1、前言

鈦材因具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、海洋、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。高的比強(qiáng)度是鈦材在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的最大優(yōu)勢(shì)，提高鈦材在飛行器上的應(yīng)用比例可大幅減少飛行器重量，提高其技戰(zhàn)術(shù)水平。為了提高鈦材在飛行器上的應(yīng)用比例，根據(jù)不同構(gòu)件服役工況性能需求，發(fā)展出了低溫鈦合金、高溫鈦合金、損傷容限鈦合金、阻燃鈦合金、高強(qiáng)韌鈦合金等不同種類的鈦合金。而海洋工程用鈦材長期處于海水、海洋大氣環(huán)境中，減重和耐腐蝕是其主要目的。與航空航天用鈦材類似，根據(jù)不同的使用工況，對(duì)海洋工程用鈦材也進(jìn)行了分類，包括低強(qiáng)鈦合金、中強(qiáng)鈦合金和高強(qiáng)鈦合金。對(duì)于普通的水面船只或艦艇，大部分使用的是純鈦，純鈦具有最好的耐蝕性及可焊接性；而對(duì)于深海裝備或海洋工程裝備來說，更為苛刻的服役工況對(duì)材料的強(qiáng)韌性、耐蝕性、抗疲勞性等提出了更高的要求，從而促進(jìn)了海洋工程用中強(qiáng)高韌和高強(qiáng)高韌鈦合金的發(fā)展。近年來在國家建設(shè)海洋強(qiáng)國、發(fā)展深海經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，艦船、深海裝備等向著大型化、大深度、全海域等方向發(fā)展，對(duì)大規(guī)格鈦構(gòu)件的需求越來越多，對(duì)鈦材的成型性、可焊性等工藝性能也提出了更高的要求。

本文簡介了艦船和能源裝備用鈦合金材料的研制情況，對(duì)艦船及能源裝備用鈦材的大規(guī)格鑄錠及構(gòu)件制備技術(shù)、低成本制備技術(shù)、無縫管材制備技術(shù)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，并提出了目前存在的主要問題，以期為鈦材相關(guān)科研人員及從業(yè)者提供參考，進(jìn)一步推動(dòng)鈦材在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、艦船及能源裝備用鈦合金研究

2.1艦船用鈦合金

鈦合金在艦船上的主要應(yīng)用部位包括耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、熱交換器、冷卻器、各類管接頭、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、升降裝置及發(fā)射裝置等。俄羅斯和美國是最早從事艦船用鈦合金研究的國家，并形成了各自的艦船用鈦合金體系。俄羅斯在艦船用鈦的研制和實(shí)際應(yīng)用水平方面居世界前列，擁有不同強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金，并對(duì)這些鈦合金按照用途進(jìn)行了分類，也是目前唯一擁有全鈦潛艇的國家。

我國從20世紀(jì)60年代開始開發(fā)艦船用鈦合金，目前已形成強(qiáng)度范圍在320-1250MPa的船用鈦合金系列，主要牌號(hào)包括低強(qiáng)的TA2、Ti31等合金，中強(qiáng)的Ti70、Ti75、Ti91等合金，高強(qiáng)的TC4、Ti80、TC11、Ti62A、Ti-B19、Ti-B25等合金。從合金類型上看，低強(qiáng)和中強(qiáng)艦船用鈦合金通常為α和近α型鈦合金，高強(qiáng)艦船用鈦合金為α+β或近β型鈦合金。低強(qiáng)鈦合金具有高塑性、可焊接性好等特點(diǎn)，易加工成薄壁管，適用于各類熱交換器、冷卻器等管材制備；中強(qiáng)鈦合金綜合性能匹配較好，適用于大厚截面構(gòu)件、通海管路等；高強(qiáng)鈦合金具有強(qiáng)度高、塑性低等特點(diǎn)，適用于耐壓殼體、高壓容器、船舶特種部件等。

對(duì)于普通船用鈦合金結(jié)構(gòu)件，考慮到材料的強(qiáng)韌性匹配、應(yīng)力腐蝕斷裂韌性、焊接性等，材料的強(qiáng)度水平不宜過高，盡量選擇應(yīng)用較為成熟的近α型鈦合金，但對(duì)于有特殊強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)件，就必須選擇高強(qiáng)鈦合金。隨著海洋裝備向深藍(lán)發(fā)展，對(duì)深潛器、深空站等耐壓結(jié)構(gòu)用鈦材的性能提出了更高的要求，促進(jìn)了海洋用高強(qiáng)鈦合金的發(fā)展。提升材料的強(qiáng)度可以降低構(gòu)件截面厚度和耐壓結(jié)構(gòu)重量，然而強(qiáng)度的提高往往要犧牲材料的韌性，因此在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的韌性是艦船用高強(qiáng)鈦合金獲得應(yīng)用的關(guān)鍵，高強(qiáng)韌鈦合金也成為近年來各研究院所及鈦企的研究熱點(diǎn)。研究思路從兩個(gè)方面開展，一方面是面向國家重大工程急需，設(shè)計(jì)單位更加傾向選用較為成熟的鈦合金材料，通過優(yōu)化合金成分及構(gòu)件的制備工藝來挖掘材料的性能潛力，提高合金的強(qiáng)韌性匹配。較多研究集中在針對(duì)應(yīng)用成熟的TC4合金和Ti80合金開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。另一方面是借鑒航空航天高強(qiáng)韌鈦合金開發(fā)理念，研發(fā)新型的海洋工程用高強(qiáng)韌鈦合金。

