1、前 言

海洋是 21 世纪世界政治、 经济和军事竞争的制高点, 海洋科学钻研、 海洋技术开发等已上升到列国最高档次的战术性规划与决策领域。。 钛金属轻质、 高强、 耐蚀, 尤其耐海水和海洋大气侵蚀, 是优异的海洋工程用轻量化结构资料, 对提高海洋工程设备的作业能力、 安全性、 靠得住性及战术水平拥有极度重要的意思。。 我国海洋工程用钛金属资料经过 50 余年的发展, 已经获得了很大的进取, 具备齐全的工业系统, 初步形成了由低到高分歧强度级此外钛合金资料系统, 其制备加工设备的水平与世界处于统一水平 [1] 。。 但同美、 俄、 日等海洋强国相比, 我国在海洋工程用钛合金的基础钻研、 制备加工技术、 利用技术、 钛设备和部件的设计与制作技术以及相应的配套技术等各个环节还有待提高 [2, 3] 。。 党的十九大汇报指出: “对峙陆海两全, 加快建设海洋强国”。。 在海洋强国战术、 《中国制作 2025》打算和“一带一路”战术的共同推动下, 海洋工程产业迎来巨大的市场空间。。 “蛟 龙号”“深海勇士号”“全海深载人潜水器”和“深？？占湔尽钡裙戎卮笙钪髡怕叫舳, 为钛合金资料在海洋工程上的推广利用提供了最佳的发展机遇。。

本文综述了我国近年来海洋工程用钛合金的发展战术和平台建设、 领域热点和重点问题、 重大项目支持打算以及在基础和利用钻研领域获得的重要成就, 对存在问题和发展趋向进行了分析, 以期推动钛合金在我国海洋工程领域越发宽泛的利用, 并为钛合金研发人员及海洋工作者提供有关借鉴。。

2、顶层规划和平台建设

2.1 顶层规划

中国工程院在2013 年由周廉院士作为掌管人, 别离启动了“中国海洋工程资料研发近况及发展战术初步钻研”征询项目和“海洋工程中关键资料发展战术钻研”重点征询项目。。 钛合金资料作为这两个征询项主张重要组成部门, 由漯河工业大学牵头, 结合我国钛合金研发、出产和利用的骨干单元, 历时 3 年, 以现场调研、 文件调研和学术钻研等大局, 系统地发展了国内外海洋工程领域用钛合金的研发、 出产和利用近况的调研工作, 实现了《中国海洋工程资料发展战术征询汇报》中的钛金属资料部门和《海洋工程钛金属资料》编写, 并建议了海洋工程用钛合金的发展路线图, 规划了重点的钻研方向。。

基于此, 2019 年, 在科技部“海洋领域面向 2035 年国度中持久科技发展规划战术政策”钻研 ＆ 第六次国际技术预测工作中, 也拟将海洋设备用长效高机能轻量化结构资料及衔接技术列入关键技术, 钛合金资料作为海洋设备轻量化资料的典型代表, 将会受到充分的器重。。

2.2 平台建设

为推动我国海洋资料产业技术创新工作, 加快成立以企业为主体、 市场为导向、 “产学研用”缜密结合的技术创新系统, 实现技术创新成就的急剧工程化, 推动海洋资料行业结构调整升级, 提升行业主题竞争力, 推进我国海洋资料产业可持续发展, 在周廉院士的推动下,2016 年 6 月在武汉成立了“中国海洋资料产业技术创新战术联盟”, “钛合金资料及其在海洋工程中的利用”是战术联盟的重要分盟之一。。 该分盟集中了军方、 设计所及国内研发和出产优势单元, 指标在于寻求钛合金在海洋工程利用领域获得突破。。 同时, 凭据中国工程院征询汇报的建议和周廉院士的大力提倡和推动, 我国各处所当局萦绕钛合金在海洋工程的利用, 先后成立了若干研发平台。。 2015 年, 江苏省海洋先进资料工程技术钻研中心在漯河成立, 海洋设备用金属资料及其利用国度重点尝试室在鞍山成立；；； 2018 年, 先进钛及钛合金资料技术国度处所结合工程钻研中心在洛阳成立。。 这些与海洋工程钛合金资料亲昵有关的国度和处所研发平台的建设,将为我国海洋工程用钛合金的研发和利用提供优良的合作平台。。

