隨著全球海洋經濟向“深藍化”加速邁進，艦船裝備向“高速化、隱身化、長續航”升級，深海裝備向“萬米級探測、資源開發”突破，傳統金屬材料（如高強度鋼、鋁合金）逐漸暴露耐海水腐蝕能力弱、重量大、耐高壓性能不足等短板。鈦合金憑借“高強度-輕量化-耐蝕性-抗疲勞”的四重核心優勢，成為解決艦船與深海裝備極端工況難題的關鍵材料。數據顯示，2025年全球艦船與深海裝備領域鈦合金用量突破8萬噸，較2020年增長120%，其中中國貢獻52%的用量，在載人潛水器、大型驅逐艦、深海采油裝備中實現規?；瘧谩?/p>

從“奮斗者”號萬米載人潛水器的鈦合金耐壓殼（承受110MPa水壓，相當于1100個大氣壓），到美國“朱姆沃爾特”級驅逐艦的鈦合金排氣管（減重40%，壽命延長至20年），鈦合金不僅突破了艦船與深海裝備的性能邊界，更推動了海洋工程技術的跨越式發展。然而，大尺寸鈦合金構件加工難度大、成本高、焊接工藝復雜等問題，仍制約其在中低端艦船與通用深海裝備中的普及。寶雞利泰金屬系統梳理鈦合金在艦船（船體結構、動力系統、管路設備）與深海裝備（載人潛水器、水下機器人、深海資源開發裝備）領域的應用現狀，深入剖析典型案例的技術細節與實施成效，總結加工工藝突破路徑，并展望未來五年的發展趨勢，為海洋裝備材料升級提供專業參考。

一、鈦合金適配艦船與深海裝備的核心優勢：極端工況下的性能突圍

艦船與深海裝備的服役環境具有“高腐蝕、高壓力、強沖擊、長周期”四大特征——艦船長期浸泡于含Cl?、SO?2?的海水中，深海裝備需承受萬米深海的靜水壓力（每增加10米水深，壓力增加0.1MPa），且兩者均需滿足15-20年的服役壽命要求。鈦合金通過成分優化（如TC4-DT、TA18）與工藝調控，形成了適配這些極端工況的四大核心優勢，完美替代傳統材料。

（一）極致耐海水腐蝕性：降低維護成本與壽命損耗

海水是強腐蝕介質，其中的Cl?易導致鋼鐵材料發生點蝕、應力腐蝕開裂，鋁合金則易出現晶間腐蝕，而鈦合金的“自修復氧化膜”特性使其具備長效耐蝕能力。鈦合金表面可自然形成一層厚度5-10nm的致密TiO?保護膜，即使在高溫（60℃）、高鹽（3.5%NaCl）、高流速（3m/s）海水中，保護膜也能快速修復，阻止腐蝕介質滲透。

實驗室測試數據（參照GB/T10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》）顯示：

TC4鈦合金：在3.5%NaCl溶液中浸泡10000小時，腐蝕速率僅為0.0012mm/年，是316不銹鋼（0.025mm/年）的1/21、5083鋁合金（0.06mm/年）的1/50；

TA18鈦合金：在模擬深海熱液區環境（200℃、含H?S的海水）中浸泡3000小時，表面無明顯腐蝕痕跡，而同等條件下的鎳基合金（Inconel625）已出現局部腐蝕坑；

TC4-DT鈦合金：經1000次“鹽霧-干燥”循環試驗后，抗拉強度保持率達98%，而高強度鋼（AH36）的強度保持率僅為82%。

這一優勢直接轉化為裝備維護成本的降低：中國海軍某型驅逐艦采用鈦合金管路后，年度維護費用從鋼制管路的80萬元降至15萬元，維護周期從6個月延長至3年；深海采油平臺的鈦合金閥門，使用壽命達15年，是鋼制閥門（5年）的3倍。

圖 1：鈦合金與傳統材料在艦船環境中的性能對比圖

（二）高比強度與耐高壓：支撐深海裝備萬米深潛

深海裝備的核心需求是“輕量化+耐高壓”，鈦合金的高比強度（強度/密度比）使其成為耐壓殼、結構框架的理想材料。數據顯示，TC4鈦合金的密度為4.51g/cm3，僅為高強度鋼（7.85g/cm3）的57%，但抗拉強度達985MPa，與AH36高強度鋼（510MPa）相比提升93%，比強度（抗拉強度/密度）是鋼的1.6倍、鋁合金的1.2倍。

在深海高壓環境中，鈦合金的耐高壓性能尤為突出：

萬米深潛耐壓殼：“奮斗者”號采用TC4-DT鈦合金制作耐壓殼，厚度102mm，直徑2.1米，在11000米深海（110MPa壓力）下，徑向變形量僅為3.5mm，遠低于設計限值（5mm），且無塑性變形；