“十三五”期間，西北有色金屬研究院（西北院）以Ti80合金為基礎(chǔ)，開展了合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，旨在保持合金較高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提升合金的韌性。采用余氏理論（YuRui-huangelectrontheory）計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了α穩(wěn)定元素、β穩(wěn)定元素及間隙元素對(duì)Ti80合金強(qiáng)韌性的影響規(guī)律，并結(jié)合余氏理論計(jì)算揭示了元素影響合金強(qiáng)韌性的微觀機(jī)理。深入研究了在Ti-6Al合金中添加Mo和Nb元素后合金的強(qiáng)韌性變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Mo和Nb元素對(duì)合金的室溫拉伸性能影響較小，可顯著提升合金的沖擊韌性，這主要?dú)w因于β穩(wěn)定元素的添加改變了顯微組織中的相構(gòu)成，在沖擊載荷下激發(fā)了更多的位錯(cuò)和形變孿生，消耗了更多的沖擊載荷，從而提高了合金抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，使合金獲得了較高的沖擊性能。研究了O元素含量對(duì)不同組織結(jié)構(gòu)Ti80合金棒材沖擊性能的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊性能對(duì)合金中O元素含量比較敏感。通過調(diào)控各元素含量及熱處理制度發(fā)現(xiàn)，退火狀態(tài)下Ti80合金具有最佳的強(qiáng)韌性匹配，其顯微組織是由等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的雙態(tài)組織。當(dāng)O含量為0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，合金屈服強(qiáng)度達(dá)800MPa，沖擊功可達(dá)72J（測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-2020）。

深潛器耐壓殼體是深海裝備用高強(qiáng)韌鈦合金的典型代表，深潛器下潛深度與材料的比強(qiáng)度密切相關(guān)。美國Alvin號(hào)通過將耐壓殼體材料由鋼材更換為鈦材，其最大潛深由1868m提升至4500m，進(jìn)一步采用鈦合金改裝后其設(shè)計(jì)深度提升至6000m?？v觀各國深潛器耐壓殼體的選材可見，鈦材的主要牌號(hào)為Ti-6Al-4V（TC4）、Ti-6Al-4VELI（TC4ELI），采用這2種合金制備的3人艙深潛器下潛深度均不大于7000m。2017年，我國自主研發(fā)并成功建造了TC4ELI合金載人球殼和Ti80合金載人球殼，將TC4ELI的載人球殼成功裝配于深海勇士號(hào)，其最大下潛深度為4500m。我國從俄羅斯引進(jìn)的瓜瓣成型的TC4ELI載人球殼的最大下潛深度為7000m。采用Ti62A合金制備的“奮斗者”號(hào)3人艙深潛器下潛深度可達(dá)10909m。Ti62A合金是中國科學(xué)院金屬研究所和寶雞鈦業(yè)股份有限公司共同研發(fā)的高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，該合金強(qiáng)度較TC4合金有較大提升，同時(shí)保持了較好的韌性和可焊性。寶雞鈦業(yè)股份有限公司等單位在Ti62A合金基礎(chǔ)上進(jìn)行了性能優(yōu)化研究，開發(fā)了Ti542222鈦合金，該鈦合金屈服強(qiáng)度指標(biāo)為1000MPa，沖擊功為40J，采用雙重退火處理后，具有最佳強(qiáng)度-塑性-韌性匹配。

在國家相關(guān)項(xiàng)目的支持下，西北院、中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所（七二五所）等單位已成功研制出屈服強(qiáng)度為800、900和1000MPa級(jí)的鈦合金。西北院自主研發(fā)了一種高強(qiáng)β型鈦合金Ti-B25，該合金具有強(qiáng)度高、冷加工性能好等特點(diǎn)，已在艦船通信系統(tǒng)上批量應(yīng)用。中國科學(xué)院金屬研究所針對(duì)海洋工程用鈦研發(fā)了1000和1200MPa強(qiáng)度級(jí)別的高強(qiáng)高韌鈦合金，已小批量制備了深淵原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站用鈦合金殼體、深淵滑翔機(jī)鈦合金殼體，基本替代了Ti64合金。