2.3 学术活动

为了推动海洋工程资料, 出格是海洋工程用钛合金资料领域的学术互换及人才造就, 在周廉院士的提倡、建议和推动下, “新资料国际发展趋向高层论坛”“海洋资料与侵蚀防护大会”“中国海洋资料顶峰论坛”“第一届水师设备侵蚀节制及新资料发展论坛”等一系列高端学术会议相继召开, 会议影响力逐步扩大, 参会人员逐年增长。。 海洋工程用钛合金作为会议主题的重要组成部门,受到越来越多科研人员的关注, 也为海洋工程用钛合金资料得到国度有关部委的器重起到了积极的作用。。 同时,周廉院士极度器重青年人才的造就工作, 在漯河、 西安等地陆续进行“钛合金暑期培训班”活动, 约请国内钛合金领域的驰名专家为在校硕士钻研生、 博士钻研生及青老大师免费授课, 为我国钛合金行业, 出格是海洋钛合 金领域人才梯队的造就和建设阐扬了重要作用。。

3、领域热点和重点问题

3.1 海洋工程钛合金资料系统

钛合金是我国“三航”发展的基础关键资料。。 目前我国在航空航天钛合金方面都有大量的堆集, 开发了覆盖600~1500 MPa 强度级此外钛合金的多个合金序列, 根基可满足我国在航空航天领域的需要, 但我国海洋工程用钛合金资料不成系统, 不足海洋服役环境下的适应性钻研, 导致“点式利用”为主, 用量也极少。。 到目前为止,我国海洋钛合金尚未形成公认的资料系统, 并且钛合金的数据堆集尚不能齐全支持我国海洋工程关键设备的选材需要。。 出格是针对目前海洋设备走向深！！ 远：土郊闹副, 并无合用于深！！ 两极等刻薄服役环境的专用商标钛合金, 急需借助高效资料设计开发伎俩添补空缺, 满足我国深！！ 远：土郊こ谭⒄沟囊。。 集成推算资料工程技术拥有开发周期短、 筛选样本数多、 合金成分领域广等利益, 近年来在资料设计、 开发和机能优化方面阐扬了巨大的作用。。 高机能钛合金多为四元及以上复杂合金系统, 仅实现资料的系统确定、 成分优选等必要过程, 就必要经历较长的开发周期和大量的设计开发成本。。 以典型的 Ti-6Al-4V 系统为例, 微量 Fe, Mo合金元素和 C, H, O, N 等杂质元素, 均会对资料组织、焊接机能、 服役机能等产生直接影响。。 例如通过第一性道理推算揭示了钛合金中 O 原子溶质强化造成螺位错核间隙地位旋转大幅提升其力学机能(屈服强度、 塑性等)的机制 [4] 。。 利用第一性道理推算、 分子动力学仿照、 有限元仿照等介观、 微观、 宏观的跨尺度仿照, 可预测资料原子、 分子、 相、 组织、 机能等分歧层面的资料基础机能及微观作用机制, 为资料成分、 组织、 机能等优化提供肯定的借鉴。。 针对目前海洋工程用钛合金可选商标稀少、 选择准则缺失、 基础数据堆集不及等问题, 利用大数据技术、 集成推算资料工程技术开发海洋工程用钛 合金是目前钛合金领域重要的研发方向之一。。

