引言
隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類面臨著資源短缺的難題?？v觀全球，現(xiàn)有陸地能源與礦物資源的枯竭，已是為期不遠(yuǎn)的可怕現(xiàn)實(shí)。而占地球表面積約71%的藍(lán)色海洋，可提供充足的食物和醫(yī)藥原料，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)儲(chǔ)量以及占全球總儲(chǔ)量約1/3 的石油、天然氣；而海洋潮汐、海上風(fēng)能和太陽(yáng)能等的開發(fā)和利用，將為人類活動(dòng)提供可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力[1]。
開發(fā)海洋需要各種裝備，而任何裝備功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于材料技術(shù)。海洋和陸地不同，海水與海洋大氣中含有氯化物和硫化物，對(duì)機(jī)械裝置材料腐蝕作用很大，而深海海水的強(qiáng)大壓力，需求設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，否則會(huì)出現(xiàn)失效。故海洋工程用設(shè)備構(gòu)件，特別是在大深度海水中作業(yè)的構(gòu)件，需要選用比強(qiáng)度高，比韌性好、耐海水腐蝕的材料加工制造[2]。
1、鈦在海洋工程應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)
鈦，被稱為“海洋金屬”，其質(zhì)輕、高強(qiáng)、無磁、耐蝕，特別突出的是耐海水和海洋大氣腐蝕，是優(yōu)異的輕型結(jié)構(gòu)材料，尤其適用于作輕型海工裝備用材。鈦合金棒、鈦合金管等鈦及鈦合金在海洋工程中在推廣應(yīng)用，對(duì)提高海洋工程裝備的作業(yè)能力、安全性、可靠性及技戰(zhàn)術(shù)水平具有十分重要的意義，是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略材料之一[3]。
與鋼鐵、不銹鋼、銅、鋁等常用材料相比，鈦材最突出的特點(diǎn)是密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)；同時(shí)還具有優(yōu)良的耐海水沖刷、無磁性、無冷脆性、高透聲系數(shù)及有優(yōu)異的中子輻照衰減性能。在塑性成形、鑄造、焊接等方面，與其他常用金屬材料一樣，可以采用常規(guī)的方法進(jìn)行加工成形，因而使鈦金屬材料對(duì)各類海洋工程具有廣泛的適用性。
2、國(guó)內(nèi)海洋工程用鈦合金分類、性能特點(diǎn)及應(yīng)用
自 20 世紀(jì)90 年代以來，我國(guó)自主開發(fā)了多種海洋工程專用鈦合金。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)海洋用鈦的研究及應(yīng)用水平有了很大提高，已形成較為完善的合金體系，按合金屈服強(qiáng)度，可大致分成三個(gè)等級(jí)：1) 低強(qiáng)鈦合金(500 MPa 以下)；2) 中強(qiáng)鈦合金(500~800 MPa)；3) 高強(qiáng)度鈦合金(800 MPa 以上)。
低強(qiáng)鈦合金主要有工業(yè)純鈦(TA1-TA3)、TA9、TA10、TA16 等；中強(qiáng)鈦合金主要有：TA17、TA22 (Ti-31)、ZTA5、TA5-A、TA18、ZTi60、TA23 (Ti-70)、Ti-91、TA24 (Ti-75)等；高強(qiáng)鈦合金主要有：ZTC4、TC4、TC4ELI、Ti80、TC10、TC11、TiB19、TB9 等。
表1 為我國(guó)海洋用鈦及鈦合金及其性能。
由于鈦及鈦合金自身所具備的特性，使其在艦船以及海工裝備的應(yīng)用上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇以及螺旋槳推進(jìn)器、海水管路、冷凝器、熱交換器等。如，我國(guó)的“和諧”號(hào)深海載人深潛器載人球殼的材料就是鈦合金；美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)深潛器的載人球殼的材料也是鈦合金。此外，鈦還具有無磁性，能夠提高探測(cè)儀器及工具的抗磁干擾能力，減小設(shè)備裝備的磁物理場(chǎng)效應(yīng)，增加隱蔽性，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，這使其在艦船上的應(yīng)用潛力進(jìn)一步被發(fā)掘出來。
4、我國(guó)海洋用鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，我國(guó)海洋用鈦合金雖然已形成了較為完整的體系，但很多合金尚停留在研發(fā)試制階段，存在產(chǎn)業(yè)化水平低、應(yīng)用不足的問題，與俄羅斯、美國(guó)、日本等國(guó)相比，還有較大的差距。
