1、前言

海洋是 21 世紀(jì)世界政治、經(jīng)濟(jì)和軍事競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，海洋科學(xué)研究、海洋技術(shù)開(kāi)發(fā)等已上升到各國(guó)最高層次的戰(zhàn)略性規(guī)劃與決策范疇。鈦金屬輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕，尤其耐海水和海洋大氣腐蝕，是優(yōu)異的海洋工程用輕量化結(jié)構(gòu)材料，對(duì)提高海洋工程裝備的作業(yè)能力、安全性、可靠性及戰(zhàn)術(shù)水平具有十分重要的意義。我國(guó)海洋工程用鈦金屬材料經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，具備完整的工業(yè)體系，初步形成了由低到高不同強(qiáng)度級(jí)別的鈦合金材料體系，其制備加工裝備的水平與世界處于同一水平［1］。但同美、俄、日等海洋強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)在海洋工程用鈦合金的基礎(chǔ)研究、制備加工技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、鈦裝備和部件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)以及相應(yīng)的配套技術(shù)等各個(gè)環(huán)節(jié)還有待提高［2，3］。黨的十九大報(bào)告指出: “堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”。在海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、《中國(guó)制造 2025》計(jì)劃和“一帶一路”戰(zhàn)略的共同推動(dòng)下，海洋工程產(chǎn)業(yè)迎來(lái)巨大的市場(chǎng)空間。“蛟

龍?zhí)枴薄吧詈Ｓ率刻?hào)”“全海深載人潛水器”和“深海空間站”等國(guó)家重大項(xiàng)目的陸續(xù)啟動(dòng)，為鈦合金材料在海洋工程上的推廣應(yīng)用提供了最佳的發(fā)展時(shí)機(jī)。

本文綜述了我國(guó)近年來(lái)海洋工程用鈦合金的發(fā)展戰(zhàn)略和平臺(tái)建設(shè)、領(lǐng)域熱點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題、重大項(xiàng)目支持計(jì)劃以及在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究領(lǐng)域取得的重要成果，對(duì)存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，以期推動(dòng)鈦合金在我國(guó)海洋工程領(lǐng)域更加廣泛的應(yīng)用，并為鈦合金研發(fā)人員及海洋工作者提供相關(guān)借鑒。

2、頂層規(guī)劃和平臺(tái)建設(shè)

2. 1頂層規(guī)劃

中國(guó)工程院在 2013 年由周廉院士作為負(fù)責(zé)人，分別啟動(dòng)了“中國(guó)海洋工程材料研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略初步研究”咨詢(xún)項(xiàng)目和“海洋工程中關(guān)鍵材料發(fā)展戰(zhàn)略研究”重點(diǎn)咨詢(xún)項(xiàng)目。鈦合金材料作為這兩個(gè)咨詢(xún)項(xiàng)目的重要組成部分，由南京工業(yè)大學(xué)牽頭，聯(lián)合我國(guó)鈦合金研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的骨干單位，歷時(shí) 3 年，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、文獻(xiàn)調(diào)研和學(xué)術(shù)研討等形式，系統(tǒng)地開(kāi)展了國(guó)內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域用鈦合金的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研工作，完成了《中國(guó)海洋工程材料發(fā)展戰(zhàn)略咨詢(xún)報(bào)告》中的鈦金屬材料部分和《海洋工程鈦金屬材料》編寫(xiě)，并建議了海洋工程用鈦合金的發(fā)展路線(xiàn)圖，規(guī)劃了重點(diǎn)的研究方向。

基于此，2019 年，在科技部“海洋領(lǐng)域面向 2035 年國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略政策”研究 ＆ 第六次國(guó)際技術(shù)預(yù)測(cè)工作中，也擬將海洋裝備用長(zhǎng)效高性能輕量化結(jié)構(gòu)材料及連接技術(shù)列入關(guān)鍵技術(shù)，鈦合金材料作為海洋裝備輕量化材料的典型代表，將會(huì)受到充分的重視。

2. 2平臺(tái)建設(shè)