近幾年我國也將增材制造技術(shù)引入深海裝備制造中，中國船舶集團(tuán)汾西重工有限責(zé)任公司聯(lián)合西安鉑力特采用激光熔融沉積技術(shù)（lasermeltingdeposition,LMD）試制了鈦合金螺旋槳、空心殼體等。中國科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合上?？萍即髮W(xué)采用增材制造、粉末熱等靜壓工藝研制了多種深海工程鈦合金部件，基于高過冷度成分設(shè)計(jì)思路及高強(qiáng)鈦合金強(qiáng)韌化方法，研發(fā)了適用于增材制造工藝的弱織構(gòu)、等軸晶鈦合金成分體系，使增材制造鈦合金實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)度、塑性匹配及力學(xué)性能各向同性。

“十四五”期間，西北院依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題“深海極端服役環(huán)境用高強(qiáng)韌鈦合金成分優(yōu)化和制備”，基于高強(qiáng)韌鈦合金Ti1300和Ti5321合金，開發(fā)了深海裝備用超高強(qiáng)鈦合金Ti1300G和深海裝備增材制造用高強(qiáng)韌鈦合金Ti5321G。Ti1300G合金耐壓殼體屈服強(qiáng)度可達(dá)1250MPa，延伸率≥9%，沖擊功≥24J，斷裂韌性≥60MPa?m1/2；Ti5321G合金增材制造構(gòu)件屈服強(qiáng)度可達(dá)1050MPa，延伸率≥9%。采用Ti1300G合金制備了深?；铏C(jī)用耐壓殼體構(gòu)件，采用Ti5321G合金制備了深海ROV推進(jìn)器螺旋槳和實(shí)驗(yàn)操作機(jī)械手臂，目前耐壓殼體正在等待裝機(jī)后測(cè)試，ROV已在南海順利通過海試實(shí)驗(yàn)。

2.2能源裝備用鈦合金

鈦合金在能源開采領(lǐng)域可應(yīng)用于換熱器、輸送管線、管道、油井管、緊固件、連接件及海洋鉆井設(shè)備支持結(jié)構(gòu)等。國際上從事鈦合金油井管制備和研究的國家包括美國、俄羅斯、日本等，主要采用的合金牌號(hào)為TC4、TC4ELI、Ti6246、Ti38644等。我國油氣開采領(lǐng)域用鈦合金的應(yīng)用起步較晚，使用的鈦材也是在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用成熟的牌號(hào)，包括TA1、TA2、TA10、TA18、TA25、TA26、TC4ELI、TC4、TA31（Ti80）、TB9等，主要應(yīng)用于熱交換器、管線、緊固件等。鈦合金油井管的研制及應(yīng)用目前仍處于起步階段，2020年，由中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院牽頭研制的國產(chǎn)105ksi級(jí)鈦合金鉆桿，在西部油田順利完成了井深為7100m的超短半徑水平井的三開定向造斜側(cè)鉆任務(wù)并成功出井，實(shí)現(xiàn)了724MPa級(jí)鈦合金鉆桿應(yīng)用技術(shù)的突破。針對(duì)110鋼級(jí)的鈦合金油管，中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司、七二五所、寶雞鈦業(yè)股份有限公司、忠世高新新材料有限公司等單位均開展了較多的研究工作，其中七二五所、天津鋼管集團(tuán)公司等采用TA31（Ti80）合金研制的TP-Ti-110鋼級(jí)TP-G2（Ti）氣密封特殊螺紋鈦合金油管在元壩氣田兩口井成功全井應(yīng)用，是鈦合金油管首次在超深高含硫氣井中應(yīng)用，累計(jì)用量長度約12500m，質(zhì)量約120t。

近十幾年來，圍繞鉆桿和油套管用鈦合金材料的研制主要是基于成熟的TC4合金和Ti80合金開展成分優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以期這類成熟的合金能夠更加適用于苛刻鉆采環(huán)境的復(fù)雜服役工況。中國有研科技集團(tuán)有限公司等通過在TC4合金中添加Nb和Ni元素獲得了一種油井管用Ti-6Al-4V-0.5Nb-0.5Ni合金，具有良好的耐腐蝕性能。中南大學(xué)、寶雞鈦業(yè)股份有限公司等在TC4合金基礎(chǔ)上開發(fā)了TC4S低成本鈦合金。北京科技大學(xué)在TC4合金成分基礎(chǔ)上，通過添加不同的合金元素，開發(fā)了TC4-RuBi和TC4-NiNb合金。

