人類在陸地上活動發(fā)展至今，面臨著人口劇增、資源枯竭、能源危機、環(huán)境惡化等基本問題。而海洋占地球表面積的71％，蘊藏著豐富的礦藏和能源，因此海洋空間與資源不僅是世界軍事和經濟競爭日益激烈的重要領域，而且將成為人類賴以生存、社會藉以發(fā)展的戰(zhàn)略空間和基地。大力開發(fā)海洋是人類的必然選擇，海洋在21世紀及未來必將成為激烈的國際競爭場所。

我國有18000km海岸線，有300萬km2的專屬管轄海域，資源豐富。因此開發(fā)海洋關系到國家經濟、社會的發(fā)展，關系到國家主權和權益，是21世紀我國面臨的重大課題。隨著海洋意識的覺醒，我國也開始并不斷重視海洋開發(fā)。十六大提出了“實施海洋開發(fā)”；十七大五中全會把發(fā)展海洋經濟提高到國家戰(zhàn)略的高度；十八大指出“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”，并將海洋作為未來陸、海、空、天四大戰(zhàn)略空間的首位。

船舶是人類認知海洋、開發(fā)海洋、利用海洋、維護海洋權益的基礎裝備與手段，船舶技術對世界市場的形成、國際貿易的增長、工業(yè)化的拓展、刺激科學技術(特別是軍事技術)的發(fā)展，起到了重要的牽引作用。因此，我國要實現(xiàn)“建設海洋強國”的目的，增強控制海洋、維護海洋權益和疆土完整的綜合制海能力及開發(fā)利用海洋空間的能力，必須大力發(fā)展先進船舶技術和材料。

鈦及鈦合金具有重量輕、比強度高、耐蝕、無磁、透聲、抗沖擊等特性，尤其是在如海水、海洋那樣的氯化物氣氛中具有優(yōu)異的耐蝕性。在船舶上應用可以減少艦船的維修成本和壽命周期成本，減輕船體的重量、增加有效載荷、提高艦船的可靠性和戰(zhàn)術性，是船舶工業(yè)的理想材料。

1、鈦及鈦合金作為造船材料的優(yōu)點

1.1質輕、比強度高

比強度是指材料強度與密度的比值。比強度越大，以相同強度設計就能獲得更小的結構重量，反之相同結構質量下就能獲得更高的強度。根據(jù)需要，就可實現(xiàn)減重或減體積。如表1，在常用金屬材料中，鈦及鈦合金具有最高的比強度，這對實現(xiàn)船舶工業(yè)具有重要的意義，如用鈦制造的潛艇，不僅重量輕、航速高、攻擊力強，而且可以潛入更大的深度。鈦制潛艇，可潛入到4500m以下，這是鋼制潛艇無法逾越的界限”。

1.2耐蝕性好

鈦在中性和氧化性氣氛及眾多惡劣環(huán)境中具有比其他常用金屬材料高得多的耐腐蝕性，特別是對氯離子具有很強的抗腐蝕能力，在海水中具有完全耐腐蝕的能力。用鈦制造軍艦、輪船，不用涂漆，在海水中航行幾年也不會生銹，能避免涂油漆等產生的維修費用和船舶自重，使用年限長。

1.3無磁性

鈦不是鐵磁體物質，在很強的磁場中也不會被磁化，因此鈦制外殼的艦艇不易被對方磁探儀發(fā)現(xiàn)，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有很好的反監(jiān)護作用，這在軍事上特別重要。

1.4優(yōu)良的耐熱和耐低溫性能

鈦的耐熱性和耐低溫性能良好。目前的熱強鈦合金最高使用溫度可達500℃～600℃，結構鈦合金的使用溫度也可達到300℃～400℃，同其它輕質材料如鋁、鎂合金比較，在300℃時，鈦的強度要高1個數(shù)量級，而超過400℃，鋁、鎂合金已喪失工作能力，而鈦合金卻能繼續(xù)保持足夠的使用強度，具有明顯的性能優(yōu)勢。鈦的耐低溫能力很突出，采用低間隙元素的鈦合金可以耐-253℃的低溫，在此溫度下，合金強度比室溫提高了1倍，而塑性則保持室溫狀態(tài)下的水平。