為推進(jìn)我國(guó)海洋材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工作，加快建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、“產(chǎn)學(xué)研用”緊密結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新成果的快速工程化，推動(dòng)海洋材料行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)，提升行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)海洋材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在周廉院士的推動(dòng)下，2016 年 6 月在武漢成立了“中國(guó)海洋材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，“鈦合金材料及其在海洋工程中的應(yīng)用”是戰(zhàn)略聯(lián)盟的重要分盟之一。該分盟集合了軍方、設(shè)計(jì)所及國(guó)內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)單位，目標(biāo)在于尋求鈦合金在海洋工程應(yīng)用領(lǐng)域獲得突破。同時(shí)，根據(jù)中國(guó)工程院咨詢(xún)報(bào)告的建議和周廉院士的大力倡導(dǎo)和推動(dòng)，我國(guó)各地方政府圍繞鈦合金在海洋工程的應(yīng)用，先后成立了若干研發(fā)平臺(tái)。2015 年，江蘇省海洋先進(jìn)材料工程技術(shù)研究中心在南京成立，海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在鞍山成立; 2018 年，先進(jìn)鈦及鈦合金材料技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心在洛陽(yáng)成立。這些與海洋工程鈦合金材料密切相關(guān)的國(guó)家和地方研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)，將為我國(guó)海洋工程用鈦合金的研發(fā)和應(yīng)用提供良好的合作平臺(tái)。

2. 3學(xué)術(shù)活動(dòng)

為了推動(dòng)海洋工程材料，特別是海洋工程用鈦合金材料領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流及人才培養(yǎng)，在周廉院士的倡導(dǎo)、建議和推動(dòng)下，“新材料國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)高層論壇”“海洋材料與腐蝕防護(hù)大會(huì)”“中國(guó)海洋材料高峰論壇”“第一屆海軍裝備腐蝕控制及新材料發(fā)展論壇”等一系列高端學(xué)術(shù)會(huì)議相繼召開(kāi)，會(huì)議影響力逐漸擴(kuò)大，參會(huì)人員逐年增長(zhǎng)。海洋工程用鈦合金作為會(huì)議主題的重要組成部分，受到越來(lái)越多科研人員的關(guān)注，也為海洋工程用鈦合金材料得到國(guó)家相關(guān)部委的重視起到了積極的作用。同時(shí)，周廉院士非常重視青年人才的培養(yǎng)工作，在南京、西安等地連續(xù)舉辦“鈦合金暑期培訓(xùn)班”活動(dòng)，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)鈦合金領(lǐng)域的知名專(zhuān)家為在校碩士研究生、博士研究生及青年教師免費(fèi)授課，為我國(guó)鈦合金行業(yè)，特別是海洋鈦合金領(lǐng)域人才梯隊(duì)的培養(yǎng)和建設(shè)發(fā)揮了重要作用。

3、領(lǐng)域熱點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題

3. 1海洋工程鈦合金材料體系

鈦合金是我國(guó)“三航”發(fā)展的基礎(chǔ)關(guān)鍵材料。目前我國(guó)在航空航天鈦合金方面都有大量的積累，開(kāi)發(fā)了覆蓋600～1500 MPa 強(qiáng)度級(jí)別的鈦合金的多個(gè)合金序列，基本可滿(mǎn)足我國(guó)在航空航天領(lǐng)域的需求，但我國(guó)海洋工程用鈦合金材料不成體系，缺乏海洋服役環(huán)境下的適應(yīng)性研究，導(dǎo)致“點(diǎn)式應(yīng)用”為主，用量也極少。到目前為止，我國(guó)海洋鈦合金尚未形成公認(rèn)的材料體系，而且鈦合金的數(shù)據(jù)積累尚不能完全支撐我國(guó)海洋工程關(guān)鍵裝備的選材需求。特別是針對(duì)目前海洋裝備走向深海、遠(yuǎn)海和兩極的目標(biāo)，并無(wú)適用于深海、兩極等苛刻服役環(huán)境的專(zhuān)用牌號(hào)鈦合金，急需借助高效材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)手段填補(bǔ)空白，滿(mǎn)足我國(guó)深海、遠(yuǎn)海和兩極工程發(fā)展的要求。集成計(jì)算材料工程技術(shù)具有開(kāi)發(fā)周期短、篩選樣本數(shù)多、合金成分范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和性能優(yōu)化方面發(fā)揮了巨大的作用。高性能鈦合金多為四元及以上復(fù)雜合金體系，僅完成材料的體系確定、成分優(yōu)選等必要過(guò)程，就需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期和大量的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本。以典型的 Ti-6Al-4V 體系為例，微量 Fe，Mo合金元素和 C，H，O，N 等雜質(zhì)元素，均會(huì)對(duì)材料組織、焊接性能、服役性能等產(chǎn)生直接影響。例如通過(guò)第一性原理計(jì)算揭示了鈦合金中 O 原子溶質(zhì)強(qiáng)化造成螺位錯(cuò)核間隙位置扭轉(zhuǎn)大幅提升其力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度、塑性等)的機(jī)制［4］。利用第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬、有限元模擬等介觀(guān)、微觀(guān)、宏觀(guān)的跨尺度模擬，可預(yù)測(cè)材料原子、分子、相、組織、性能等不同層面的材料基礎(chǔ)性能及微觀(guān)作用機(jī)制，為材料成分、組織、性能等優(yōu)化提供一定的借鑒。針對(duì)目前海洋工程用鈦合金可選牌號(hào)稀少、選擇準(zhǔn)則缺失、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不足等問(wèn)題，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、集成計(jì)算材料工程技術(shù)開(kāi)發(fā)海洋工程用鈦合金是目前鈦合金領(lǐng)域重要的研發(fā)方向之一。