依托“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，西北院以Ti80合金為基礎(chǔ)，開展了針對(duì)油氣開采服役環(huán)境應(yīng)用的高耐蝕高強(qiáng)韌低成本鈦合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。采用電化學(xué)和全浸腐蝕試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了Mo、Nb、Zr、Al、O等元素含量對(duì)二、三元合金及Ti80等近α鈦合金在5mol?L-1鹽酸溶液中腐蝕行為的影響規(guī)律。從提高合金耐蝕性的角度出發(fā)對(duì)合金的成分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并建立了合金制備工藝-顯微組織-力學(xué)性能-耐蝕性能的關(guān)系，獲得了合金在模擬不同使用工況下的腐蝕速率，結(jié)果表明該合金具有優(yōu)異的耐蝕性。采用該合金制備的無縫管材，在屈服強(qiáng)度大于800MPa的同時(shí)在-10℃的沖擊功可達(dá)42J。同期，開發(fā)了一種Ti-Al-Sn-Zr-Mo-V-Nb系高強(qiáng)韌耐蝕鈦合金，該合金具有良好的加工成型性及耐蝕性，力學(xué)性能可調(diào)范圍較寬。

“十四五”期間，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“苛刻環(huán)境能源井鉆采用高性能鈦合金管材研發(fā)及應(yīng)用”對(duì)鈦合金油井管的性能要求進(jìn)一步提高，要求其室溫屈服強(qiáng)度不小于900MPa，抗拉強(qiáng)度不小于965MPa，延伸率不小于12%，縱向沖擊功不小于50J。西北院依托該項(xiàng)目，基于前期研究基礎(chǔ)，從提高合金強(qiáng)度和沖擊韌性的角度出發(fā)，研發(fā)出了新型的適用于油氣鉆采服役環(huán)境的900MPa級(jí)Ti90合金。系統(tǒng)研究了該合金的變形行為并構(gòu)建了其本構(gòu)方程，對(duì)不同加工狀態(tài)合金在5mol?L^-1鹽酸溶液中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，獲得了棒坯、斜軋穿孔管坯及擠壓管材等不同狀態(tài)Ti90合金的腐蝕速率，并揭示了其微觀腐蝕機(jī)理。

3、艦船及能源裝備用鈦材制備技術(shù)

3.1大規(guī)格鈦鑄錠及構(gòu)件制備技術(shù)

艦船和海洋裝備發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)是大型化，這對(duì)鈦材結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸也提出了更高的要求，相應(yīng)的對(duì)鈦合金大規(guī)格鑄錠的熔煉技術(shù)，大規(guī)格坯料的鍛造、軋制、焊接、加工等一系列技術(shù)均提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。鈦材生產(chǎn)是一個(gè)資本和技術(shù)密集型行業(yè)，要實(shí)現(xiàn)鈦材構(gòu)件的大型化、整體化制備，一方面是裝備能力能夠達(dá)到，另一方面是大規(guī)格鈦材的制備技術(shù)要跟上。近年來，隨著我國航空航天、海洋工程等高端制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高品質(zhì)鈦材的需求不斷增加，推動(dòng)了鈦材生產(chǎn)企業(yè)大型設(shè)備的更新和升級(jí)。我國主要鈦材生產(chǎn)企業(yè)在大型設(shè)備方面已達(dá)到國際先進(jìn)水平，形成了完整的生產(chǎn)體系。對(duì)于超大卷重鈦帶、超長鈦管及型材、超大規(guī)格鈦板等，通過與鋼廠合作，借助鋼廠大型設(shè)備可實(shí)現(xiàn)超大規(guī)格構(gòu)件的制備。

獲得大規(guī)格鈦鍛件的前提是制備出大規(guī)格鈦鑄錠，而隨著鑄錠規(guī)格的增大，其成分及缺陷的控制難度也逐漸增加。各家鈦企通過軟件模擬結(jié)合試制、工業(yè)化生產(chǎn)等，已掌握了主要合金元素的分布特征及易偏析元素的偏析規(guī)律等，通過原材料控制以及中間合金添加方式、熔煉工藝參數(shù)優(yōu)化等手段相結(jié)合，突破了大規(guī)格鈦合金鑄錠的高均質(zhì)熔煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Ti-1023等易偏析鈦合金3-5t級(jí)高均質(zhì)鑄錠的工業(yè)化制備，TC4、Ti80等常規(guī)鈦合金15t級(jí)大規(guī)格鑄錠的高均質(zhì)制備。在電子束冷床爐（electronbeamcoldhearchmelting,EB）熔煉方面，設(shè)備能力持續(xù)增強(qiáng)，掌握了TC4等簡單合金的成分精度及均勻性控制技術(shù)，而對(duì)于復(fù)雜多組元鈦合金生產(chǎn)較少，基本仍處于試制階段。