由于鈦及其合金具有的以上優(yōu)良特性，使其成為海洋工程，尤其是海洋軍事工程中的重要材料，在艦船領域大有潛力可為。

2、船舶用鈦的要求及部位

2.1船舶用鈦的要求

由于使用環(huán)境和工況不同，船舶用鈦的要求有：(1)良好的機械性能、中強、高韌、低周疲勞性能好；(2)良好的加工性能，可焊性好、成形性好、機加工性好；(3)良好的耐海水腐蝕性能；(4)注重利用鈦合金的無磁性、透聲性；(5)產品批量小、品種多、規(guī)格大，幾乎含蓋了鈦合金的所有產品類型：鑄件、鍛件、板材、管材、棒材、絲材等。

2.2船舶用鈦的部位

鈦及其合金在艦船領域的主要應用有：耐壓殼體、船體結構、管道、閥及配件、動力驅動裝置、熱交換器、冷卻器／冷凝器、聲吶導流罩等。船舶上用鈦部位及采用的合金如表4。

3、世界各國船舶工業(yè)用鈦概況

鈦合金用于艦船工業(yè)始于上世紀60年代，目前美國、俄羅斯、日本、中國、英國、法國和德國等國家均有廣泛應用。各國船用鈦合金如表5。

3.1國外船舶用鈦情況

俄羅斯在船用鈦合金的研究和實際應用方面是全世界最先進的，擁有專門的船用鈦合金體系已形成系列強度級別的船用鈦合金產品。有船體用鈦合金ⅡT-1M，船機用ⅡT一7M，動力裝置用鈦合金OT4一1B和ⅡT-3B等，強度級別(σ_b)分別為490MPa、585MPa、700MPa、835MPa，各種規(guī)格材的生產工藝成熟。俄羅斯艦船用鈦的主要部位如表6所示。

美國對艦船用鈦合金也進行了大量的工程研究，成功地將鈦用于各種動力的潛艇、水面艇、民用船的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風扇的葉片、推進器、彈簧以及消防設備。日本船用鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V(ELI)等，應用于民用漁船、深潛器的耐壓殼體等。1981年開始的系列深海潛水調查船“深海2000”、“深海4000”、“深海6500”的外殼骨架、均壓容器、配管等采用了鈦合金，目的是為了增加下潛深度。

3.2中國船舶用鈦情況

我國船用鈦合金的研究與應用始于60年代，幾乎與國外同步發(fā)展。幾十年來，船用鈦合金的研究及應用水平有了很大提高，已經形成了較完整的船用鈦合金系列包括635MPa、685MPa、730MPa、785MPa強度級別的合金。“蛟龍?zhí)枴鄙顫撈鞯哪蛪簹んw就是TC4鈦合金。

但與國外相比，我國船用鈦合金的應用還有較大的差距：應用部位少、用量少，國外用鈦達到13％，我國僅在一些零星部件上應用，比例不足1％。品種、規(guī)格不完善，我國之前鈦材在專業(yè)化工廠生產，受裝備能力限制，生產的品種、規(guī)格有限，“蛟龍?zhí)枴彼璧拟伜辖鹨仓荒軓亩砹_斯進口。加工與制造技術也相對落后。涉及到鈦合金的材料規(guī)格有：鑄件、鍛件、板材、棒材、管材、絲材；涉及到的鈦合金制備工藝有：鑄造工藝、鍛造工藝、焊接工藝、冷成型工藝、熱成型工藝、熱處理工藝、機械加工工藝、表面處理工藝、異種金屬絕緣處理工藝等。

