艦船與能源裝備用Ti31/Ti75/Ti80/Ti62A鈦合金研究進(jìn)展

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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(lái)在國(guó)家建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、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(lái)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(jiǎn)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(wú)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(wèn)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(guó)是最早從事艦船用鈦合金研究的國(guó)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(guó)家。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始開(kāi)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(guò)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(lái)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(kāi)展，一方面是面向國(guó)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(guò)優(yōu)化合金成分及構(gòu)件的制備工藝來(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guó)Alvin號(hào)通過(guò)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(guó)深潛器耐壓殼體的選材可見(jiàn)，鈦材的主要牌號(hào)為T(mén)i-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(guó)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(guó)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(guó)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(kāi)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(guó)家相關(guān)項(xiàng)目的支持下，西北院、中國(guó)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(guó)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(guó)也將增材制造技術(shù)引入深海裝備制造中，中國(guó)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(guó)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(guò)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(guó)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(kāi)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合金制備了深海滑翔機(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(guò)海試實(shí)驗(yàn)。

2.2能源裝備用鈦合金

鈦合金在能源開(kāi)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(guó)際上從事鈦合金油井管制備和研究的國(guó)家包括美國(guó)、俄羅斯、日本等，主要采用的合金牌號(hào)為T(mén)C4、TC4ELI、Ti6246、Ti38644等。我國(guó)油氣開(kāi)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(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院牽頭研制的國(guó)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(kāi)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(guó)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(kāi)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(zhǎng)度約12500m，質(zhì)量約120t。

近十幾年來(lái)，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(kāi)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(guó)有研科技集團(tuán)有限公司等通過(guò)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(kāi)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(guò)添加不同的合金元素，開(kāi)發(fā)了TC4-RuBi和TC4-NiNb合金。

依托“十三五”國(guó)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(kāi)展了針對(duì)油氣開(kāi)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(wú)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(kāi)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(guó)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(lái)，隨著我國(guó)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(guó)主要鈦材生產(chǎn)企業(yè)在大型設(shè)備方面已達(dá)到國(guó)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(zhǎng)鈦管及型材、超大規(guī)格鈦板等，通過(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guó)家相關(guān)課題，開(kāi)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(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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(lái)，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(kāi)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(guó)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(guó)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(guò)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(wú)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(wú)法制備出含易偏析元素的大規(guī)格鑄錠，從而無(wú)法制備出含易偏析元素的大規(guī)格鈦板的問(wèn)題，同時(shí)還解決了因受熔煉設(shè)備的限制而無(wú)法制備超大規(guī)格鈦合金板材的問(wèn)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(zhǎng)度6000-12000mm，不需要專門(mén)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(guò)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(zhǎng)、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(zhǎng)、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(guó)外的全流程海綿鈦生產(chǎn)工藝相比，國(guó)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(lái)，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(guó)內(nèi)海綿鈦生產(chǎn)成本的降低。另外，我國(guó)高端鈦材產(chǎn)品要求采用金紅石型鈦精礦，而我國(guó)鈦精礦對(duì)國(guó)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(wèn)題，我國(guó)已經(jīng)立項(xiàng)開(kāi)展了采用國(guó)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(guó)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(wú)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(guò)鑄坯直接斜軋穿孔制備出了Ф538mm×30mm大口徑無(wú)縫管，管材經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)添加Fe，B等元素開(kāi)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(kāi)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(guò)縮短鈦材制備流程來(lái)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(guò)利用回收料來(lái)降低原材料的成本，采用EB熔煉或EB+VAR混合熔煉的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)殘廢料的回收。大量實(shí)踐表明，通過(guò)添加廉價(jià)合金元素來(lái)降低鈦材構(gòu)件成本的效果有限，因此近年來(lái)研究的重點(diǎn)聚焦于通過(guò)添加返回料和縮短加工流程來(lái)達(dá)到降低成本的目的。

西北院依托國(guó)家預(yù)研項(xiàng)目，開(kāi)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，開(kāi)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(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)的Ti6411和Ti-6432低成本鈦合金返回料利用率超過(guò)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(guò)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(wú)縫管制備技術(shù)

隨著能源開(kāi)發(fā)向極地和海洋拓展，鈦合金油井管的優(yōu)勢(shì)越來(lái)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(guó)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(wú)縫管材均已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。根據(jù)我國(guó)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(wú)縫管，其生產(chǎn)工藝主要有熱擠壓+定（減）徑（簡(jiǎn)稱熱擠壓）、熱擠壓/斜軋穿孔+冷軋（簡(jiǎn)稱冷軋）、斜軋穿孔+斜軋軋管/連軋軋管+定（減）徑（簡(jiǎn)稱熱軋）。熱擠壓工藝適合制備直徑較小、長(zhǎng)度短的管材，大規(guī)格高強(qiáng)鈦合金無(wú)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(guò)程需要銅包套，制備工序復(fù)雜、流程長(zhǎng)、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(kāi)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(zhǎng)、能耗高、成材率低；熱軋方式是目前高強(qiáng)鈦合金無(wú)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(guò)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(guó)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(wú)縫管制備方面開(kāi)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(kāi)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(guó)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(wú)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(wú)縫管材更為優(yōu)異；但“擠壓+溫軋”工藝在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中穩(wěn)定性較低，過(guò)程控制難點(diǎn)多，加工難度較大?！皵D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(zhǎng)度的成品管材需要較長(zhǎng)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(guó)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(kāi)展了高強(qiáng)韌Ti90合金無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)熱連軋成功制備出單支長(zhǎng)度超過(guò)30m的超長(zhǎng)高強(qiáng)韌Ti90鈦合金無(wú)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(guò)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(kāi)裂試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生斷裂，通過(guò)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(wèn)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(wú)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(guò)程中變形速率、變形量等無(wú)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(zhǎng)。

(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(yǔ)

近年來(lái)我國(guó)在艦船與能源裝備用鈦方面從材料到工程應(yīng)用均開(kāi)展了較多的研制工作，國(guó)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(kāi)采用鈦合金成分設(shè)計(jì)、大規(guī)格構(gòu)件制備、無(wú)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(guó)已打破深海裝備材料“卡脖子”困局，為萬(wàn)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(wú)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(wú)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(kāi)采裝備中的規(guī)模化應(yīng)用，通過(guò)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(kāi)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(guó)內(nèi)各研究院所及應(yīng)用單位共同努力，加快開(kāi)展能源開(kāi)采裝備用鈦合金無(wú)縫管材的應(yīng)用評(píng)價(jià)工作，形成能源裝備用鈦無(wú)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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