“十四五”期間，西北院依托國家相關(guān)課題，開發(fā)出適用于700-1200MPa強(qiáng)度級(jí)別鈦合金的大口徑管材“一步法”連續(xù)穿軋制備技術(shù)，能夠批量高效生產(chǎn)DN100-DN400、長度10-25m、單重0.5-1t的大口徑薄壁鈦合金管材，縮短管材加工周期50%，降低生產(chǎn)成本40%以上。采用該技術(shù)制備了徑厚比<0.03、Φ外為406mm的TA24中強(qiáng)合金大規(guī)格薄壁管材，開展了船用通海系統(tǒng)管路用材的小批量試制，目前正在進(jìn)行考核驗(yàn)證。

在大型鈦合金構(gòu)件制備方面，各家鈦企針對(duì)大規(guī)格板材、餅材、環(huán)材、管材等均開展了大量研制工作，掌握了TA5、TC4、TA24、TC11、TC16等鈦合金大規(guī)格板材、餅材、環(huán)材等的制備技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品也在船舶上批量應(yīng)用。近年來，艦船及海洋裝備用大規(guī)格板材的需求量較大，促使各家鈦企在大規(guī)格板材制備技術(shù)方面開展了大量的攻關(guān)，使大規(guī)格板材的制備技術(shù)顯著提升?！笆濉逼陂g，我國突破了寬幅超厚高強(qiáng)高韌鈦合金板坯制備技術(shù)，制備出厚度為130mm、寬度大于3000mm的寬幅高強(qiáng)高韌鈦合金板坯，并成功將它應(yīng)用于“奮斗者”號(hào)潛水器；攻克了超大規(guī)格板坯組織均勻性及晶粒尺寸控制技術(shù)、超大規(guī)格板材強(qiáng)韌性及各向異性調(diào)控技術(shù)等，可制備規(guī)格為50mm×(≥2500mm)×(≥16000mm)的板材，具備工業(yè)化批量生產(chǎn)能力。

針對(duì)超大規(guī)格板材制備國內(nèi)也提出了一些創(chuàng)新性的方法，比如西部金屬材料股份有限公司公布了“一種超大規(guī)格鈦合金板材的制備方法”，將多張鈦合金板坯組焊，然后進(jìn)行疊合軋制制備單重超過10t的超大規(guī)格鈦合金板材，制備的超大規(guī)格鈦合金板材成分均勻、無偏析，解決了因受鈦合金凝固時(shí)本身成分偏析的影響而無法制備出含易偏析元素的大規(guī)格鑄錠，從而無法制備出含易偏析元素的大規(guī)格鈦板的問題，同時(shí)還解決了因受熔煉設(shè)備的限制而無法制備超大規(guī)格鈦合金板材的問題；云南鈦業(yè)股份有限公司公布了一種“鋼鈦共線TC4鈦合金板坯一火軋制TC4鈦合金寬厚板的方法”，該方法提出利用鋼鐵廠鋼材軋機(jī)一火次軋制出TC4鈦合金寬厚板，寬厚板的尺寸范圍為：寬度3500-4500mm、厚度30-60mm、長度6000-12000mm，不需要專門添置專用軋鈦合金設(shè)備，在鋼鐵廠軋鋼間隙穿插生產(chǎn)即可，既實(shí)現(xiàn)了高效率生產(chǎn)，又可以低成本一火成材。

西部金屬材料股份有限公司公布了“一種超大規(guī)格鈦合金管材的制備方法”，該方法將多個(gè)鈦合金坯料單元依次進(jìn)行軸向疊層、點(diǎn)焊、真空封焊和熱等靜壓，得到超大規(guī)格鈦合金坯料，再將坯料經(jīng)過鍛造、沖孔、擠壓后獲得超大規(guī)格成品鈦合金管材，該方法可實(shí)現(xiàn)Φ600-1300mm超大規(guī)格鈦合金管材的制備。

3.2低成本制備技術(shù)