3. 2海洋工程用鈦合金制備加工新工藝開(kāi)發(fā)

海洋工程、海洋裝備等用鈦量的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)我國(guó)鈦合金加工制備新工藝的開(kāi)發(fā)和制造成本的進(jìn)一步降低提出了更高的要求。在周廉院士“把鈦合金用到海洋中、將鈦合金的價(jià)格降低一半以上”的倡導(dǎo)下，目前國(guó)內(nèi)主要鈦合金生產(chǎn)企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)已積極開(kāi)展降低成本、優(yōu)化傳統(tǒng)工藝、開(kāi)發(fā)先進(jìn)新工藝的工作。傳統(tǒng)的鈦合金制備加工工藝暴露出了過(guò)程能量損失大、控制精度差、生產(chǎn)制造效率低等諸多問(wèn)題，因此亟需開(kāi)發(fā)具有顛覆性、開(kāi)創(chuàng)性的新工藝。例如短流程工藝、連續(xù)鑄造工藝、高效輔助冶煉工藝、增材制造工藝、近凈成型工藝、在線(xiàn)組織調(diào)控工藝等，均可在鈦合金的加工、制造的單個(gè)環(huán)節(jié)或多個(gè)環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)海洋工程用鈦合金的加工效率、成品質(zhì)量等方面質(zhì)的飛躍。此外，由于鈦合金的導(dǎo)熱性能差，造成其焊接過(guò)程中熱量分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致其焊接組織粗大、均勻性差、亞穩(wěn)相含量高、焊縫母材性能匹配性低等，這些問(wèn)題一直是鈦合金連接方面有待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。因此，目前亟需開(kāi)展在線(xiàn)熱處理焊接工藝和免熱處理大型結(jié)構(gòu)體焊接工藝技術(shù)等來(lái)滿(mǎn)足我國(guó)未來(lái)大型裝備建造過(guò)程的需要。

3. 3海洋工程用鈦合金的服役性能優(yōu)化

鈦及鈦合金在海洋工程中的應(yīng)用比例逐年提高。相較于傳統(tǒng)的鐵基合金，鈦及鈦合金在深海環(huán)境下不易發(fā)生腐蝕［5，6］，作為深海管道材料耐腐蝕能力強(qiáng)，可大大減少維護(hù)和修理費(fèi)用［7］。鈦合金材質(zhì)的深海工程裝備在深海中服役時(shí)，不僅會(huì)受到海水腐蝕，同樣亦受到海水靜水壓力、海水流速、溫度等諸多綜合因素的影響，因而鈦合金的腐蝕行為與淺層海水或常規(guī)水溶液中的腐蝕大為不同。因此，對(duì)于深海環(huán)境使用的鈦合金，為了滿(mǎn)足其特殊的服役環(huán)境及要求，對(duì)材料性能提出了很高的要求。所以研究深海獨(dú)特的腐蝕環(huán)境以及鈦合金在深海環(huán)境下特殊的腐蝕行為及機(jī)理對(duì)于深海大型裝備、重大工程等的服役性能評(píng)測(cè)具有重要意義［8］。此外，不同于鋼鐵材料，鈦合金在深海高靜水壓力作用下會(huì)發(fā)生高壓壓縮蠕變，從而導(dǎo)致其發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致重大裝備的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等系列問(wèn)題。但是，目前綜合考慮蠕變和腐蝕雙重因素對(duì)鈦合金性能影響的研究還未有報(bào)道。為滿(mǎn)足未來(lái)重大海洋工程裝備需求，亟需開(kāi)展服役環(huán)境因素與鈦合金使用性能的耦合機(jī)制研究。

