人类在陆地上活动发展至今，面临着人口剧增、资源枯竭、能源危机、环境恶化等基本问题。而海洋占地球表面积的71％，蕴藏着丰富的矿藏和能源，因此海洋空间与资源不仅是世界军事和经济竞争日益激烈的重要领域，而且将成为人类赖以生存、社会藉以发展的战略空间和基地。大力开发海洋是人类的必然选择，海洋在21世纪及未来必将成为激烈的国际竞争场所。
我国有18000km海岸线，有300万km2的专属管辖海域，资源丰富。因此开发海洋关系到国家经济、社会的发展，关系到国家主权和权益，是21世纪我国面临的重大课题。随着海洋意识的觉醒，我国也开始并不断重视海洋开发。十六大提出了“实施海洋开发”；十七大五中全会把发展海洋经济提高到国家战略的高度；十八大指出“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”，并将海洋作为未来陆、海、空、天四大战略空间的首位。
船舶是人类认知海洋、开发海洋、利用海洋、维护海洋权益的基础装备与手段，船舶技术对世界市场的形成、国际贸易的增长、工业化的拓展、刺激科学技术(特别是军事技术)的发展，起到了重要的牵引作用。因此，我国要实现“建设海洋强国”的目的，增强控制海洋、维护海洋权益和疆土完整的综合制海能力及开发利用海洋空间的能力，必须大力发展先进船舶技术和材料。
钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐蚀、无磁、透声、抗冲击等特性，尤其是在如海水、海洋那样的氯化物气氛中具有优异的耐蚀性。在船舶上应用可以减少舰船的维修成本和寿命周期成本，减轻船体的重量、增加有效载荷、提高舰船的可靠性和战术性，是船舶工业的理想材料。
1、钛及钛合金作为造船材料的优点
1.1质轻、比强度高
比强度是指材料强度与密度的比值。比强度越大，以相同强度设计就能获得更小的结构重量，反之相同结构质量下就能获得更高的强度。根据需要，就可实现减重或减体积。如表1，在常用金属材料中，钛及钛合金具有最高的比强度，这对实现船舶工业具有重要的意义，如用钛制造的潜艇，不仅重量轻、航速高、攻击力强，而且可以潜入更大的深度。钛制潜艇，可潜入到4500m以下，这是钢制潜艇无法逾越的界限”。
1.2耐蚀性好
钛在中性和氧化性气氛及众多恶劣环境中具有比其他常用金属材料高得多的耐腐蚀性，特别是对氯离子具有很强的抗腐蚀能力，在海水中具有完全耐腐蚀的能力。用钛制造军舰、轮船，不用涂漆，在海水中航行几年也不会生锈，能避免涂油漆等产生的维修费用和船舶自重，使用年限长。
1.3无磁性
钛不是铁磁体物质，在很强的磁场中也不会被磁化，因此钛制外壳的舰艇不易被对方磁探仪发现，可使装磁引信的水雷或鱼雷失效，可以避免磁性雷的攻击，具有很好的反监护作用，这在军事上特别重要。
1.4优良的耐热和耐低温性能
钛的耐热性和耐低温性能良好。目前的热强钛合金最高使用温度可达500℃～600℃，结构钛合金的使用温度也可达到300℃～400℃，同其它轻质材料如铝、镁合金比较，在300℃时，钛的强度要高1个数量级，而超过400℃，铝、镁合金已丧失工作能力，而钛合金却能继续保持足够的使用强度，具有明显的性能优势。钛的耐低温能力很突出，采用低间隙元素的钛合金可以耐-253℃的低温，在此温度下，合金强度比室温提高了1倍，而塑性则保持室温状态下的水平。
由于钛及其合金具有的以上优良特性，使其成为海洋工程，尤其是海洋军事工程中的重要材料，在舰船领域大有潜力可为。
2、船舶用钛的要求及部位
2.1船舶用钛的要求
由于使用环境和工况不同，船舶用钛的要求有：(1)良好的机械性能、中强、高韧、低周疲劳性能好；(2)良好的加工性能，可焊性好、成形性好、机加工性好；(3)良好的耐海水腐蚀性能；(4)注重利用钛合金的无磁性、透声性；(5)产品批量小、品种多、规格大，几乎含盖了钛合金的所有产品类型：铸件、锻件、板材、管材、棒材、丝材等。
2.2船舶用钛的部位
钛及其合金在舰船领域的主要应用有：耐压壳体、船体结构、管道、阀及配件、动力驱动装置、热交换器、冷却器／冷凝器、声呐导流罩等。船舶上用钛部位及采用的合金如表4。
3、世界各国船舶工业用钛概况
钛合金用于舰船工业始于上世纪60年代，目前美国、俄罗斯、日本、中国、英国、法国和德国等国家均有广泛应用。各国船用钛合金如表5。
3.1国外船舶用钛情况