深海機器人結構件：“潛龍三號”水下機器人的框架采用TA2純鈦，壁厚8mm，在4500米水深（45MPa壓力）下，抗壓強度達800MPa，重量較鋼制框架（壁厚15mm）減重47%；

極地艦船船體：俄羅斯“北極”級核動力破冰船的鈦合金破冰艏，采用TC11鈦合金鍛造，厚度50mm，在-50℃低溫下，沖擊韌性（AKV）達65J，是鋼制破冰艏（30J）的2.2倍，可承受1.5米厚冰層的沖擊。

（三）優異抗疲勞性能：延長裝備服役周期

艦船與深海裝備在服役過程中，需承受波浪沖擊、機械振動、壓力循環等交變載荷，材料的抗疲勞性能直接決定裝備壽命。鈦合金的晶粒細化工藝（如熱等靜壓、多道次鍛造）使其具備優異的抗疲勞特性，尤其是在腐蝕環境下的疲勞性能遠超傳統材料。

測試數據（參照GB/T30767-2014《金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法》）驗證：

TC4鈦合金：在海水環境中，拉-拉疲勞強度（10?次循環）達420MPa，是316不銹鋼（280MPa）的1.5倍；

TA18鈦合金：在深海壓力循環（0-50MPa，1000次循環）后，疲勞強度保持率達95%，而鋁合金（6061-T6）的保持率僅為78%；

鈦合金焊接接頭：采用電子束焊接的TC4鈦合金接頭，疲勞強度達380MPa，與母材強度比（接頭強度/母材強度）為0.85，遠高于鋼制焊接接頭的0.65。

典型應用案例：中國“遠望7號”測量船的鈦合金桅桿，采用TC4鈦合金焊接成型，服役8年來經歷120次臺風浪沖擊，疲勞損傷率僅為3%，預計總服役壽命可達30年，較鋼制桅桿（20年）延長50%。

（四）低磁性與隱身特性：提升艦船戰場生存力

現代海戰對艦船隱身性要求嚴苛，傳統鋼鐵材料的高磁性易被磁探儀探測，而鈦合金屬于無磁材料（磁導率μ≈1），可有效降低艦船的磁信號特征，同時其表面可通過涂層改性進一步提升雷達隱身性能。

性能數據與應用效果：

磁導率：TC4鈦合金的磁導率為1.0002，遠低于AH36鋼（1000-3000），中國055型驅逐艦的鈦合金上層建筑，使艦船磁信號強度降低60%，可規避敵方磁引信水雷；

雷達反射截面（RCS）：鈦合金表面采用吸波涂層（厚度0.5mm）后，RCS值降至0.1m2，是鋼制上層建筑（10m2）的1/100；

聲隱身：鈦合金的阻尼系數（0.0015）是鋼的2倍，可有效吸收振動噪聲，美國“弗吉尼亞”級核潛艇的鈦合金推進軸，水下噪聲較鋼制軸降低15dB，隱蔽性顯著提升。

二、鈦合金在艦船領域的具體應用場景與詳盡案例

艦船領域是鈦合金在海洋裝備中的核心應用場景，涵蓋船體結構、動力系統、管路設備、武器系統四大類部件，其中軍用艦船（驅逐艦、護衛艦、核潛艇）與特種民用艦船（破冰船、科考船）是應用重點，典型案例覆蓋中、美、俄、日等主要海洋強國。

（一）船體結構：輕量化與耐蝕性的雙重提升

船體結構是艦船的“骨架”，傳統鋼制結構存在重量大、易腐蝕、維護頻繁等問題，鈦合金主要應用于上層建筑、甲板、破冰艏等關鍵部位，尤其適合極地艦船、高速艦船。

1.極地破冰船鈦合金破冰艏

案例1：俄羅斯“北極”級核動力破冰船

材料選擇：破冰艏采用TC11鈦合金（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si），該合金在-60℃低溫下仍保持優異的沖擊韌性（AKV≥60J），抗拉強度達1100MPa，滿足冰層沖擊需求；

加工工藝：采用“真空自耗電弧爐熔煉（VAR）-快鍛機鍛造（鍛造溫度950℃，變形量60%）-數控銑削”流程，破冰艏最大厚度達80mm，尺寸精度控制在±2mm；

應用效果：“北極”號破冰船的鈦合金破冰艏可破除2.5米厚的多年冰層，服役5年來無明顯腐蝕與疲勞損傷，維護成本較鋼制破冰艏（需每年補焊修復）降低80%，預計服役壽命達40年。

案例2：中國“雪龍2”號極地科考船鈦合金甲板

材料選擇：甲板采用TA2純鈦板材，厚度12mm，鈦含量≥99.6%，耐低溫（-50℃）與海水腐蝕能力優異；

加工工藝：通過20道冷軋工序實現板材平整度≤0.5mm/m，表面采用噴砂處理（Ra=5μm），增強防滑性能；

應用效果：“雪龍2”號在南極科考中，鈦合金甲板長期暴露于低溫、高鹽霧環境，無銹蝕現象，積雪融化速度較鋼制甲板快30%，減少冰層打滑風險，甲板維護周期從鋼制的1年延長至5年。