海洋工程裝備特別是艦船用鈦材的另一個(gè)特點(diǎn)是用量大，材料及其構(gòu)件的制備成本高會(huì)影響艦船的造價(jià)，這也是限制鈦材在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用的一大因素。導(dǎo)致鈦材價(jià)格高的主要原因一個(gè)是原材料生產(chǎn)成本高，另一個(gè)是鈦構(gòu)件的加工流程長、難加工等。傳統(tǒng)的海綿鈦采用鎂還原法，即用鎂還原TiCl4制備海綿鈦，這種工藝具有能耗高、生產(chǎn)周期長、需要大量金屬鎂作為還原劑等特點(diǎn)，導(dǎo)致海綿鈦生產(chǎn)成本高。近些年關(guān)于海綿鈦提取的新工藝也有大量的研究，包括劍橋法、電解法等，但均由于各種原因?qū)е缕涔I(yè)化生產(chǎn)難度較大，各大海綿鈦生產(chǎn)廠家仍然以Kroll法制備海綿鈦。而即使同樣是采用Kroll法，與國外的全流程海綿鈦生產(chǎn)工藝相比，國內(nèi)普遍采用的是半流程生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)成本更高。近年來，各大海綿鈦生產(chǎn)廠家也在積極興建全流程生產(chǎn)線，這將有利于國內(nèi)海綿鈦生產(chǎn)成本的降低。另外，我國高端鈦材產(chǎn)品要求采用金紅石型鈦精礦，而我國鈦精礦對(duì)國外依賴度非常高，這也是影響高品質(zhì)海綿鈦成本的又一因素。針對(duì)這一問題，我國已經(jīng)立項(xiàng)開展了采用國產(chǎn)鈦礦制備高品質(zhì)海綿鈦的工程化應(yīng)用研究工作，該項(xiàng)目的完成將有望提高我國海綿鈦的品質(zhì)并降低其成本。

寶雞鈦業(yè)股份有限公司在EB爐熔煉和添加返回料熔煉方面的研究起步較早，在單次EB熔煉TC4、TA17鈦合金扁錠時(shí)，塊狀返回料添加比例達(dá)70%-80%，鑄錠成分可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求。在EB+VAR熔煉方面也積累了大量的工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。云南鈦業(yè)股份有限公司采用EB單次熔煉純鈦鑄坯無鍛造直接軋制成卷帶，與傳統(tǒng)的鈦卷帶制造技術(shù)相比，取消了鍛造工序，生產(chǎn)成本降低了20%左右；采用VAR+EB雙聯(lián)法熔鑄TC4鈦合金，其熔煉成本與兩次VAR熔煉相比，成本降低了10%左右；采用VAR+EB工藝獲得TA31（Ti80）鈦合金圓形鑄錠，通過鑄坯直接斜軋穿孔制備出了Ф538mm×30mm大口徑無縫管，管材經(jīng)過900℃/1h/空冷退火處理后，抗拉強(qiáng)度為892MPa，屈服強(qiáng)度為825MPa，延伸率為11%，性能達(dá)到了傳統(tǒng)鍛坯工藝制管水平。鑄坯直軋工藝省掉了多火次鍛造及中間修磨工序，制坯周期縮短，原料到管坯的成材率提高約10%，加工成本降低約30%。

除了從鈦的冶金過程方面降低成本外，還有3個(gè)途徑可以降低鈦材的價(jià)格，第一種是在合金成分里面添加廉價(jià)合金元素，或是用廉價(jià)的元素替換昂貴的元素，比如采用Fe元素代替TC4里面的V元素等。西北院早期采用Fe-Mo中間合金代替TC4里面的V元素而設(shè)計(jì)了Ti8LC和Ti12LC合金，近期新研發(fā)了Ti-6432、Ti6411等低成本鈦合金；南京工業(yè)大學(xué)通過添加Fe，B等元素開發(fā)出了Ti-2Fe-0.1B、Ti-3Al-3.5Fe-0.1B等低成本鈦合金；寶雞鈦業(yè)股份有限公司開發(fā)了Ti-3111、BTi31、BTi-341、TC4LCA等多個(gè)低成本鈦合金牌號(hào)。第二種方法是通過縮短鈦材制備流程來降低成本，比如采用EB制備扁錠再直接軋制成板材，省略了傳統(tǒng)的采用VAR熔煉圓鑄錠再鍛造成板坯的工序；采用熱連軋制備管材，縮短了管材的制備流程并減少了繁多的中間工序所造成的損耗，從而降低管材的制造成本等。第三種方法是通過利用回收料來降低原材料的成本，采用EB熔煉或EB+VAR混合熔煉的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)殘廢料的回收。大量實(shí)踐表明，通過添加廉價(jià)合金元素來降低鈦材構(gòu)件成本的效果有限，因此近年來研究的重點(diǎn)聚焦于通過添加返回料和縮短加工流程來達(dá)到降低成本的目的。

西北院依托國家預(yù)研項(xiàng)目，開展了海水管路用鈦合金低成本鑄錠制備技術(shù)研究工作，采用返回料+EB+VAR的方法制備出了低成本的Ti75合金鑄錠，對(duì)鑄錠橫截面采用9點(diǎn)分析法進(jìn)行成分均勻性分析，結(jié)果表明鑄錠成分均勻性良好；依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，開展了基于大量返回料利用的低成本鈦合金材料設(shè)計(jì)及高效短流程技術(shù)開發(fā)，開發(fā)的Ti6411和Ti-6432低成本鈦合金返回料利用率超過95%，深入研究了這兩種合金的強(qiáng)韌化機(jī)理及腐蝕行為，獲得的雙態(tài)組織Ti-6432合金棒材具有良好的強(qiáng)韌性匹配，在抗拉強(qiáng)度1245MPa時(shí)沖擊功可達(dá)34J。項(xiàng)目組通過產(chǎn)業(yè)化高效短流程生產(chǎn)試制的Ti6411合金超寬幅中厚板具有良好的強(qiáng)韌性匹配，屈服強(qiáng)度大于930MPa，延伸率大于10%，斷裂韌性大于80MPa?m-2，應(yīng)力腐蝕斷裂韌性大于60MPa?m^-2。