4、重大項(xiàng)目支持計(jì)劃

鈦合金由于具有質(zhì)輕、耐蝕和高強(qiáng)的特性，是建造深空站主體、深潛器和潛艇結(jié)構(gòu)的首選材料。國(guó)家在海洋工程用鈦合金領(lǐng)域支持了一系列重大項(xiàng)目。作為深海資源開(kāi)發(fā)和海洋安全維護(hù)平臺(tái)的深海空間站，已被國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》作為面向 2030年部署的 6 個(gè)體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目之一。

該項(xiàng)目主要開(kāi)展深海探測(cè)與作業(yè)前沿共性技術(shù)及通用與專(zhuān)用型、移動(dòng)與固定式深海空間站核心關(guān)鍵技術(shù)等方面研究，周廉院士也被委以重任，作為材料方面的責(zé)任專(zhuān)家參與該項(xiàng)目。在深潛器用鈦合金方面，“蛟龍”號(hào)載人潛水器是“十五”期間國(guó)家“863”計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)“7000 m 載人潛水器”的重要成果，其設(shè)計(jì)最大下潛深度為 7000 m。該項(xiàng)目于 2002 年立項(xiàng)，2008 年完成設(shè)備研制工作，隨后又先后獲得科技部“973”計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院深海先導(dǎo)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委南海深部計(jì)劃等國(guó)家重要科技計(jì)劃的支持，并于 2017 年獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。2015 年 12 月國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“4500 m 深潛器用 TC4ELI 鈦合金載人球殼制造技術(shù)”通過(guò)驗(yàn)收，該項(xiàng)目研制的載人球艙已被優(yōu)選安裝在“深海勇士”號(hào)載人深潛器上，完成了 4535 m 的海試。“全海深載人潛水器用鈦合金載人艙研制”是我國(guó)“十三五”部署的首批國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。該潛水器建成后，將在覆蓋世界最大深度( 約1. 1 萬(wàn)米)的海洋完成載人下潛并進(jìn)行科考作業(yè)，是深海進(jìn)入能力的頂級(jí)體現(xiàn)，是繼“深海勇士”號(hào)之后，由我國(guó)自主設(shè)計(jì)、自主研制和加工制造，作業(yè)范圍可覆蓋世界所有海域的載人潛水器。2017 年，中國(guó)船舶重工集團(tuán)702 所承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)體、材料耐壓特性及評(píng)估技術(shù)研究”項(xiàng)目，擬建立深海裝備鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法，進(jìn)而對(duì)我國(guó)現(xiàn)役及在研的深海載人潛水器等大型深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役的安全性評(píng)估提供技術(shù)支撐。由云南鈦業(yè)股份有限公司牽頭的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“低成本高耐蝕鈦及鈦合金管材與高品質(zhì)鈦帶制造技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”，擬解決管材加工及復(fù)雜海洋環(huán)境應(yīng)用過(guò)程中微觀(guān)組織-綜合性能-殘余應(yīng)力-耐蝕性能協(xié)同控制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，構(gòu)建復(fù)雜海洋環(huán)境服役條件下鈦及鈦合金管材耐腐蝕性能評(píng)價(jià)體系。

為了解決海洋工程用鈦合金成分設(shè)計(jì)、加工制備、焊接和性能評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)從事海洋工程用鈦合金研究的優(yōu)勢(shì)單位強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，擬以“集中力量辦大事”的方式，系統(tǒng)解決海洋工程用鈦合金中的相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題。此外，為了提升國(guó)防和海軍裝備水平，軍方也陸續(xù)發(fā)布了“十三五”裝備預(yù)研和科研項(xiàng)目，針對(duì)艦船用鈦合金開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

5、海洋工程用鈦合金研究成果

5. 1成分設(shè)計(jì)