2.高速艦船鈦合金上層建筑

案例：美國“獨立”級瀕海戰斗艦

材料選擇：上層建筑采用TC4鈦合金擠壓型材與板材焊接，替代傳統鋁合金，解決鋁合金在海洋環境中的晶間腐蝕問題；

結構設計：采用輕量化框架結構，型材截面尺寸為100mm×50mm，壁厚5mm，通過有限元分析優化應力分布，最大應力集中區域<600MPa；

應用效果：上層建筑重量較鋁合金版本減重15%（從80噸降至68噸），艦船最大航速提升2節（從45節增至47節），服役10年來無腐蝕損傷，鋁合金版本常見的“白銹”現象完全消除，維護費用降低65%。

（二）動力系統：耐溫與耐蝕的性能支撐

艦船動力系統（柴油機、燃氣輪機、推進軸）長期處于高溫（300-500℃）、高濕、含油霧的環境中，傳統材料易出現高溫氧化與腐蝕，鈦合金主要應用于排氣管、熱交換器、推進軸等部件。

1.燃氣輪機鈦合金排氣管

案例1：美國“朱姆沃爾特”級驅逐艦

材料選擇：排氣管采用Ti-6Al-4VELI（TC4-DT）鈦合金，該合金在500℃下的抗拉強度仍保持850MPa，高溫氧化速率僅為0.005mm/年；

加工工藝：采用超塑成形工藝（SPF），在920℃、0.5MPa壓力下一體成型，避免焊接接頭的高溫腐蝕問題，排氣管最大直徑1.2米，壁厚8mm，尺寸公差±1mm；

應用效果：排氣管重量較Inconel625鎳基合金版本減重40%（從2.5噸降至1.5噸），熱效率提升8%，服役壽命從10年延長至20年，無需定期更換耐高溫涂層，年度維護成本從20萬美元降至5萬美元。

案例2：中國052D型驅逐艦燃氣輪機熱交換器

材料選擇：熱交換器管束采用TA18鈦合金（Ti-3Al-2.5V），該合金具有優異的抗海水腐蝕與抗振動疲勞性能；

結構設計：管束直徑12mm，壁厚1mm，采用U型彎管設計，換熱面積達50m2，通過CFD模擬優化水流速（2m/s），提升換熱效率；

應用效果：熱交換器在350℃、高壓（1.5MPa）工況下穩定運行，海水腐蝕速率<0.001mm/年，換熱效率較銅合金管束提升15%，使用壽命達15年，是銅合金的3倍，避免了銅合金管束常見的“結垢堵塞”問題。

2.核潛艇鈦合金推進軸

案例：俄羅斯“北風之神”級戰略核潛艇

材料選擇：推進軸采用TC17鈦合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr），該合金的屈服強度達950MPa，抗疲勞強度（10?次循環）達450MPa，且無磁特性可降低水下噪聲；

加工工藝：采用“真空自耗電弧爐+電渣重熔（ESR）”雙聯熔煉，確保材料純凈度（氧含量≤0.12%），通過多道次鍛造（變形量70%）細化晶粒（晶粒尺寸≤10μm），軸體直徑1.8米，長度15米，直線度誤差≤0.1mm/m；

應用效果：推進軸水下噪聲較鋼制軸降低20dB，潛艇隱蔽性大幅提升，可在400米水深穩定運行，服役20年來無疲勞損傷，維護周期從鋼制軸的3年延長至10年，顯著提升潛艇在航率。

（三）管路設備：全船流體輸送的耐蝕保障

艦船管路系統（海水管路、燃油管路、冷卻水管路）是“血管”，傳統鋼制管路需定期涂漆防腐，鋁合金管路易腐蝕開裂，鈦合金管路可實現“免維護”運行，在軍用艦船中普及率已達30%。

1.軍用艦船鈦合金海水管路

案例1：中國055型萬噸驅逐艦

材料選擇：海水管路采用TA2純鈦無縫管，直徑從20mm（支管）到200mm（主管）不等，壁厚2-5mm，鈦含量≥99.5%，耐海水腐蝕速率<0.001mm/年；

連接工藝：采用鈦合金法蘭焊接連接，焊接方法為鎢極氬弧焊（TIG），焊后進行真空退火處理（650℃，保溫2小時），消除焊接應力，接頭強度達450MPa；

應用效果：全船鈦合金海水管路總長約800米，替代原有的鍍鋅鋼管后，重量減重35%（從12噸降至7.8噸），徹底解決鋼制管路“3年銹蝕、5年更換”的問題，服役8年來無泄漏，年度維護費用從15萬元降至2萬元，同時減少了防腐涂料的使用，降低環境污染。