4、鈦及鈦合金在船舶工業(yè)應用的經濟性分析

材料的經濟性是船舶工業(yè)的重要因素。鈦及鈦合金以往的形象是昂貴的，高高在上的，這也嚴重制約了鈦及鈦合金在船舶的推廣應用。在滿足性能要求的前提下，經濟性分析包含以下幾個因素：(1)材料的制造成本，即材料的工藝適應性或工藝成熟度；(2)材料在使用環(huán)境下可以服役的期限；在進行經濟性分析時，不僅僅考慮設備的建造成本，還應考慮設備的維護成本，設備全壽命周期內的成本；(3)綜合評價材料的性價比。

鈦及鈦合金在性能方面是完全滿足船舶要求的。在經濟性方面，隨著鈦工業(yè)的技術進步，鈦及鈦合金的價格大幅下降，而Cu、Ni、Mo等金屬價格大幅上漲，導致鈦及鈦合金材與船舶傳統(tǒng)材料銅合金、高端鎳不銹鋼材價格基本相當，這就為鈦及鈦合金在船舶工業(yè)推廣應用奠定了堅實的經濟基礎。

4.1一次性投入經濟性對比分析

研究表明，傳統(tǒng)材料(鍍鋅厚鋼板、銅鎳合金)的服役期限大約是1.5年到7~8年，在艦船的服役期內必須進行維修，甚至是更換，而鈦合金則可以實現(xiàn)一次投入，與艦船同壽命，使用過程只需簡單的維護，而幾乎不需修理。俄羅斯選擇柴油機舷外的一個冷卻系統(tǒng)，進行了鈦合金管道代替銅合金管道相關費用的計算，比較的材料是CuNiFe50-1和鈦Gr2，見表6。

由表6可以看出，對于該冷凝系統(tǒng)的兩種尺寸的管道來講，改用鈦后，由于可以允許較大的流速、耐腐蝕性和屈服強度大大提高，可以減小管道的直徑和管壁厚度，這樣可以使鈦合金管道系統(tǒng)的重量比銅合金系統(tǒng)的小5.8倍。據(jù)估算，目前市場CuNiFe5-1與Gr-2單價比約為1:1.5，這樣在建造時采用CuNiFe5-1合金的一次性投入，要高于采用Gr-2，約是鈦的3.9倍。

由于鈦及鈦合金的密度低、耐腐蝕、強度高，可以大大降低設備的重量，所以盡管從單價上講，鈦及鈦合金會貴一些，但設備的總體重量降低后，鈦及鈦合金一次性投入反而不會過高于其它材料，甚至于會低于其它材料。

4.2全壽命經濟效益分析

同樣以表6為例，再從設備的全壽命周期上，分析一下鈦在艦船上應用的經濟性。表6中銅合金管道的平均服役期限為8年，而鈦合金的服役期限為40年，與艇同壽命。因此，如果按40年計算，銅合金需要更換5次，按上述價格比和計算方法，則全壽命內銅合金的投人是鈦的近19.5倍。在計算過程中，也沒有把檢修和更換期間所引起的損失費用考慮進去，包括設備生產加工費、運輸費、安裝費，以及由于設備更換而導致艦船在役時間的縮短等。

因此，從全壽命經濟效益上看，鈦的價值更是遠高于其它合金，是未來艦船材料發(fā)展的一個重要方向。

5、制約鈦及鈦合金在船舶工業(yè)推廣的因素

5.1船舶系統(tǒng)對鈦及鈦合金認識不足

在船舶系統(tǒng)的相關單位如設計院、造船廠、業(yè)主方等，普遍認為鈦性能好，但太貴，用不起，設計之初根本就未考慮鈦的應用。造成這種現(xiàn)象有多個原因，主要原因如下：首先，對鈦行業(yè)發(fā)展了解不清楚。在他們印象中，鈦的價格仍為30萬元人民幣／噸以上，而不知道鈦的價格已大幅下降，已具有較高的性價比。其次，對使用鈦的定位不清楚。盡管近年來鈦的價格大幅降低，但仍比一般結構鋼、低端不銹鋼價格高得多，不可能取代這些普通材料。因此鈦的推廣應抓緊比強度高、耐腐蝕的特點，現(xiàn)實應用有：首先需要高強度并需減重的部件。其次是代替起耐腐蝕作用的銅及銅合金、高端不銹鋼及耐蝕合金，相比這些材料而言，鈦及鈦合金不但有很高的全壽命經濟性，就算一次性投資也會降低。