針對(duì)海洋工程對(duì)鈦合金高強(qiáng)、耐沖擊、耐腐蝕和焊接性的需求，國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了多種新型合金。其中，南京工業(yè)大學(xué)以廉價(jià) Fe 元素改性為主，開(kāi)發(fā)出了低成本高強(qiáng)韌的 Ti-3Al-3. 5Fe-0. 1B 合金，屈服強(qiáng)度≥1000 MPa，延伸率 ≥ 15%［9］; Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe ( Ti-35421) 合金，抗拉強(qiáng)度為 1313 MPa，屈服強(qiáng)度為 1240 MPa，延伸率為 8. 62%，斷 面 收 縮 率 為 17. 58%，斷 裂 韌 性 K1C 為75. 8 MPa·m^1/2，在 3. 5% NaCl 溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性小，擁有較好的耐腐蝕性［10］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過(guò)添加Zr，Mo 元素開(kāi)發(fā)了鈍化能力提高的耐蝕鈦合金，包括Ti-5. 5Al-4Zr-1Sn-0. 3Mo-1Nb 合 金［11］， 屈 服 強(qiáng) 度 為987. 62 MPa，極限應(yīng)變量為24. 64%，K1C為71. 29 MPa·m^1/2;Ti-5. 5Al-3Nb-3Zr-1. 2Mo-0. 3Ni 合金［12］，壓縮屈服強(qiáng)度為808. 05 MPa，極限應(yīng)變量為 23. 42%。西北有色金屬研究院以可 焊 性 為 主 要 思 路，開(kāi) 發(fā) 了 高 強(qiáng) 韌 海 洋 工 程 用Ti-Al-Zr-Mo-Cr-Nb 系 可 焊 鈦 合 金［13］， 屈 服 強(qiáng) 度 ＞900 MPa，延伸率＞13%，K1C＞75 MPa·m^1/2，且經(jīng)電弧焊或電子束焊后的焊接接頭系數(shù)≥0. 9。中國(guó)船舶重工集團(tuán)725 研究所針對(duì)現(xiàn)有高強(qiáng)鈦合金焊接處沖擊韌性較低的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)高沖擊韌性的耐蝕可焊鈦合金［14］，他們利用 Al，Mo，V，Nb，Cr，Zr 等元素，調(diào)控合金的鋁當(dāng)量［Al］當(dāng)≥6，鉬當(dāng)量［Mo］當(dāng) ≤8，使合金鍛件與板材的抗拉強(qiáng)度＞ 1060 MPa，屈服強(qiáng)度＞ 980 MPa，沖擊功＞40 J，K1C＞80 MPa·m^1/2，且焊接系數(shù)＞0. 9。

5. 2服役性能

針對(duì)鈦合金在海洋多場(chǎng)耦合服役環(huán)境下面臨的主要失效形式，國(guó)內(nèi)鈦合金研發(fā)單位開(kāi)展了鈦合金低周疲勞［15－18］、應(yīng)力腐蝕［19－21］和高壓蠕變［22，23］等方面的研究工作。應(yīng)力水平較高時(shí)的低周疲勞性能是海洋工程裝備耐久性的重要指標(biāo)。對(duì) TC4 ELI 合金的低周疲勞性能研究發(fā)現(xiàn): 在最大應(yīng)力水平下，不同組織的 TC4 ELI 合金均表現(xiàn)出顯著的循環(huán)軟化現(xiàn)象，相比于片層組織，雙態(tài)組織具有更加優(yōu)異的疲勞性能，這主要是因?yàn)殡p態(tài)組織中位錯(cuò)的有效滑移距離遠(yuǎn)小于片層組織，此外具有位錯(cuò)密度的等軸 α 相的存在也阻礙了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。對(duì)斷口形貌的掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn): 具有雙態(tài)組織的試樣疲勞斷口平整光滑，而片層組織的試樣斷口則出現(xiàn)了與原始粗大的 β 晶粒有關(guān)的幾何形刻面