我們認(rèn)為主要有以下幾點(diǎn)原因：
1) 沒有形成設(shè)計(jì)院所、材料研究機(jī)構(gòu)、部件成型及應(yīng)用性能研究單位、艦船建造企業(yè)之間的有效協(xié)調(diào)合作機(jī)制，造成目前的應(yīng)用還處于零星分散的狀態(tài)，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)并沒有掌握。
2) 海洋工程結(jié)構(gòu)件建造規(guī)則還不完善，且缺少材料標(biāo)準(zhǔn)。
3) 在海水及海洋工況中條件下，長(zhǎng)期應(yīng)用的性能數(shù)據(jù)支撐不充足。
4) 加工設(shè)備能力不夠，產(chǎn)品規(guī)格小，主要是缺少大型管材加工設(shè)備，目前海洋用大口徑鈦合金管材還不能生產(chǎn)，不能完全滿足海洋用鈦大型構(gòu)件的需要。當(dāng)前平臺(tái)的結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵部件及設(shè)備均從國(guó)外進(jìn)口。
5) 工程化應(yīng)用不足，鈦加工技術(shù)進(jìn)步緩慢，造成材料生產(chǎn)成本很高。
5、未來海洋工程用鈦材的發(fā)展建議和展望
為了促進(jìn)鈦以及鈦合金未來能夠在海洋工程應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，建議：1) 將海洋工程用鈦納入國(guó)家新材料發(fā)展專項(xiàng)，建立海洋工程用鈦合金材料及技術(shù)研究、應(yīng)用研究及評(píng)價(jià)平臺(tái)，大力推動(dòng)海洋工程用鈦材料的跨越式發(fā)展，提升我國(guó)海工裝備的技術(shù)水平升級(jí)和發(fā)展；2) 從國(guó)家層面推動(dòng)海洋工程用鈦設(shè)備的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、技術(shù)體系、應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；3) 深化對(duì)現(xiàn)有鈦合金的研究，并開展新工藝和新技術(shù)研究，著重解決焊接、成型、表面處理等工程應(yīng)用技術(shù)問題，大力開發(fā)鈦合金低成本化生產(chǎn)技術(shù)；4) 優(yōu)化和完善我國(guó)船用鈦合金體系，建立船用鈦合金性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為海洋工程用鈦及鈦合金的選材提供豐富的數(shù)據(jù)支持；5) 加大對(duì)鈦合金生產(chǎn)企業(yè)的投資力度，加快鈦合金加工企業(yè)的裝備向高精化、自動(dòng)化、大型化的改造進(jìn)程。
目前，海洋用鈦合金材料的用量?jī)H占約2%，如果我國(guó)能達(dá)到俄羅斯艦船用鈦量15%~20%的比例，船用鈦的市場(chǎng)需求量將會(huì)非常龐大，保守估計(jì)鈦的市場(chǎng)應(yīng)該在千億元左右。石油勘探與開采領(lǐng)域是鈦合金應(yīng)用的又一個(gè)具有巨大潛力的目標(biāo)市場(chǎng)，僅一座海上石油鉆井平臺(tái)用鈦量就可達(dá)到1500~2000 噸。根據(jù)規(guī)劃，我國(guó)未來3~5 年將建設(shè)70 座左右的海上石油鉆井平臺(tái)，如果采用鈦材料，鈦的用量將會(huì)達(dá)到14 萬噸左右。此外，在海水淡化以及濱海電站方面，由于我國(guó)目前海水淡化以及濱海電站市場(chǎng)需求巨大，在進(jìn)一步降低鈦合金成本以及提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的情況下，鈦的市場(chǎng)應(yīng)用前景將非常廣闊。
6、結(jié)語
1) 我國(guó)海洋用鈦合金雖然已形成了較為完整的體系，且鈦及鈦合金在我國(guó)航洋工程上已經(jīng)有了較多的應(yīng)用，但與俄羅斯、美國(guó)、日本等國(guó)相比，還有較大的差距，需進(jìn)一步加快海洋用鈦的研發(fā)、應(yīng)用步伐，以提升我國(guó)艦船及海工裝備的發(fā)展水平；
2) 我國(guó)海洋用鈦材的需求量巨大，市場(chǎng)前景廣闊，有很大的發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn) (References)
[1] 范麗穎, 劉俊玲, 安紅(2006) 鈦在海洋工程上的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望. 中國(guó)金屬通報(bào), Z2, 25-28.
[2] 周廉, 等(2014) 中國(guó)海洋工程材料發(fā)展戰(zhàn)略咨詢報(bào)告. 化學(xué)工業(yè)出版社, 北京.
[3] 王鎬, 李獻(xiàn)軍(2012) 鈦在海洋工程應(yīng)用的最新進(jìn)展. 中國(guó)鈦業(yè), 1, 11-14.
相關(guān)鏈接