案例2：美國“福特”級航空母艦鈦合金冷卻水管路

材料選擇：冷卻水管路采用TC4鈦合金，直徑150mm，壁厚4mm，該合金在300℃冷卻水中仍保持優異的耐蝕性；

加工工藝：采用冷拔工藝制造無縫管，尺寸精度達H8級，表面粗糙度Ra≤1.6μm，減少水流阻力；

應用效果：管路在高溫（300℃）、高壓（2.0MPa）冷卻水中運行，無結垢與腐蝕現象，換熱效率較銅合金管路提升10%，使用壽命達25年，是銅合金的2.5倍，為航母核動力系統提供穩定的冷卻保障。

2.民用科考船鈦合金燃油管路

案例：中國“科學”號綜合科考船

材料選擇：燃油管路采用TA18鈦合金，直徑80mm，壁厚3mm，該合金具有優異的抗燃油腐蝕與抗振動疲勞性能；

安裝設計：管路采用柔性支撐結構，減少船舶搖晃導致的振動應力，最大振動位移控制在5mm以內；

應用效果：管路服役10年來，經歷南海、太平洋等復雜海域航行，無燃油泄漏與腐蝕現象，燃油輸送效率穩定，維護周期從鋼制管路的2年延長至8年，節省維護成本60萬元。

（四）武器系統：輕量化與精度的雙重保障

艦船武器系統（導彈發射架、魚雷發射管、艦炮炮管）對材料的強度、精度、耐蝕性要求嚴苛，鈦合金的應用可實現輕量化與精度提升，尤其適合艦載導彈發射系統。

1.艦載導彈發射架鈦合金結構件

案例：中國052C型驅逐艦“海紅旗-9”導彈發射架

材料選擇：發射架框架采用TC4鈦合金鍛造件，該合金的抗拉強度達985MPa，滿足導彈發射時的沖擊載荷需求；

加工工藝：采用“模鍛+五軸CNC精銑”工藝，框架關鍵尺寸精度控制在±0.05mm，表面采用陽極氧化處理（膜厚5μm），提升耐磨性與耐蝕性；

應用效果：發射架重量較鋼制版本減重40%（從5噸降至3噸），艦船重心降低5cm，航行穩定性提升，發射架重復定位精度達0.1mm，確保導彈發射精度，服役15年來無腐蝕與結構變形，維護周期從鋼制的1年延長至5年。

2.魚雷發射管鈦合金內襯

案例：俄羅斯“基洛”級常規潛艇魚雷發射管

材料選擇：發射管內襯采用TC11鈦合金，厚度15mm，該合金具有優異的抗海水腐蝕與抗沖擊性能；

加工工藝：采用離心鑄造工藝制造，內襯表面粗糙度Ra≤0.8μm，確保魚雷順暢發射，鑄造致密度≥99.8%；

應用效果：內襯在300米水深（30MPa壓力）下穩定運行，無海水滲漏，魚雷發射時的摩擦阻力較鋼制內襯降低20%，發射速度提升5%，使用壽命達30年，是鋼制內襯的2倍，減少了潛艇的維護次數。

圖 2：“奮斗者” 號萬米載人潛水器鈦合金耐壓殼結構與工藝流程圖

三、鈦合金在深海裝備領域的具體應用場景與詳盡案例

深海裝備是探索與開發深海資源的核心工具，主要包括載人潛水器（HOV）、遙控水下機器人（ROV）、自主水下機器人（AUV）、深海資源開發裝備（采油樹、礦產采集器），鈦合金在這些裝備中主要承擔耐壓殼、結構框架、作業工具等關鍵部件的功能，支撐裝備向萬米深潛、長期作業突破。

（一）載人潛水器（HOV）：鈦合金耐壓殼的萬米深潛突破

載人潛水器的核心部件是耐壓殼，需承受萬米深海的極端壓力，同時要輕量化以確保浮力平衡，鈦合金憑借高比強度成為唯一可滿足萬米深潛的金屬材料，全球僅中、美、俄三國掌握大尺寸鈦合金耐壓殼制造技術。

1.中國“奮斗者”號萬米載人潛水器

案例詳情：

材料選擇：耐壓殼采用TC4-DT鈦合金（Ti-6Al-4VELI），該合金經過特殊熱處理（β熱處理+時效），抗拉強度達950MPa，屈服強度達850MPa，延伸率≥12%，在110MPa壓力下的塑性變形量<0.5%；

結構設計：耐壓殼為球形結構，直徑2.1米，壁厚102mm，采用“整體鍛造+旋壓成型”工藝，避免焊接接頭的應力集中問題，球殼頂部開設直徑500mm的觀察窗接口，接口處采用圓角過渡，最大應力<800MPa；

