設(shè)的小型深海移動(dòng)工作站都是我國(guó)自主研發(fā)的。深海空間站的建立都離不開(kāi)鈦及鈦合金關(guān)鍵材料的支撐。

5、海水淡化

隨著人們對(duì)蒸餾淡化裝置腐蝕規(guī)律和鈦材優(yōu)越性認(rèn)識(shí)的逐步提高，海水淡化裝置傳熱管選材出現(xiàn)了顯著的變化，具有優(yōu)異耐蝕性的鈦材傳熱管應(yīng)用越來(lái)越廣泛。對(duì)鈦材的牌號(hào)來(lái)講，應(yīng)用最廣的是工業(yè)純鈦TA1(Gr1)、TA2(Gr2)，溫度較高的海水加熱器使用TA9(Gr7，Ti-Pd)、TA10(Gr12，Ti-0.3Mo-0.7Ni)，兩牌號(hào)具有更優(yōu)異的抗腐蝕能力。

海水淡化設(shè)備使用最多的是鈦焊管，主要用于加熱器、冷凝器、蒸餾器、蒸發(fā)器、熱交換器等，它不僅可以節(jié)省成本，而且可以提高熱交換系數(shù)。

寶鈦集團(tuán)有限公司由德國(guó)引進(jìn)的3150噸擠壓機(jī)、1000噸穿孔機(jī)以及各種型號(hào)的軋管機(jī)系列設(shè)備，形成了年產(chǎn)2000t以上的無(wú)縫管材生產(chǎn)線(xiàn)；與法國(guó)ValtimeSAS和美國(guó)TimetAsia，lnc等企業(yè)合資組建的西安寶鈦美特法力諾焊管有限公司，形成兩條先進(jìn)的鈦焊管生產(chǎn)線(xiàn)，年產(chǎn)能達(dá)800～1000t。由德國(guó)引進(jìn)的MB22一Tl型二十輥冷軋機(jī)以及鈦及鈦合金帶材專(zhuān)用處理線(xiàn)，組成了國(guó)內(nèi)第一條專(zhuān)業(yè)的鈦帶生產(chǎn)線(xiàn)，年產(chǎn)能達(dá)到10000t，代表國(guó)內(nèi)鈦帶卷生產(chǎn)的最高水平，(0.3～4.75)×(600～1370)×Lmm產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到國(guó)外同等產(chǎn)品水平。西安寶鈦美特法力諾焊管有限公司生產(chǎn)的鈦焊管已用于國(guó)內(nèi)首鋼京唐海水淡化等工程項(xiàng)目。這為我國(guó)海水淡化裝備用焊管?chē)?guó)產(chǎn)化打下了良好的基礎(chǔ)，必將推動(dòng)鈦材在我國(guó)海水淡化產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)人類(lèi)進(jìn)入了開(kāi)發(fā)利用海洋的新時(shí)代，國(guó)際間以開(kāi)發(fā)和占有海洋資源為核心的海洋維權(quán)之爭(zhēng)愈演愈烈。大量事實(shí)表明，海洋科技已進(jìn)入全球科技競(jìng)爭(zhēng)的前沿，并或?yàn)閲?guó)家間綜合實(shí)力較量的焦點(diǎn)之一。海洋科技的發(fā)展離不開(kāi)鈦及鈦合金材料，而寶鈦集團(tuán)有限公司現(xiàn)已發(fā)展成為中國(guó)最大、實(shí)力最雄厚、體系最完整的以鈦及鈦合金為主的稀有金屬材料專(zhuān)業(yè)化科研生產(chǎn)基地，是我國(guó)鈦工業(yè)的搖籃和旗幟，是中國(guó)鈦、鋯國(guó)標(biāo)、軍標(biāo)、行規(guī)的制定者，代表著我國(guó)鈦材加工技術(shù)的最高水平，是“中國(guó)鈦谷”和“國(guó)家高技術(shù)新材料產(chǎn)業(yè)基地”的龍頭企業(yè)。因此，擁有國(guó)家級(jí)“企業(yè)技術(shù)中心”、“鈦及鈦合金國(guó)際科技合作基地”、“陜西省鈦鋯鎳工程技術(shù)研究中心”、“博士后科研工作站”、“陜西省院士專(zhuān)家工作站”的寶鈦集團(tuán)有限公司，與海洋工程設(shè)計(jì)部門(mén)、應(yīng)用研究部門(mén)以及中科院金屬研究所、北京有色金屬研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研院所緊密合作，依托現(xiàn)有的裝備、技術(shù)和人才優(yōu)勢(shì)，在材料研發(fā)方面，完善海洋用鈦合金體系，在大規(guī)格、高性能鈦及鈦合金板、棒、管、鍛件、鑄件等方面消除技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)工程化突破，為制取先進(jìn)海工鈦裝備打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)要在艦船與深潛器用鈦、海上油氣開(kāi)采用鈦，海水淡化及熱交換及新能源開(kāi)發(fā)用鈦四大領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用取得重大技術(shù)突破，努力搶占海洋工程用鈦的技術(shù)制高點(diǎn)；總之，寶鈦集團(tuán)有限公司以發(fā)展海洋工程關(guān)鍵、瓶頸鈦加工技術(shù)為研發(fā)重點(diǎn)，加強(qiáng)基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，提高自主創(chuàng)新能力，獲取具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋工程鈦材料技術(shù)和產(chǎn)品，盡快縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，積極推動(dòng)海洋工程用鈦的大發(fā)展。

(作者單位：寶鈦集團(tuán)有限公司)

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作者簡(jiǎn)介

鄒武裝男漢族，1963年6月生陜西平利人，1988年5月入黨，1983年8月參加工作西安交通大學(xué)EMBA高級(jí)工商管理專(zhuān)畢業(yè)，碩士研究生，教授級(jí)高級(jí)工程師。現(xiàn)任寶鈦集團(tuán)有限公司總經(jīng)理、寶雞鈦業(yè)股份有限公司董事長(zhǎng)、中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)長(zhǎng)。2010年，被中共寶雞市委、寶雞市人民政府授予2009年度重大項(xiàng)目“特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。2012年，被中共陜西省委、陜西省人民政府授予“陜西省勞動(dòng)模范”稱(chēng)號(hào)。