1. 引言
金属钛主要以氧化钛（TiO2）的形式存在于地壳中，其含量仅次于铝、铁、镁，其储存非常丰富。 作为一种稀有金属，它于 1791 年被发现为矿物;2024年，卢森堡科学家用镁还原TICL4得到纯钛，金属钛的生产进入工业化阶段，其应用范围进一步扩大。 例如，中国第一艘载人深海潜水器采用Ti80钛合金耐压外壳，成功潜入4500米深度。 目前，越来越多的国家对钛合金的实用价值给予了足够的重视，船舶耐压壳在应用中的性能和优势也得到了广泛的重视。
2、钛合金材料的特点
钛棒、钛管等钛合金材料是指在钛元素中加入其他元素组成的合金，钛合金材料具有密度低、强度高、韧性好、耐腐蚀性能优异等特点。 首先，从其强度性能来看，钛合金的一般密度约为45g m3，密度仅为钢的60%，但强度远高于钢，在船体中使用钛合金可以制造出重量轻、强度高的部件。 其次，从耐腐蚀性的角度来看，钛合金在船舶建造中具有天然的优势，其耐腐蚀性远远超过不锈钢。 此外，它对碱、氯化物或氯有机物、硝酸等具有很强的耐腐蚀性[1]。 无论是在清洁的海水中还是在污染的海水中，钛合金都能够保持钝化状态，腐蚀速率仅为000076 m a，几乎可以忽略不计。 同时，钛合金材料具有良好的低温性能，在海洋的低温环境中仍能保持良好的物理性能，使用温度在300-600°C之间。 在-296的低温下，其强度也远高于其他合金。 钛合金的各种性能更符合船舶设计和建造的要求，因此一直被用作大型潜艇、深海潜水器等设备的外壳的主要材料。 具体来说，根据钛合金在船体中的位置，可分为壳体用钛合金、动力工程用钛合金和船用机械用钛合金。 按其特点可分为可焊接结构钛合金、高强度钛合金、耐热钛合金等。
表1是钛合金与其他金属材料的性能和成本的比较。
从表1可以看出，无论是强度还是伸长率，高强度钛合金都远高于其他两种合金。 但钛合金的缺点是制造成本高，工艺复杂，切削工艺困难。 特别是在热加工过程中，容易混入各种杂质，严重影响焊接质量。
三、船舶建造中耐压壳体的质量要求
船舶建造对金属材料的要求很高，不仅要有良好的抗风、抗浪强度;而且，它还具有良好的耐腐蚀性，可以减少海水和海洋大气对船体的破坏。 因此，造船材料长期以来一直是船舶领域研究的重点。 从实际使用来看，目前钛合金在国外船舶上应用广泛，由于钛合金成本、焊接工艺等因素的影响，我国造船业仍存在诸多应用障碍，在一定程度上影响了钛合金材料在造船中的应用。
船舶建造中的耐压壳体多用于船体结构，但由于在海洋环境中具有很强的腐蚀性，需要承受海水的巨大压力和腐蚀性环境，因此对船舶的结构性能有更高的要求，以确保耐压壳体在使用中不会因海水压力和腐蚀而损坏。 因此，近年来，船舶建造中对耐压壳的性能要求越来越高。 普通船舶耐压壳体的主要结构形式有球形、圆柱形、圆锥形等形式，但海洋航行中的恶劣环境对耐压壳体所用材料提出了更高的要求，其物理性能需要经过严格检测，以确保船舶航行安全。 在钛合金的使用上，我们还自主研发了一些用于船舶的钛合金，如Ti75、TiB19、Ti70、Ti80、Ta5等，用于船体、发电厂、民用船舶的耐压壳体[2]。 但与俄罗斯和美国相比，钛合金在我国的应用还不是很成熟，还有很大的应用和推广空间。
4、钛合金材料耐压壳体在造船中的应用
鉴于钛合金材料的良好性能，近年来在造船业中得到了应用。 从实际情况来看，钛合金材料广泛应用于民用船舶、深海潜水器、军舰等。 本节主要根据应用情况总结钛合金材料在造船中的应用和发展情况。
4.1 钛合金材料在民用船舶上的应用。