3.2 海洋工程用钛合金制备加工新工艺开发

海洋工程、 海洋设备等用钛量的持续增长, 对我国钛合金加工制备新工艺的开发和制作成本的进一步降低提出了更高的要求。。 在周廉院士“把钛合金用到海洋中、将钛合金的价值降低一半以上”的提倡下, 目前国内重要钛合金出产企业及研发机构已积极发展降低成本、 优化传统工艺、 开发先进新工艺的工作。。 传统的钛合金制备加工工艺露出出了过程能量损失大、 节制精度差、 出产制作效能低等诸多问题, 因而亟需开发拥有颠覆性、 开创性的新工艺。。 例如短流程工艺、 陆续铸造工艺、 高效辅助冶炼工艺、 增材制作工艺、 近净成型工艺、 在线组织调控工艺等, 均可在钛合金的加工、 制作的单个环节或多个环节中实现海洋工程用钛合金的加工效能、 制品质量等方面质的飞跃。。 此外, 由于钛合金的导热机能差,造成其焊接过程中热量散布不均, 进而导致其焊接组织粗壮、 均匀性差、 亚稳相含量高、 焊缝母材机能匹配性低等, 这些问题一向是钛合金衔接方面有待解决的关键技术问题。。 因而, 目前亟需发展在线热处置焊接工艺和免热处置大型结构体焊接工艺技术等来满足我国将来大型设备建造过程的必要。。

3.3 海洋工程用钛合金的服役机能优化

钛及钛合金在海洋工程中的利用比例逐年提高。。 相较于传统的铁基合金, 钛及钛合金在深；；；肪诚虏灰撞质 [5, 6] , 作为深海管道资料耐侵蚀能力强, 可大大削减守护和修理用度 [7] 。。 钛合金材质的深海工程设备在深海中服役时, 不仅会受到海水侵蚀, 同样亦受到海水静水压力、 海水流速、 温度等诸多综合成分的影响, 因而钛合金的侵蚀行为与浅层海水或通例水溶液中的侵蚀大为分歧。。 因而, 对于深；；；肪呈褂玫念押辖, 为了满足其特殊的服役环境及要求, 对资料机能提出了很高的要求。。 所以钻研深海怪异的侵蚀环境以及钛合金在深；；；肪诚绿厥獾那质葱形盎矶杂谏詈４笮蜕璞浮 重大工程等的服役机能评测拥有重要意思 [8] 。。 此外, 分歧于钢铁资料, 钛合金在深海高静水压力作用下会产生高压压缩蠕变, 从而导致其产生塑性变形, 导致重大设备的结构失稳等系列问题。。 但是, 目前综合思考蠕变和侵蚀双重成分对钛合金机能影响的钻研还未有报道。。 为满足将来重大海洋工程设备需要, 亟需发展服役环境成分与钛合金使用机能的耦合机制钻研。。

4、重大项目支持打算

钛合金由于拥有质轻、 耐蚀和高强的个性, 是建造深空站主体、 深潜器和潜艇结构的首选资料。。 国度在海洋工程用钛合金领域支持了一系列重大项目。。 作为深海资源开发和海洋安全守护平台的深？？占湔, 已被国务院印发的《“十三五”国度科技创新规划》作为面向 2030年部署的 6 个别现国度战术意图的重大科技项目之一。。

该项目重要发展深海探测与作业前沿共性技术及通用与专用型、 移动与固定式深？？占湔局魈夤丶际醯确矫孀暄, 周廉院士也被委以重任, 作为资料方面的责任专家参加该项目。。 在深潜器用钛合金方面, “蛟龙”号载人潜水器是“十五”期间国度“863”打算重大专项“7000 m 载人潜水器”的重要成就, 其设计最大下潜深度为 7000 m。。该项目于 2002 年立项, 2008 年实现设备研制工作, 随后又先后获得科技部“973”打算、 中国科学院深海先导打算和国度天然科学基金委南海深部打算等国度重要科技打算的支持, 并于 2017 年获得国度科技进取一等奖。。2015 年 12 月国度“863”打算项目“4500 m 深潜器用 TC4ELI 钛合金载人球壳制作技术”通过验收, 该项目研制的载人球舱已被优选装置在“深海勇士”号载人深潜器上,实现了 4535 m 的海试。。 “全海深载人潜水器用钛合金载人舱研制”是我国“十三五”部署的首批国度重点研发打算项目。。 该潜水器建成后, 将在覆盖世界最大深度(约1.1 万米)的海洋实现载人下潜并进行科考作业, 是深海进入能力的顶级体现, 是继“深海勇士”号之后, 由我国自主设计、 自主研制和加工制作, 作业领域可覆盖世界所有海域的载人潜水器。。 2017 年, 中国船舶重工集团702 所承担了国度重点研发打算“深海关键技术与设备”的重点专项“深海设备耐压结构体、 资料耐压个性及评估 技术钻研”项目, 拟成立深海设备钛合金耐压结构安全性评估步骤, 进而对我国现役及在研的深海载人潜水器等大型深海设备耐压结构持久服役的安全性评估提供技术支持。。 由云南钛业股份有限公司牵头的国度重点研发打算项目“低成本高耐蚀钛及钛合金管材与高品质钛带制作技术开发及利用”, 拟解决管材加工及复杂海洋环境利用过程中微观组织-综合机能-残存应力-耐蚀机能协同节制等关键科学问题, 构建复杂海洋环境服役前提下钛及钛合金管材耐侵蚀机能评价系统。。