［15］。上海海洋大學(xué)對(duì)于潛在的可用于全海深載人艙的 TB19 材料的低周疲勞性能研究發(fā)現(xiàn)，TB19 具有比 TC4 ELI 合金更好的低周疲勞性能［16］。對(duì)可用于深海載人探測(cè)器的 TC4 ELI 合金，得到了其保載時(shí)間與疲勞性能的關(guān)系曲線(xiàn)，為后續(xù)研究預(yù)測(cè) TC4 ELI 的服役時(shí)間提供了理論依據(jù)［17］。另一方面，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)了較為準(zhǔn)確的、通過(guò)簡(jiǎn)單試驗(yàn)參數(shù)來(lái)預(yù)估 TC4、IMI834 等鈦合金疲勞及低周疲勞性能的方法［18］。

針對(duì)鈦合金應(yīng)力腐蝕的特征，南京工業(yè)大學(xué)對(duì)強(qiáng)度級(jí)別在 1200 MPa 級(jí)的 Ti-35421 合金的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為和鈍化膜自修復(fù)行為進(jìn)行了研究［19］。Ti-35421 合金存在強(qiáng)韌性匹配等問(wèn)題，具有一定的應(yīng)力腐蝕敏感性，在空氣(A)和 3. 5%NaCl 溶液(SSＲT) 中的 3 種不同應(yīng)變速率下應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)排序?yàn)? IA(1. 67× 10^－5 mm/s) ＞IA(5. 00× 10 ^－5 mm/s) ＞ IA (1. 33× 10^－5 mm/s); ISSＲT (1. 67×10^－5 mm/s)＞ISSＲT(5. 00×10^－5 mm/s)＞ISSＲT(1. 33×10^－5 mm/s)，呈現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的降低先上升后下降的趨勢(shì)。1. 67×10^－5 mm/s 速率下，應(yīng)力腐蝕敏感性最高，ISSＲT為 0. 2786，IA為 27. 27%，判斷 Ti-35421 合金在 3. 5%NaCl 溶液中存在發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性，宏觀(guān)斷口形貌表現(xiàn)為脆性斷裂，微觀(guān)上韌窩較淺，出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)域，為準(zhǔn)解理斷裂形貌。在較慢的應(yīng)變速率下，無(wú)明顯的鈍化膜破裂修復(fù)行為，腐蝕是造成斷裂的主要原因; 在中等應(yīng)變速率下， 應(yīng)力-化學(xué)交互作用提高了 Ti-35421 合金的應(yīng)力腐蝕敏感性，且在鈍化膜損傷、出現(xiàn)裂紋后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)造成的傷害也越來(lái)越大，電位下降，損傷修復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)。

而在對(duì)鈍化膜自修復(fù)行為研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)壓應(yīng)力條件下，溶解氧濃度高有利于鈍化膜的自修復(fù)過(guò)程發(fā)展。在較大外加壓應(yīng)力作用下，隨著壓應(yīng)力的增加劃痕造成的傷害增加，同時(shí)鈍化膜修復(fù)時(shí)間顯著增加。不同壓應(yīng)力下Ti-35421 合金劃痕試驗(yàn)時(shí)的電流-時(shí)間變化曲線(xiàn)，總體呈現(xiàn)出和無(wú)壓應(yīng)力作用下相同的趨勢(shì)，再鈍化也分為Ⅰ-暫態(tài)階段、Ⅱ-暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變階段、Ⅲ-穩(wěn)定化 3 個(gè)階段。隨著壓應(yīng)力的增加，劃痕所引起的電流越來(lái)越大，當(dāng)壓應(yīng)力為 5 MPa 時(shí)，劃痕電流增加至 5. 05 mA·cm^－2，當(dāng)壓應(yīng)力為 10 MPa 時(shí)，劃痕電流增加至 11. 73 mA·cm^－2，當(dāng)壓應(yīng)力為 20 MPa 時(shí)，劃痕電流增加至 20. 66 mA·cm^－2。    鈍化膜自修復(fù)時(shí)間由 20 ms 增加到 500 ms，呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)差別。