由于长期浸泡在海水中，民用船舶受到海洋侵蚀和海洋大气环境的影响，船体结构容易被腐蚀，特别是螺旋桨等与海水接触的部件。 因此，在建造中往往对材料有较高的要求，包括耐腐蚀性强、强度高、维护少等，以满足船舶使用中对耐腐蚀性、耐久性、牢固性、可靠性和稳定性的要求。 它在航运中具有很强的承重能力，在受到海水冲击时可以最大限度地减少其对船体的损坏。 同时，它可以减轻船体的重量，增加航行距离。 这些恶劣的条件为钛合金材料在造船中的应用奠定了良好的基础。 例如，如果用铜或不锈钢来制作船舶的泵、阀门和管道系统，它的寿命一般只有2-5年。 如果由钛合金制成，其使用寿命将远远超过铜和不锈钢[3]。
4.2 钛合金材料耐压壳体在深海潜水器中的应用。
深海潜水器是探索深海救援和开展深海科学研究的重要基础，技术突破后可应用于军事领域。
因此，近年来，世界各国都非常重视深海潜水器的制造，在我国第一艘深海潜水器的制造中，由于钛合金的焊接工艺极高，采用了俄罗斯制造的钛合金耐压外壳。 美国专注于Ti-5AL-1ZR-1SN-1V-0的开发8mo-0.1Si等船用钛合金可以有效提高船舶在运动过程中的稳定性，减轻船体重量[4]。 例如，中国上海钢铁研究总院研制的Ti-NB-ZR-MO钛合金性能接近高强钛，其强度、韧性、焊接性和耐腐蚀性等综合性能大大提高，使其成为深海潜水器耐压壳的最佳材料。
4.3 钛合金材料在军舰上的应用。
作为世界上最早研究和应用钛合金的国家，俄罗斯建立了完整的钛合金体系，并将高强度钛合金应用于船体、船舶发动机和动力装置。 例如，由破冰船列宁制成的钛合金蒸汽发生器已经使用了几十年而没有损坏[3]。 2024年，美国海军开始注重钛合金在军舰上的应用，随后将钛合金材料应用于各种动力潜艇和水面舰艇，包括Ti-03mo-0.8ni、ti-3al-2.5v、ti-5al-1zr-1sn-1v-0.8mo-0.1SI等 我国对钛合金材料在军舰上的应用研究始于2024年，钛合金已应用于船体结构、螺旋桨、电子电力系统以及各种特种装置，以满足船舶、潜艇、深潜器对不同强度等级的要求[4]。
5. 结论
由于钛合金得到了广泛的应用，我国经过几十年的技术研发，已经形成了较为完整的产业链，给造船业带来了明显的社会效益和经济价值[5]。 与船用钢相比，钛合金虽然是钢的数倍，但钛合金使用寿命更长，技术性能更具优势，边际成本更低[6]。 因此，在建造寿命为几十年的海洋船舶时，积极使用钛合金不仅可以延长使用寿命，而且维护成本低，值得在造船业广泛推广。
[参考资料]。
1] 王鹏飞， 江亚斌， 宋江， 等. 深海用复合材料耐压壳结构设计方法研究[J].复合材料科学与工程， 2020（11）：49-53
2] 王珂， 吴丽， 李永正， 等. 新型钛合金材料疲劳裂纹扩展试验研究[J].舰船科学技术，2020,42（21）：9-12
3]吴建新.钛合金材料在船舶材料中的应用[ J ] 船舶材料与市场，2020（8）：5-6
4]肖伟星.船用钛合金材料焊接中常见的问题及对策[ J ] 中国装备工程，2019（2）：188-189
5] 江， 陈亚阳.钛合金在船舶上的研究与应用进展[ J ] 新材料工业，2018（12）：11-14
6]李德强， 王树森， 包恩达.钛合金材料在船舶材料中的应用与发展[J].世界有色金属，2015（9）：127-128
*项目：甘肃省教育厅大学创新**项目，基于水环境的大气波导观测方法研究（编号：2020A-220）。
作者简介：钟立才（1987- ），男，甘肃兰州市，本科生，讲师，研究方向：高分子材料加工机械。