为相识决海洋工程用钛合金成分设计、 加工制备、焊接和机能评价等关键技术和共性技术问题, 国内从事海洋工程用钛合金钻研的优势单元强强结合, 拟以“集中力量办大事”的方式, 系统解决海洋工程用钛合金中的有关基础问题。。 此外, 为了提升国防和水师设备水平, 军方也陆续颁布了“十三五”设备预研和科研项目, 针对舰船用钛合金发展有关基础和利用钻研。。

5、海洋工程用钛合金钻研成就

5.1 成分设计

针对海洋工程对钛合金高强、 耐冲击、 耐侵蚀和焊接性的需要, 国内团队开发设计出了多种新型合金。。 其中,漯河工业大学以廉价 Fe 元素改性为主, 开发出了低成本高强韧的 Ti-3Al-3.5Fe-0.1B 合金, 屈服强度≥1000 MPa,延长率≥15％ [9] ；；； Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe(Ti-35421) 合金, 抗拉强度为 1313 MPa, 屈服强度为 1240 MPa, 延长率为 8.62％, 断面收缩率为 17.58％, 断裂韧性 K 1C 为75.8 MPa·m^1/2 , 在 3.5％ NaCl 溶液中的应力侵蚀敏感性小, 占有较好的耐侵蚀性 [10] 。。 哈尔滨工业大学通过增长Zr, Mo 元素开发了钝化能力提高的耐蚀钛合金, 蕴含Ti-5.5Al-4Zr-1Sn-0.3Mo-1Nb 合 金 [11] , 屈 服 强 度 为987.62 MPa, 极限应变量为24.64％, K 1C 为71.29 MPa·m^1/2 ；；；Ti-5.5Al-3Nb-3Zr-1.2Mo-0.3Ni 合金 [12] , 压缩屈服强度为808.05 MPa, 极限应变量为 23.42％。。 西北有色金属钻研院以可焊性为重要思路, 开发了高强韧海洋工程用Ti-Al-Zr-Mo-Cr-Nb 系 可 焊 钛 合 金 [13] , 屈 服 强 度 >900 MPa, 延长率>13％, K 1C >75 MPa·m^1/2 , 且经电弧焊或电子束焊后的焊接接头系数≥0.9。。 中国船舶重工集团725 钻研所针对现有高强钛合金焊接处冲击韧性较低的特点, 开发了高强高冲击韧性的耐蚀可焊钛合金 [14] , 他们利用 Al, Mo, V, Nb, Cr, Zr 等元素, 调控合金的铝当量[Al] 当 ≥6, 钼当量[Mo] 当 ≤8, 使合金锻件与板材的抗拉强度>1060 MPa, 屈服强度>980 MPa, 冲击功>40 J, K 1C >80 MPa·m^1/2 , 且焊接系数>0.9。。