針對這個因素，鈦及鈦合金材料制造行業(yè)應加強與船舶系統(tǒng)的交流與溝通，以便船舶系統(tǒng)充分了解鈦工業(yè)的發(fā)展，船舶在設計之初能充分考慮鈦材的使用。

5.2鈦及鈦合金針對船舶的應用研究不足

鈦工業(yè)是以航空應用需求為基礎發(fā)展起來的，因此基礎研究是根據(jù)航空用材的需求來開展的。而船舶使用環(huán)境與航空有較大的區(qū)別，其所用材料也有自身特點。而鈦工業(yè)并不了解船舶用材的要求，就未針對船舶用鈦開展相關的研究，導致船舶用鈦基礎數(shù)據(jù)嚴重不足，相關的材料標準也嚴重缺乏。這也是導致船舶系統(tǒng)對鈦認識不清楚，缺乏設

計依據(jù)，也就無法選材了。在船舶制造和實際使用中，還面臨著焊接、連接、接觸腐蝕、海生物附著等問題。對這些問題，無論是船舶設計所，還是造船廠和鈦材行業(yè)都沒有做系統(tǒng)的基礎配套研究，缺少必要的技術支撐。比如，現(xiàn)有造船裝備是加工鋼材的，若使用鈦材需進行相應的改造。但進行什么樣的改造才能加工鈦材，是沒有技術基礎的。這也嚴重制約了鈦在船舶工業(yè)的應用。

為克服上述問題，加快鈦材的推廣，應加快相應的基礎研究。

5.3鈦及鈦合金材型配套能力不足

與航空用材相比，船舶用材的產品尺寸、單件重量更大，而我國之前的鈦工業(yè)主要是為航空工業(yè)服務的，采用專業(yè)化工廠生產，生產裝備和能力有限，鈦產品的產品尺寸不能滿足船舶的需要，許多材型鈦材生產商無法提供，如寬厚板、大口徑無縫管、型材、復雜的鑄件等。如果專業(yè)化生產廠全部配齊船舶用鈦材需要的生產裝備，又將極大的推高產品成本，不利于鈦及鈦合金在船舶工業(yè)的推廣應用。

我國鋼鐵加工裝備能力極強，產品配套齊全，裝機水平為世界先進水平，具備生產大尺寸鈦材的能力。因此，鈦工業(yè)應走“鋼鈦結合”之路生產船舶工業(yè)所需的鈦產品，一方面滿足船舶用鈦的需要，另一方面還可以降低生產成本。這也是國外先進鈦材生產商的模式。

5.4鈦及鈦合金材在船舶工業(yè)應用的系統(tǒng)協(xié)調不足

在世界船舶工業(yè)(特別是軍船)中，用鈦量已是衡量船舶先進性的一個重要標志。我國船舶用鈦很低，這也是我國船舶工業(yè)大而不強的一個重要原因。為提升我國的造船水平，應加快推進鈦在船舶工業(yè)中的應用。

然而要實現(xiàn)這個目標，需要鈦材生廠家、船舶設計院、造船廠和船舶用戶共同努力推動，協(xié)調發(fā)展，單靠某一方是很難有效推動的。

6、結論

(1)鈦及鈦合金是理想的造船材料，能滿足船舶多個部位的材料要求。

(2)中國船舶用鈦水平與國外先進水平相距甚遠。

(3)現(xiàn)階段，在船舶中以鈦及鈦合金代替銅合金、高端鎳不銹鋼、耐蝕合金已具有很高的性價比。

(4)在船舶工業(yè)中推廣鈦材，需要鈦材生廠家、船舶設計院、造船廠和船舶用戶共同努力，克服鈦及鈦合金基礎應用研究不足、材型配套能力不足等制約因素。

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