(1. 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083；2. 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；3. 攀钢集团研究院有限公司钒钛资源综合利用国家重点实验室，四川 攀枝花 617000)
钛合金因其出色的综合性能在船舶、汽车、航空及医疗领域起着无法替代的作用，且钛合金铸件拥有非常良好的耐腐的能力，是舰船制造的理想材料。但钛合金在使用的过程中还存在一些问题，例如成本高、冶炼难度大等，在某些特定的程度上限制了其在船舶上的应用和发展。综述了真空自耗电弧炉熔炼、电子束冷床炉熔炼、等离子冷床炉熔炼、粉末冶金及增材制造5种制备钛合金产品技术的工艺原理、产品特点及国内外的发展状况，对各种工艺的数值模拟成果做出总结，并对未来中国钛合金体系做出展望，以期对钛合金产品制备工艺的优化提供参考。
舰船用钛合金； 真空自耗电弧炉； 电子束冷床炉； 等离子冷床炉； 粉末冶金； 数值模拟
钛及钛合金因具有高比强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀、可焊、无磁、生物相容性好等众多优点，已在舰船、航空航天、石油、化工、医疗等领域获得广泛应用。由于钛合金拥有非常良好的耐腐的能力且常规使用的寿命长，能适应长期浸泡在水中的工作环境，目前其在舰船及海洋工程中的应用十分普遍，大多分布在在船体结构、耐压壳体、管道、阀及配件等。苏联是较早在舰船领域大规模应用钛合金的国家之一，且已拥有大量专门用于船舶及海洋工程的钛合金体系。从20世纪60年代起，苏联制造了一系列的钛合金潜艇，其中“阿尔法”级钛合金潜艇钛合金使用量达3 000 t，新一代的“北风之神”级核潜艇使用的也是钛合金耐压壳体。美国利用钛合金材料制备了“阿尔文”号深潜器外壳，其将下潜深度从原来的1 868 m增加到3 658 m，且新型“阿尔文”号的下潜深度将增加至6 500 m。目前，美国主要使用在的钛合金包括Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si等。中国“蛟龙”号深海潜水器的耐压壳体使用的是TC4钛合金。截至目前，中国自主研发的高性能钛合金Ti62A已成功应用于“奋斗者”号深海载人潜水器，并通过了万米深海试验，其将中国海洋钛合金生产水平提升到了一个新的高度。
经过50多年的研发，中国已逐渐形成了较完整的舰船用钛及钛合金体系，其屈服强度在320~1 130 MPa，可结合实际需要选择对应的钛合金牌号。该体系根据屈服强度不同可分为低强钛合金(屈服强度低于490 MPa)、中强钛合金(屈服强度在500~790 MPa)以及高强钛合金(屈服强度高于800 MPa)。其中，低强钛合金如TA2、TA3、TA4等，可用于非耐压铸件、管路、阀门及换热器等；中强钛合金如TA18M、TA17、ZTC4等，可用于各种耐压铸件、船舶结构、螺旋桨及舱门舱盖等；高强钛合金如TC4、TC4ELI、TC11等，可用于舰船耐压壳体、高压容器、弹簧及紧固件。随着社会发展，针对钛合金的各种熔炼技术不断成熟，人们对钛合金产品的质量要求也不断提高，可以根据实际要选择合适的方法制造钛合金产品。但由于钛合金熔炼技术难度较大、条件要求较高，目前只有少数国家掌握钛合金熔炼技术。现阶段常用钛合金制备工艺有：真空自耗电弧炉熔炼(Vacuum Arc Remelting，VAR)、电子束冷床炉熔炼(Electron Beam Cold Hearth Melting，EBCHM)、等离子冷床炉熔炼(Plasma Arc Cold Hearth Melting，PACHM)、粉末冶金(PM)及增材制造(AM)等方法。
1)随着海洋工程及舰船领域的发展，中国已初步建立了不同强度级别的舰船用钛合金牌号体系。但强度等级相同、成分或显微组织不同的钛合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率相差超过1倍；强度等级相同、不同牌号的钛合金断裂韧性及冲击韧性相差约2倍。因此，根据实际需要，快速准确地选用合适牌号的钛合金以及在保证强度的同时提高合金的断裂韧性和腐蚀疲劳强度成为钛合金在舰船方面使用的研究重点。
2)现阶段，针对钛合金的熔炼及制造工艺普遍采用的方法包括真空自耗电弧炉熔炼(VAR)、电子束冷床炉熔炼(EBCHM)、等离子冷床炉熔炼(PACHM)、粉末冶金(PM)及增材制造(AM)等技术。在对工艺优化的基础上，解决VAR工艺中对高低密度夹杂物的去除、EBCHM中对易挥发元素的把控、PACHM设备投资成本的降低、PM工艺中对产品致密度及性能的提升等问题，对船用钛合金产品的制备具有重要意义。
3)在传统熔铸钛合金方面VAR工艺投资成本较低，操作简单，但需2~3次熔炼才能达到使用标准，且对高、低密度夹杂物的去除能力有限。冷床炉工艺可有效去除高、低密度夹杂物，且可使用残料和废料为原料进行熔炼，无需自制电极，但EBCHM工艺由于工艺自身问题会导致易挥发元素大量挥发，对合金元素的含量难以把控；PACHM工艺由于其在惰性气体环境下进行，可以有效抑制Al、Cr等元素的挥发，但其投资成本较高。因此从产品经济性角度出发，如果对钛合金的高、低密度夹杂物没有特殊要求，目前不宜优先选择冷床炉生产工艺；若对产品有较高的质量发展要求，可采用1次或多次冷床炉工艺进行冶炼。
4)粉末冶金工艺因其制备成本低、节省了钛合金锻造步骤且其产品综合性能不低于传统熔铸钛合金产品，成为近些年钛合金产品生产的热点。除此之外，钛合金粉末也可用于3D打印等增材制造，在船舶及海洋等领域具有广阔的应用前景。未来，中国可继续完善并优化现有的船用钛合金体系，在符合质量发展要求的同时尽可能降备钛合金的成本，提高钛合金在舰船方面的使用比例。
5.《中国冶金》2024年“冶金流程工程学”专刊征稿通知返回搜狐，查看更加多