5.2 服役机能

针对钛合金在海洋多场耦合服役环境下面对的重要失效大局, 国内钛合金研发单元发展了钛合金低周委顿 [15-18] 、 应力侵蚀 [19-21] 和高压蠕变 [22, 23] 等方面的钻研工作。。 应力水平较高时的低周委顿机能是海洋工程设备耐久性的重要指标。。 对 TC4 ELI 合金的低周委顿机能钻研发现: 在最大应力水平下, 分歧组织的 TC4 ELI 合金均阐发出显著的循环软化景象, 相比于片层组织, 双态组织拥有越发优异的委顿机能, 这重要是由于双态组织中位错的有效滑移距离远小于片层组织, 此外拥有高位错密度的等轴 α 相的存在也故障了委顿裂纹的萌生和扩大。。 对断口描摹的扫描电镜分析发现: 拥有双态组织的试样委顿断口平坦光滑, 而片层组织的试样断口则出现了与原始粗壮的 β 晶粒有关的几何形刻面 [15] 。。 上：Ｑ蟠笱Ф杂谇痹诘目捎糜谌Ｉ钤厝瞬盏 TB19 资料的低周委顿机能钻研发现, TB19 拥有比 TC4 ELI 合金更好的低周委顿机能 [16] 。。 对可用于深海载人探测器的 TC4 ELI 合 金, 得到了其保载功夫与委顿机能的关系曲线, 为后续钻研预测 TC4 ELI 的服役功夫提供了理论凭据 [17] 。。 另一方面, 通过成立数学模型, 开发了较为正确的、 通过单一试验参数来预估 TC4、 IMI834 等钛合金委顿及低周委顿机能的步骤 [18] 。。

针对钛合金应力侵蚀的特点, 漯河工业大学对强度级别在 1200 MPa 级的 Ti-35421 合金的应力侵蚀开裂行为和钝化膜自修复行为进行了钻研 [19] 。。 Ti-35421 合金存在强韧性匹配等问题, 拥有肯定的应力侵蚀敏感性, 在空气(A)和 3.5％NaCl 溶液(SSRT)中的 3 种分歧应变速度下应力侵蚀敏感性指数排序为: I_A (1.67×10-5mm/s) >I_A (5.00×10 -5mm/s) >I_A (1.33×10-5mm/s)；；； I_SSRT(1.67×10-5mm/s)>I_SSRT(5.00×10-5mm/s)>I_SSRT(1.33×10-5mm/s),出现随着应变速度的降低先上升后降落的趋向。。 1.67×10-5mm/s 速度下, 应力侵蚀敏感性最高, I_SSRT为 0.2786,I_A 为 27.27％, 判断 Ti-35421 合金在 3.5％NaCl 溶液中存在产生应力侵蚀的可能性, 宏观断口描摹阐发为脆性断裂, 微观上韧窝较浅, 出现平台区域, 为准解理断裂描摹。。 在较慢的应变速度下, 无显著的钝化膜分裂修复行为, 侵蚀是造成断裂的重要原因；；； 在中等应变速度下,应力-化学交互作用提高了 Ti-35421 合金的应力侵蚀敏感性, 且在钝化膜危险、 出现裂纹后, 随着功夫的耽搁造成的中伤也越来越大, 电位降落, 危险修复功夫耽搁。。

而在对钝化膜自修复行为钻研时发现, 无压应力前提下,溶化氧浓度高有利于钝化膜的自修复过程发展。。 在较大外加压应力作用下, 随着压应力的增长划痕造成的中伤增长, 同时钝化膜修复功夫显著增长。。 分歧压应力下Ti-35421 合金划痕试验时的电流-功夫变动曲线, 总体出现出和无压应力作用下一样的趋向, 再钝化也分为Ⅰ-暂态阶段、 Ⅱ-暂态、 稳态转变阶段、 Ⅲ-不变动 3 个阶段。。

随着压应力的增长, 划痕所引起的电流越来越大, 当压应力为 5 MPa 时, 划痕电流增长至 5.05 mA·cm^-2, 当压应力为 10 MPa 时, 划痕电流增长至 11.73 mA·cm^-2, 当压应力为 20 MPa 时, 划痕电流增长至 20.66 mA·cm^-2。。钝化膜自修复功夫由 20 ms 增长到 500 ms, 出现数量级差距。。