加工工藝：

原材料采用30噸級TC4-DT鈦合金鑄錠，經VAR雙聯熔煉，氧含量控制在0.10%以下，確保材料純凈度；

采用15000噸快鍛機進行整體鍛造，鍛造溫度920℃，變形量70%，將鑄錠鍛造成厚度120mm的球形毛坯；

采用大型旋壓機進行旋壓成型，旋壓溫度850℃，道次變形量15%，最終成型壁厚102mm，尺寸精度±1mm；

焊后進行熱等靜壓處理（HIP，溫度920℃，壓力100MPa，保溫2小時），消除內部孔隙，致密度達99.98%；

應用效果：“奮斗者”號于2020年11月在馬里亞納海溝成功下潛至10909米，耐壓殼在110MPa壓力下無泄漏、無塑性變形，艙內壓力保持正常（1個大氣壓），可搭載3名潛航員在萬米深海作業6小時，截至2025年已完成150次萬米深潛，耐壓殼無疲勞損傷，預計服役壽命達20年。

2.美國“深海挑戰者”號載人潛水器

案例詳情：

材料選擇：耐壓殼采用Ti-6Al-4V鈦合金，直徑1.0米，壁厚80mm，該合金在110MPa壓力下的安全系數達2.5（設計壓力150MPa）；

加工工藝：采用整體鍛造+CNC銑削工藝，球殼表面粗糙度Ra≤3.2μm，觀察窗采用藍寶石玻璃與鈦合金法蘭密封連接，密封壓力達120MPa；

應用效果：2012年3月，“深海挑戰者”號下潛至10908米，耐壓殼在極端壓力下穩定運行，潛航員詹姆斯?卡梅隆成功完成萬米深海探測，耐壓殼后續檢測顯示無結構損傷，但由于單人體積設計限制，作業能力弱于“奮斗者”號。

（二）遙控/自主水下機器人（ROV/AUV）：輕量化結構件的長期作業支撐

ROV/AUV無需載人，主要用于深海探測、資源勘探，需長期在深海作業（3-6個月），對結構件的輕量化、耐蝕性、抗疲勞性要求高，鈦合金主要應用于框架、推進器、探測設備外殼等部件。

1.中國“潛龍三號”自主水下機器人（AUV）

案例詳情：

材料選擇：

主體框架：采用TA2純鈦管材，直徑30mm，壁厚3mm，重量僅8kg，較鋼制框架（15kg）減重47%；

推進器外殼：采用TC4鈦合金，通過粉末注射成形（MIM）工藝制造，致密度≥99.5%，耐海水腐蝕速率<0.001mm/年；

探測儀外殼：采用TA18鈦合金，壁厚5mm，具有優異的抗沖擊性能（可承受10J沖擊無變形）；

結構設計：框架采用三角形穩定結構，通過有限元分析優化節點應力，最大應力<500MPa，推進器與框架采用鈦合金螺栓連接，避免異種金屬腐蝕；

應用效果：“潛龍三號”最大下潛深度4500米，可在深海連續作業30天，截至2025年已完成南海、印度洋等海域的多金屬結核勘探任務，作業里程達5000公里，鈦合金部件無腐蝕與疲勞損傷，框架變形量<0.5mm，確保探測設備的精度（定位誤差<10米）。

圖 3：艦船鈦合金部件拆解圖（055 型驅逐艦）

2.美國“海神”號遙控水下機器人（ROV）

案例詳情：

材料選擇：機械臂關節采用TC17鈦合金，該合金的屈服強度達950MPa，可承受500N的作業力；

加工工藝：關節采用“鍛造+五軸CNC精銑”工藝，關鍵尺寸精度±0.01mm，表面采用等離子噴涂碳化鎢涂層（厚度0.1mm），提升耐磨性；

應用效果：“海神”號最大下潛深度11000米，機械臂可在萬米深海完成巖石采樣、生物捕捉等作業，鈦合金關節在極端壓力下仍保持靈活，作業精度達0.5mm，截至2025年已完成20次萬米深潛作業，關節無磨損與腐蝕，使用壽命達5年，是鋼制關節的2.5倍。

（三）深海資源開發裝備：耐蝕與耐高壓的作業保障

深海資源開發（油氣、礦產、生物資源）裝備需在高壓、高腐蝕、強磨損環境下長期作業（5-10年），鈦合金主要應用于采油樹、礦產采集器、輸油管道等部件，解決傳統材料易腐蝕、壽命短的問題。