3.3能源裝備用鈦合金無縫管制備技術(shù)

隨著能源開發(fā)向極地和海洋拓展，鈦合金油井管的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，成為高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等苛刻環(huán)境鉆采用管材的首選材料。國外針對(duì)鈦合金油井管的制備技術(shù)較為成熟，采用熱擠壓、熱軋、冷軋等工藝制備無縫管材均已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。根據(jù)我國SY/T6896.3-2016《石油天然氣工業(yè)特種管材技術(shù)規(guī)范第3部分：鈦合金油管》中對(duì)鈦合金油管的制造工藝要求，鈦合金油井管均是無縫管，其生產(chǎn)工藝主要有熱擠壓+定（減）徑（簡稱熱擠壓）、熱擠壓/斜軋穿孔+冷軋（簡稱冷軋）、斜軋穿孔+斜軋軋管/連軋軋管+定（減）徑（簡稱熱軋）。熱擠壓工藝適合制備直徑較小、長度短的管材，大規(guī)格高強(qiáng)鈦合金無縫管材對(duì)擠壓設(shè)備能力要求較高，大型擠壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)在（α+β）相變點(diǎn)以下溫度擠壓管材，在管材組織性能調(diào)控方面具有優(yōu)勢(shì)，但擠壓管表面質(zhì)量較差，再加上擠壓過程需要銅包套，制備工序復(fù)雜、流程長、成本高；冷軋生產(chǎn)工藝制備的管材表面質(zhì)量好、尺寸精度高，最大的缺點(diǎn)是由于鈦合金冷成型差、易開裂、每道次軋制變形量小、需要多次軋制和中間退火處理，導(dǎo)致加工周期長、能耗高、成材率低；熱軋方式是目前高強(qiáng)鈦合金無縫管材制備采用較多的工藝，具有流程短、效率高等特點(diǎn)，但因斜軋穿孔多在（α+β）相變點(diǎn)以上溫度進(jìn)行，使得管坯的晶粒尺寸粗大，通過后續(xù)軋制及定徑實(shí)現(xiàn)顯微組織的細(xì)小均勻控制較為困難，因此全流程調(diào)控管材的組織性能是該工藝的關(guān)鍵。

國內(nèi)寶雞鈦業(yè)股份有限公司、西北院、寶鋼集團(tuán)有限公司、天津鋼管集團(tuán)股份有限公司、七二五所、忠世高新材料股份有限公司等均在鈦合金無縫管制備方面開展了大量的研究工作。寶雞鈦業(yè)股份有限公司研制生產(chǎn)的油氣開采用TC4S合金高性能擠壓管完全滿足API5CT中P110鋼的性能指標(biāo)，已成功交付并使用。依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題，采用“擠壓+溫軋”和“擠壓+機(jī)加”兩種加工工藝試制了TC4鈦合金無縫管材，從整體力學(xué)性能上比較，“擠壓+溫軋”工藝制備的TC4鈦合金無縫管材更為優(yōu)異；但“擠壓+溫軋”工藝在實(shí)際生產(chǎn)過程中穩(wěn)定性較低，過程控制難點(diǎn)多，加工難度較大。“擠壓+機(jī)加”造成的材料損失較大，材料成本較高，生產(chǎn)同樣長度的成品管材需要較長的擠壓錠坯。

西北院、天津鋼管集團(tuán)股份有限公司、西北工業(yè)大學(xué)等單位在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，利用天津鋼管集團(tuán)股份有限公司的三輥連軋機(jī)，開展了高強(qiáng)韌Ti90合金無縫管材的研制工作。采用數(shù)值模擬軟件，對(duì)鈦合金在斜軋穿孔、軋制、張力減徑過程中的金屬流變行為、溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布等進(jìn)行了模擬仿真。通過對(duì)斜軋穿孔-軋制-定徑全流程數(shù)值模擬，獲得的管材尺寸及外形特征等模擬結(jié)果與實(shí)際管材張力減徑后的頭尾部外形特征高度吻合，有效地指導(dǎo)了熱連軋工藝參數(shù)調(diào)控。采用Ф210mmTi90合金棒坯，通過熱連軋成功制備出單支長度超過30m的超長高強(qiáng)韌Ti90鈦合金無縫管材，首次實(shí)現(xiàn)了900MPa級(jí)高強(qiáng)韌耐蝕鈦合金油管的工業(yè)化制備。管材經(jīng)過雙重退火熱處理后的顯微組織由細(xì)小的等軸α相、短棒狀α相及β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，管材室溫屈服強(qiáng)度可達(dá)925MPa，延伸率為18%，沖擊功可達(dá)58J，且在720h硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)過程中未發(fā)生斷裂，通過了NACETM0177-2016A法試驗(yàn)，達(dá)到了130Ksi強(qiáng)度級(jí)別的力學(xué)性能要求。