深海環(huán)境下，材料長(zhǎng)期處于接近屈服強(qiáng)度的壓應(yīng)力下，導(dǎo)致了材料內(nèi)部發(fā)生局部應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)體宏觀(guān)應(yīng)力分配不均等現(xiàn)象。相較于傳統(tǒng)鋼鐵材料，鈦合金由于其輕質(zhì)的特性可提供更高的容重比，在深海重大工程裝備中可以作為耐壓結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行使用，但在長(zhǎng)時(shí)間壓縮應(yīng)力作用下的形變累積效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體的安全性和穩(wěn)定性下降。因此近年來(lái)已在鈦合金高壓壓縮蠕變方面開(kāi)展了先導(dǎo)性研究［21－23］。在室溫下對(duì) Ti80 和 TC4 兩種鈦合金進(jìn)行高壓壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這兩種鈦合金在室溫壓縮蠕變過(guò)程中均存在較大的應(yīng)力閾值。當(dāng)外加應(yīng)力低于應(yīng)力閾值時(shí)，蠕變曲線(xiàn)存在蠕變飽和現(xiàn)象，之后蠕變變形量幾乎不再增加; 當(dāng)外加應(yīng)力高于應(yīng)力閾值時(shí)，蠕變曲線(xiàn)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變階段。蠕變速率對(duì)外加應(yīng)力有著很強(qiáng)的敏感性，隨外加應(yīng)力增加，蠕變速率與蠕變變形量都有明顯的增加［21］。Ti80 合金在室溫下壓縮蠕變前后的 TEM 照片顯示，合金經(jīng) 610 MPa 應(yīng)力下壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)后，α 相內(nèi)的位錯(cuò)密度提高，大量的位錯(cuò)塞積在相界和晶界處，形成了位錯(cuò)網(wǎng)。位錯(cuò)網(wǎng)會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并且在 610 MPa 下，沒(méi)有新的可移動(dòng)位錯(cuò)生成，這使得初始階段的蠕變速率越來(lái)越慢，最終達(dá)到蠕變飽和，幾乎不再產(chǎn)生蠕變變形。當(dāng)外加應(yīng)力提高到 780 MPa，發(fā)現(xiàn) α相內(nèi)的位錯(cuò)數(shù)量和位錯(cuò)密度急劇增加。高應(yīng)力下多個(gè)方向的滑移系被激活，柱面和錐面滑移開(kāi)動(dòng)，生成了新的可移動(dòng)位錯(cuò)，使得蠕變變形繼續(xù)進(jìn)行下去，達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變階段。通過(guò) TEM 分析，認(rèn)為 Ti80 鈦合金蠕變變形主要是由 α 相內(nèi)位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的［22］。

6、存在問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，我國(guó)海洋工程用鈦合金研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但依然存在諸多問(wèn)題亟待解決，主要包括:(1)成本問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)性仍是制約鈦合金在海洋工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用的“阿喀琉斯之踵”。如何在保證質(zhì)量的前提下，降低鈦合金成本是重中之重。低成本鈦合金的成分設(shè)計(jì)、回收料的利用、短流程技術(shù)的開(kāi)發(fā)及高效的焊接技術(shù)，都是突破經(jīng)濟(jì)性的有效手段。(2)牌號(hào)雜亂。俄羅斯的海洋工程用鈦合金以易焊接、焊后不預(yù)熱為發(fā)展方向，美國(guó)以軍民通用為主要原則，而我國(guó)在強(qiáng)度級(jí)別之外，至今沒(méi)有形成海洋工程用

鈦合金材料體系的主攻方向，需要針對(duì)設(shè)備、管路、耐壓殼體等的應(yīng)用屬性制定不同的合金體系。(3)規(guī)格型號(hào)不足。寬厚板、大口徑無(wú)縫管等大尺寸鈦合金產(chǎn)品加工技術(shù)尚不成熟，批次穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。(4)基礎(chǔ)研究不足。對(duì)合金元素和雜質(zhì)元素以及組織、形貌等對(duì)合金性能的影響缺乏定量化描述，對(duì)多場(chǎng)耦合條件下(腐蝕介質(zhì)、應(yīng)力、溫度等)鈦合金的主要失效形式和防護(hù)技術(shù)的研究缺乏。(5)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法缺失。缺乏鈦質(zhì)裝備的設(shè)計(jì)方法，缺乏使用及評(píng)價(jià)相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

7、結(jié)語(yǔ)

相比于鋼鐵、銅合金、復(fù)合材料等海洋工程材料，鈦合金仍屬于小眾金屬，但隨著我國(guó)海洋裝備向深海、遠(yuǎn)海及兩極發(fā)展，鈦合金輕質(zhì)耐蝕的特性對(duì)裝備的安全性和可靠性提供了巨大的保障。我國(guó)鈦合金科技工作者應(yīng)抓住機(jī)遇，夯實(shí)基礎(chǔ)，在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防力量建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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