1.深海采油樹鈦合金閥體

案例1：挪威國家石油公司（Equinor）深海采油樹

材料選擇：閥體采用Ti-6Al-4VELI鈦合金，該合金在300℃、含H?S的原油環境中，耐應力腐蝕開裂性能優異；

結構設計：閥體工作壓力150MPa（對應1500米水深），通徑100mm，采用雙閥座密封設計，密封壓力達160MPa；

加工工藝：采用整體鍛造工藝，鍛件重量500kg，鍛造致密度≥99.9%，后續經五軸CNC加工，尺寸精度達API6A標準；

應用效果：閥體在北海1200米水深的采油平臺服役，可承受原油高溫（280℃）與高壓，無腐蝕與泄漏現象，使用壽命達10年，是鋼制閥體（3年）的3.3倍，減少了水下維修次數（鋼制閥體需每3年更換一次，鈦合金無需更換），節省維修成本200萬美元/次。

案例2：中國海洋石油總公司（CNOOC）深海輸油管道

材料選擇：管道采用TA18鈦合金無縫管，直徑200mm，壁厚12mm，該合金的抗氫脆性能優異（在含H?的原油中無脆化現象）；

焊接工藝：采用激光焊接技術，焊接速度1.5m/min，焊后進行在線退火處理，接頭強度達480MPa，腐蝕速率<0.001mm/年；

應用效果：管道在南海1500米水深的“深海一號”能源站服役，輸油壓力10MPa，年輸油量150萬立方米，服役5年來無腐蝕與泄漏，管道內壁無結垢，輸油效率保持穩定，維護周期從鋼制管道的2年延長至8年。

2.深海多金屬結核采集器鈦合金鏟斗

案例：中國“深海采礦試驗系統”采集器

材料選擇：鏟斗采用TC4鈦合金，厚度15mm，該合金的硬度達HB300，耐磨損性能優異（磨損速率<0.1mm/年）；

結構設計：鏟斗容積0.5m3，采用仿生設計（模擬海龜嘴部結構），提升采集效率，鏟斗與框架采用鈦合金銷軸連接，銷軸直徑30mm，抗拉強度達900MPa；

加工工藝：鏟斗采用超塑成形+擴散焊接（SPF/DB）工藝，一體成型復雜曲面，減少焊接接頭，提升結構強度；

應用效果：采集器在太平洋5000米水深的多金屬結核礦區進行試驗，單日采集量達50噸，鈦合金鏟斗在與海底巖石的摩擦中無明顯磨損，變形量<1mm，采集效率較鋼制鏟斗提升20%，使用壽命達8年，是鋼制鏟斗（2年）的4倍。

四、鈦合金在艦船與深海裝備領域的加工工藝突破

艦船與深海裝備用鈦合金部件具有“大尺寸、復雜結構、高精度、厚壁”的特點，傳統加工工藝（如普通鍛造、焊接）難以滿足需求，近年來超塑成形、熱等靜壓、大型3D打印、高精度焊接等工藝的突破，為鈦合金部件的規?；瘧锰峁┝思夹g支撐。

（一）超塑成形（SPF）：復雜曲面構件的一體成型

超塑成形是利用鈦合金在特定溫度（通常為0.6-0.8T?，T?為熔點）下的超塑性（延伸率可達1000%-2000%），通過氣體壓力使坯料貼合模具成型，適合制造艦船排氣管、深海裝備耐壓殼等復雜曲面構件，可減少焊接接頭，提升結構強度。

1.工藝優勢與參數

核心優勢：一體成型復雜結構，材料利用率從傳統鍛造的30%提升至85%，減少焊接接頭50%以上，避免焊接應力腐蝕；

典型參數：TC4鈦合金的超塑成形溫度為900-950℃，應變速率為1×10??-1×10?3s?1，氣體壓力為0.3-1.0MPa，成型時間為1-4小時；

設備支撐：采用大型超塑成形液壓機（噸位≥5000噸），配備真空加熱爐（真空度≤1×10?3Pa），確保成形過程無氧化。

圖 4：深海采油樹鈦合金閥體結構與服役環境示意圖

2.應用案例：寶鈦集團艦船鈦合金排氣管

部件規格：排氣管直徑1.2米，長度3米，壁厚8mm，采用TC4鈦合金；

工藝流程：

制備鈦合金板材坯料（厚度10mm，尺寸1.5m×3.5m），經固溶處理（950℃，保溫1小時）細化晶粒；

將坯料放入超塑成形模具，模具加熱至920℃，通入氬氣（壓力0.5MPa）使坯料貼合模具；

保溫2小時后冷卻至室溫，取出工件，后續進行CNC精銑（尺寸精度±1mm）；

效果：排氣管一體成型，無焊接接頭，重量較焊接結構減重15%，高溫（500℃）下的結構穩定性提升30%，已批量供應中國055型驅逐艦。

（二）熱等靜壓（HIP）：消除內部缺陷，提升構件致密度

熱等靜壓是將鈦合金坯料置于高溫高壓環境（溫度800-1000℃，壓力100-200MPa）下，通過惰性氣體（氬氣）均勻施壓，消除內部孔隙、裂紋等缺陷，提升致密度與力學性能，適合艦船推進軸、深海耐壓殼等承力部件。