深；；；肪诚, 资料持久处于靠近屈服强度的压应力下, 导致了资料内部产生部门应力集中和结构体宏观应力分配不均等景象。。 相较于传统钢铁资料, 钛合金由于其轻质的个性可提供更高的容重比, 在深海重大工程设备中能够作为耐压结构的资料进行使用, 但在长功夫压缩应力作用下的形变累积效应, 导致结构体的安全性和不变性降落。。 因而近年来已在钛合金高压压缩蠕变方面发展了先导性钻研 [21-23] 。。 在室温下对 Ti80 和 TC4 两种钛合金进行高压压缩蠕变尝试时, 发现这两种钛合金在室温压缩蠕变过程中均存在较大的应力阈值。。 当外加应力低于应力阈值时, 蠕变曲线存在蠕变饱和景象, 之后蠕变变形量险些不再增长；；； 当外加应力高于应力阈值时,蠕变曲线出现稳态蠕变阶段。。 蠕变速度对外加应力有着很强的敏感性, 随外加应力增长, 蠕变速度与蠕变变形量都有显著的增长 [21] 。。 Ti80 合金在室温下压缩蠕变前后的 TEM 照片显示, 合金经 610 MPa 应力下压缩蠕变尝试后, α 相内的位错密度提高, 大量的位错塞积在相界和晶界处, 形成了位错网。。 位错网会故障位错的活动, 并且在 610 MPa 下, 没有新的可移动位错天生, 这使得初始阶段的蠕变速度越来越慢, 最终达到蠕变饱和, 险些不再产生蠕变变形。。 当外加应力提高到 780 MPa, 发现 α相内的位错数量和位错密度急剧增长。。 高应力下多个方向的滑移系被激活, 柱面和锥面滑移开动, 天生了新的可移动位错, 使得蠕变变形持续进行下去, 达到稳态蠕变阶段。。 通过 TEM 分析, 以为 Ti80 钛合金蠕变变形重要是由 α 相内位错滑移导致的 [22] 。。

6、存在问题和发展趋向

经过近几年的发展, 我国海洋工程用钛合金研发和利用已经获得了长足的进取, 但依然存在诸多问题亟待解决, 重要蕴含:

(1)成本问题。。 经济性仍是制约钛合金在海洋工程领域推广利用的“阿喀琉斯之踵”。。 若何在保障质量的前提下, 降低钛合金成本是重中之重。。 低成本钛合金的成分设计、 回收料的利用、 短流程技术的开发及高效的焊接技术, 都是突破经济性的有效伎俩。。

(2)商标杂乱。。 俄罗斯的海洋工程用钛合金以易焊接、 焊后不预热为发展方向, 美国以军民通用为重要准则, 而我国在强度级别之外, 至今没有形成海洋工程用钛合金资料系统的主攻方向, 必要针对设备、 管路、 耐压壳体等的利用属性制订分歧的合金系统。。

(3)规格型号不及。。 宽厚板、 大口径无缝管等大尺寸钛合金产品加工技术尚不成熟, 批次不变性有待进一步提高。。

(4)基础钻研不及。。 对合金元素和杂质元素以及组织、 描摹等对合金机能的影响不足定量化描述, 对多场耦合前提下(侵蚀介质、 应力、 温度等)钛合金的重要失效大局和防护技术的钻研不足。。

(5)设计和评价步骤缺失。。 不足钛质设备的设计步骤, 不足使用及评价有关的规范和尺度。。

7、结 语

相比于钢铁、 铜合金、 复合伙料等海洋工程资料,钛合金仍属于小众金属, 但随着我国海洋设备向深！！⒃逗＜傲郊⒄, 钛合金轻质耐蚀的个性对设备的安全性和靠得住性提供了巨大的保险。。 我国钛合金科技工作者应抓住机缘, 夯实基础, 在关键技术领域实现突破, 为我国经济发展和国防力量建设做出应有的贡献。。

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