俄罗斯在船用钛合金的研究和实际应用方面是全世界最先进的，拥有专门的船用钛合金体系已形成系列强度级别的船用钛合金产品。有船体用钛合金ⅡT-1M，船机用ⅡT一7M，动力装置用钛合金OT4一1B和ⅡT-3B等，强度级别(σb)分别为490MPa、585MPa、700MPa、835MPa，各种规格材的生产工艺成熟。俄罗斯舰船用钛的主要部位如表6所示。
美国对舰船用钛合金也进行了大量的工程研究，成功地将钛用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器、弹簧以及消防设备。日本船用钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V(ELI)等，应用于民用渔船、深潜器的耐压壳体等。1981年开始的系列深海潜水调查船“深海2000”、“深海4000”、“深海6500”的外壳骨架、均压容器、配管等采用了钛合金，目的是为了增加下潜深度。
3.2中国船舶用钛情况
我国船用钛合金的研究与应用始于60年代，几乎与国外同步发展。几十年来，船用钛合金的研究及应用水平有了很大提高，已经形成了较完整的船用钛合金系列包括635MPa、685MPa、730MPa、785MPa强度级别的合金。“蛟龙号”深潜器的耐压壳体就是TC4钛合金。
但与国外相比，我国船用钛合金的应用还有较大的差距：应用部位少、用量少，国外用钛达到13％，我国仅在一些零星部件上应用，比例不足1％。品种、规格不完善，我国之前钛材在专业化工厂生产，受装备能力限制，生产的品种、规格有限，“蛟龙号”所需的钛合金也只能从俄罗斯进口。加工与制造技术也相对落后。涉及到钛合金的材料规格有：铸件、锻件、板材、棒材、管材、丝材；涉及到的钛合金制备工艺有：铸造工艺、锻造工艺、焊接工艺、冷成型工艺、热成型工艺、热处理工艺、机械加工工艺、表面处理工艺、异种金属绝缘处理工艺等。
4、钛及钛合金在船舶工业应用的经济性分析
材料的经济性是船舶工业的重要因素。钛及钛合金以往的形象是昂贵的，高高在上的，这也严重制约了钛及钛合金在船舶的推广应用。在满足性能要求的前提下，经济性分析包含以下几个因素：(1)材料的制造成本，即材料的工艺适应性或工艺成熟度；(2)材料在使用环境下可以服役的期限；在进行经济性分析时，不仅仅考虑设备的建造成本，还应考虑设备的维护成本，设备全寿命周期内的成本；(3)综合评价材料的性价比。
钛及钛合金在性能方面是完全满足船舶要求的。在经济性方面，随着钛工业的技术进步，钛及钛合金的价格大幅下降，而Cu、Ni、Mo等金属价格大幅上涨，导致钛及钛合金材与船舶传统材料铜合金、高端镍不锈钢材价格基本相当，这就为钛及钛合金在船舶工业推广应用奠定了坚实的经济基础。
4.1一次性投入经济性对比分析
研究表明，传统材料(镀锌厚钢板、铜镍合金)的服役期限大约是1.5年到7~8年，在舰船的服役期内必须进行维修，甚至是更换，而钛合金则可以实现一次投入，与舰船同寿命，使用过程只需简单的维护，而几乎不需修理。俄罗斯选择柴油机舷外的一个冷却系统，进行了钛合金管道代替铜合金管道相关费用的计算，比较的材料是CuNiFe50-1和钛Gr2，见表6。
由表6可以看出，对于该冷凝系统的两种尺寸的管道来讲，改用钛后，由于可以允许较大的流速、耐腐蚀性和屈服强度大大提高，可以减小管道的直径和管壁厚度，这样可以使钛合金管道系统的重量比铜合金系统的小5.8倍。据估算，目前市场CuNiFe5-1与Gr-2单价比约为1:1.5，这样在建造时采用CuNiFe5-1合金的一次性投入，要高于采用Gr-2，约是钛的3.9倍。
由于钛及钛合金的密度低、耐腐蚀、强度高，可以大大降低设备的重量，所以尽管从单价上讲，钛及钛合金会贵一些，但设备的总体重量降低后，钛及钛合金一次性投入反而不会过高于其它材料，甚至于会低于其它材料。
4.2全寿命经济效益分析
同样以表6为例，再从设备的全寿命周期上，分析一下钛在舰船上应用的经济性。表6中铜合金管道的平均服役期限为8年，而钛合金的服役期限为40年，与艇同寿命。因此，如果按40年计算，铜合金需要更换5次，按上述价格比和计算方法，则全寿命内铜合金的投人是钛的近19.5倍。在计算过程中，也没有把检修和更换期间所引起的损失费用考虑进去，包括设备生产加工费、运输费、安装费，以及由于设备更换而导致舰船在役时间的缩短等。