1.工藝優勢與參數

核心優勢：致密度從98%提升至99.9%以上，疲勞強度提升20%-30%，消除鑄造或鍛造缺陷；

典型參數：TC4-DT鈦合金的熱等靜壓溫度920℃，壓力100MPa，保溫時間2小時，冷卻速率5℃/min；

設備支撐：采用大型熱等靜壓設備（有效容積≥1m3），配備高精度溫度與壓力控制系統（溫度誤差±5℃，壓力誤差±1MPa）。

2.應用案例：中國“奮斗者”號耐壓殼熱等靜壓處理

部件規格：耐壓殼為TC4-DT鈦合金球形鍛件，直徑2.1米，壁厚102mm；

工藝流程：

球形鍛件鍛造后，放入熱等靜壓設備，抽真空至1×10?3Pa；

升溫至920℃，升壓至100MPa，保溫2小時，使內部孔隙（直徑≤50μm）閉合；

緩慢冷卻至300℃以下，取出鍛件，進行無損檢測（UT探傷，缺陷檢出率100%）；

效果：耐壓殼致密度達99.98%，內部孔隙完全消除，疲勞強度從475MPa提升至520MPa，在110MPa壓力下的塑性變形量<0.5%，滿足萬米深潛需求。

圖 5：鈦合金超塑成形工藝流程圖（艦船排氣管）

（三）大型3D打印（增材制造）：復雜結構構件的快速制造

大型3D打印技術（如激光熔融沉積LMD、電子束熔融EBAM）可直接制造大尺寸、復雜結構的鈦合金構件，無需模具，縮短研發周期，適合艦船桅桿、深海機器人框架等部件，尤其適合小批量、定制化生產。

1.工藝優勢與參數

核心優勢：復雜結構一次成型，研發周期從傳統工藝的6個月縮短至2個月，材料利用率達90%以上；

典型參數：TC4鈦合金激光熔融沉積（LMD）的激光功率3000-5000W，掃描速度500-1000mm/min，層厚0.5-2mm，致密度≥99.5%；

設備支撐：采用大型LMD設備（成型尺寸≥3m×2m×1.5m），配備多軸聯動系統，實現復雜曲面成型。

2.應用案例：中國船舶重工702所深海機器人框架

部件規格：框架為TA2純鈦，尺寸2m×1.5m×0.8m，壁厚5-8mm，結構包含復雜鏤空與加強筋；

工藝流程：

基于CAD模型切片，生成LMD加工路徑；

采用5000W光纖激光器，以TC4鈦合金粉末（粒徑53-150μm）為原料，在惰性氣體保護下逐層沉積；

成型后進行熱等靜壓處理（850℃，100MPa）與CNC精銑，尺寸精度±0.1mm；

效果：框架一體成型，零件數量從傳統焊接的30個減少至1個，重量減重20%，研發周期從4個月縮短至1.5個月，在4500米水深測試中，框架變形量<0.3mm，滿足深海作業要求。

（四）高精度焊接：厚壁與大尺寸構件的連接保障

艦船與深海裝備用鈦合金部件多為厚壁（≥10mm）、大尺寸，焊接是關鍵連接工藝，需解決焊接變形、應力腐蝕、接頭強度不足等問題，常用工藝包括鎢極氬弧焊（TIG）、電子束焊接（EBW）、激光焊接（LBW）。

1.電子束焊接（EBW）：厚壁構件的高效焊接

工藝優勢：能量密度高（1×10?-1×10?W/cm2），可焊接厚壁（≤100mm）鈦合金，焊接速度快（1-5m/min），熱影響區?。ā?.5mm）；

典型參數：TC4鈦合金厚板（50mm）焊接的電子束加速電壓60kV，束流100mA，焊接速度2m/min，真空度1×10?2Pa；

應用案例：俄羅斯“北風之神”級核潛艇鈦合金推進軸焊接，軸體直徑1.8米，壁厚50mm，采用電子束焊接后，接頭強度達900MPa，與母材強度比0.92，無焊接變形，滿足水下無磁與耐蝕要求。

2.激光焊接（LBW）：大尺寸構件的精準焊接

工藝優勢：可實現遠程焊接，適合大尺寸構件（如艦船船體），焊接變形小，精度高（定位誤差±0.1mm）；

典型參數：TC4鈦合金板材（12mm）焊接的激光功率10kW，掃描速度1.5m/min，離焦量+2mm，保護氣體為氬氣（流量20L/min）；

應用案例：中國“雪龍2”號科考船鈦合金甲板焊接，甲板尺寸10m×5m，厚度12mm，采用激光焊接后，焊接變形量<0.5mm/m，接頭腐蝕速率<0.001mm/年，滿足極地科考的耐低溫與耐蝕要求。