4、存在的問題

(1)缺乏對(duì)深海環(huán)境應(yīng)用的高強(qiáng)韌鈦合金的深入研究，對(duì)材料及構(gòu)件在服役條件下的失效形式及機(jī)理尚不清楚，仍需加大對(duì)適用于海洋苛刻環(huán)境的高耐蝕高強(qiáng)韌鈦合金及增材制造用鈦合金的研發(fā)。

(2)添加返回料是降低大規(guī)格鈦合金構(gòu)件生產(chǎn)成本的有效途徑，但目前針對(duì)該類產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)缺失，有待積累更多的數(shù)據(jù)，形成低成本鈦合金大規(guī)格構(gòu)件的評(píng)價(jià)方法。

(3)目前超大規(guī)格鈦構(gòu)件制備受限于設(shè)備能力，采用鋼廠設(shè)備不能滿足鈦合金的變形工藝需求，鈦合金無縫管材制備受管坯尺寸、管材規(guī)格和軋制孔型的限制，對(duì)軋制過程中變形速率、變形量等無法有效調(diào)控，使得鈦材的性能潛力不能充分發(fā)揮，對(duì)成品質(zhì)量的控制難度大，并且試制機(jī)會(huì)少、試錯(cuò)成本高，導(dǎo)致研制成本高，技術(shù)突破周期長。

(4)與艦船用鈦材配套的相關(guān)技術(shù)研發(fā)落后，特別是大型結(jié)構(gòu)件的焊接技術(shù)、殘余應(yīng)力控制技術(shù)、表面處理技術(shù)等，還需加大研發(fā)力度。

(5)對(duì)艦船及能源裝備用鈦合金材料的合金成分-加工工藝-組織-性能之間的定量關(guān)系研究不足。

(6)艦船及能源裝備用鈦合金大規(guī)格板材、管材等的探傷、殘余應(yīng)力等檢測(cè)技術(shù)需要進(jìn)一步提升。

5、結(jié)語

近年來我國在艦船與能源裝備用鈦方面從材料到工程應(yīng)用均開展了較多的研制工作，國家也以各種形式立項(xiàng)給予支持，研究人員在艦船及能源開采用鈦合金成分設(shè)計(jì)、大規(guī)格構(gòu)件制備、無縫管材制備等各個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，取得了顯著的成果。鈦合金作為“海洋金屬”，其寬幅化、大單重化制備技術(shù)的突破，標(biāo)志著我國已打破深海裝備材料“卡脖子”困局，為萬米級(jí)載人潛器、海底空間站等重大工程奠定了基礎(chǔ)。熱連軋具有效率高、流程短等特點(diǎn)，是發(fā)展?jié)摿^大的無縫管制備技術(shù)，但目前借用鋼管生產(chǎn)線設(shè)備不能滿足鈦合金的變形設(shè)置要求，而是材料去遷就設(shè)備，導(dǎo)致不能充分發(fā)揮鈦材的性能潛力，若能針對(duì)鈦材特點(diǎn)配置專有設(shè)備會(huì)獲得更高品質(zhì)的鈦無縫管材。隨著海綿鈦生產(chǎn)成本的降低及返回料添加技術(shù)的突破，再加上工程應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)積累，鈦材成本將會(huì)大幅降低，后續(xù)研究需關(guān)注低成本鈦合金在能源開采裝備中的規(guī)?；瘧?yīng)用，通過短流程熔煉近凈成形技術(shù)降低全生命周期碳排放，將更加有利于鈦材在海洋工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，亟需加大開展與艦船及能源裝備用鈦材應(yīng)用相匹配的配套技術(shù)的研發(fā)，從整體上提升鈦材應(yīng)用的配套技術(shù)能力，也期望國內(nèi)各研究院所及應(yīng)用單位共同努力，加快開展能源開采裝備用鈦合金無縫管材的應(yīng)用評(píng)價(jià)工作，形成能源裝備用鈦無縫管材的生產(chǎn)體系，從而推動(dòng)鈦材在海洋工程領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

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