因此，从全寿命经济效益上看，钛的价值更是远高于其它合金，是未来舰船材料发展的一个重要方向。
5、制约钛及钛合金在船舶工业推广的因素
5.1船舶系统对钛及钛合金认识不足
在船舶系统的相关单位如设计院、造船厂、业主方等，普遍认为钛性能好，但太贵，用不起，设计之初根本就未考虑钛的应用。造成这种现象有多个原因，主要原因如下：首先，对钛行业发展了解不清楚。在他们印象中，钛的价格仍为30万元人民币／吨以上，而不知道钛的价格已大幅下降，已具有较高的性价比。其次，对使用钛的定位不清楚。尽管近年来钛的价格大幅降低，但仍比一般结构钢、低端不锈钢价格高得多，不可能取代这些普通材料。因此钛的推广应抓紧比强度高、耐腐蚀的特点，现实应用有：首先需要高强度并需减重的部件。其次是代替起耐腐蚀作用的铜及铜合金、高端不锈钢及耐蚀合金，相比这些材料而言，钛及钛合金不但有很高的全寿命经济性，就算一次性投资也会降低。
针对这个因素，钛及钛合金材料制造行业应加强与船舶系统的交流与沟通，以便船舶系统充分了解钛工业的发展，船舶在设计之初能充分考虑钛材的使用。
5.2钛及钛合金针对船舶的应用研究不足
钛工业是以航空应用需求为基础发展起来的，因此基础研究是根据航空用材的需求来开展的。而船舶使用环境与航空有较大的区别，其所用材料也有自身特点。而钛工业并不了解船舶用材的要求，就未针对船舶用钛开展相关的研究，导致船舶用钛基础数据严重不足，相关的材料标准也严重缺乏。这也是导致船舶系统对钛认识不清楚，缺乏设
计依据，也就无法选材了。在船舶制造和实际使用中，还面临着焊接、连接、接触腐蚀、海生物附着等问题。对这些问题，无论是船舶设计所，还是造船厂和钛材行业都没有做系统的基础配套研究，缺少必要的技术支撑。比如，现有造船装备是加工钢材的，若使用钛材需进行相应的改造。但进行什么样的改造才能加工钛材，是没有技术基础的。这也严重制约了钛在船舶工业的应用。
为克服上述问题，加快钛材的推广，应加快相应的基础研究。
5.3钛及钛合金材型配套能力不足
与航空用材相比，船舶用材的产品尺寸、单件重量更大，而我国之前的钛工业主要是为航空工业服务的，采用专业化工厂生产，生产装备和能力有限，钛产品的产品尺寸不能满足船舶的需要，许多材型钛材生产商无法提供，如宽厚板、大口径无缝管、型材、复杂的铸件等。如果专业化生产厂全部配齐船舶用钛材需要的生产装备，又将极大的推高产品成本，不利于钛及钛合金在船舶工业的推广应用。
我国钢铁加工装备能力极强，产品配套齐全，装机水平为世界先进水平，具备生产大尺寸钛材的能力。因此，钛工业应走“钢钛结合”之路生产船舶工业所需的钛产品，一方面满足船舶用钛的需要，另一方面还可以降低生产成本。这也是国外先进钛材生产商的模式。
5.4钛及钛合金材在船舶工业应用的系统协调不足
在世界船舶工业(特别是军船)中，用钛量已是衡量船舶先进性的一个重要标志。我国船舶用钛很低，这也是我国船舶工业大而不强的一个重要原因。为提升我国的造船水平，应加快推进钛在船舶工业中的应用。
然而要实现这个目标，需要钛材生厂家、船舶设计院、造船厂和船舶用户共同努力推动，协调发展，单靠某一方是很难有效推动的。
6、结论
(1)钛及钛合金是理想的造船材料，能满足船舶多个部位的材料要求。
(2)中国船舶用钛水平与国外先进水平相距甚远。
(3)现阶段，在船舶中以钛及钛合金代替铜合金、高端镍不锈钢、耐蚀合金已具有很高的性价比。
(4)在船舶工业中推广钛材，需要钛材生厂家、船舶设计院、造船厂和船舶用户共同努力，克服钛及钛合金基础应用研究不足、材型配套能力不足等制约因素。
参考文献
[1]黄晓艳、刘波、李雪.钛合金在舰船上的应用[J].南方金属。2005，(12)：10
[2]潘罗坤.舰船用钛及钛合金经济性分析[J].材料开发与应用，2010，(10)：85-87
[3]范丽颖、刘俊玲、安红.钛在海洋工程上的应用现状及前景展望[J].中国金属通报，2007，(39-,'40)：27
[4]胡耀君.发展中的船用钛合金[J].钛工业进展，1998，(4)：1~5
[5]蒋成勇、徐济进、来铿、赵勇.俄罗斯海军用钛的情况及我们的思考[J].钛工业进展，2003，12(6)：35
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