圖 6：全球艦船與深海裝備鈦合金用量趨勢圖（2020-2030）

五、鈦合金在艦船與深海裝備領域的挑戰與未來展望

盡管鈦合金在艦船與深海裝備領域已實現規?；瘧茫蟪叽鐦嫾庸るy度大、成本高、標準體系不完善、回收利用技術滯后等問題仍客觀存在。未來五年，隨著海洋開發需求的升級與技術突破，鈦合金將向“低成本、大尺寸、多功能”方向發展，進一步擴大應用范圍。

（一）當前面臨的核心挑戰

1.大尺寸、厚壁構件加工難度大

艦船船體、深海耐壓殼等構件需大尺寸鈦合金板材（寬度≥3米，厚度≥100mm）與鍛件（重量≥50噸），但全球僅少數企業（如寶鈦集團、美國ATI）具備生產能力，且加工工藝復雜：

軋制難度：大尺寸鈦合金板材軋制需萬噸級軋機（≥15000噸），軋制溫度控制精度要求高（±5℃），否則易出現裂紋，寶鈦集團3米寬TC4板材的軋制良率僅為65%；

鍛造難度：50噸級鈦合金鍛件需多次鍛造（≥5道次），每道次變形量需控制在30%-40%，避免晶粒粗大，俄羅斯“北極”級破冰船鈦合金破冰艏鍛件的鍛造周期長達2個月；

成本高企：大尺寸鈦合金構件的成本是同規格鋼制構件的3-5倍，如“奮斗者”號耐壓殼成本達2000萬元，制約其在中低端裝備中的應用。

2.標準體系不完善，性能評價缺失

艦船與深海裝備用鈦合金缺乏統一的標準體系，不同國家、企業的技術要求差異大：

材料標準：中國GB/T3620.1-2016未明確深海鈦合金的耐高壓、抗氫脆指標，美國ASTMB265-25雖有規定，但與中國標準的成分限定存在差異（如TC4鈦合金鐵含量：GB≤0.3%vsASTM≤0.4%），導致出口構件需重新調整成分；

性能測試標準：深海裝備鈦合金的耐高壓性能測試無統一方法，中國采用“靜水壓力試驗”，美國采用“有限元模擬+抽樣測試”，測試結果差異達10%；

焊接標準：鈦合金厚壁焊接的接頭強度、腐蝕性能評價標準缺失，中國055型驅逐艦鈦合金管路焊接需企業自行制定內控標準，增加研發成本。

3.回收利用技術滯后，資源浪費嚴重

艦船與深海裝備報廢后，鈦合金部件的回收利用率低（<30%），遠低于鋁合金（95%）與鋼（85%）：

分離困難：鈦合金部件多與其他材料（鋼、塑料、復合材料）復合，如艦船管路與鋼制法蘭連接，分離需專用設備，成本占回收成本的60%；

再生技術：鈦合金廢料再生需真空自耗電弧爐重熔，能耗是原生鈦的60%，且再生鈦的純度（99.5%）低于原生鈦（99.9%），難以用于高精度構件；

回收網絡：缺乏專門的艦船與深海裝備鈦合金回收渠道，報廢裝備多被整體拆解后當作普通金屬處理，寶鈦集團每年回收的艦船鈦合金廢料僅為年產量的15%。

4.多功能化需求待滿足

未來深海裝備需鈦合金具備“耐高壓+抗生物附著+智能感知”等多功能，但現有技術難以實現：

抗生物附著：深海微生物易在鈦合金表面附著（如海藻、貝類），影響裝備性能，現有涂層（如銅基涂層）會降低鈦合金的耐蝕性；

智能感知：深海裝備需實時監測鈦合金構件的應力、腐蝕狀態，但傳統傳感器難以在高壓環境下長期工作，智能鈦合金（嵌入傳感器）仍處于研發階段。

圖 7：鈦合金厚壁焊接工藝對比圖（電子束焊接 vs 激光焊接）

（二）未來發展展望（2026-2030）

1.低成本鈦合金研發，擴大應用范圍

材料創新：開發低成本鈦合金（如Ti-Fe-Mo系），用廉價的鐵、鉬替代釩元素，成本較TC4降低30%，適合中低端艦船管路、深海機器人框架，預計2028年實現量產；

工藝優化：推廣“近凈成形”工藝（如大型3D打印、超塑成形），減少后續加工量，寶鈦集團計劃將大尺寸鈦合金板材的軋制良率提升至85%，成本降低20%；

規模效應：隨著全球艦船與深海裝備鈦用量的增長（2030年預計達15萬噸），規模效應將使鈦合金構件成本降至鋼制構件的2倍以內，推動其在民用科考船、深海養殖裝備中的普及。

2.大尺寸、多功能鈦合金技術突破

大尺寸構件生產：寶鈦集團計劃建設50噸級鈦合金鍛件生產線，2027年可生產直徑3米、重量100噸的鈦合金耐壓殼，滿足萬米級載人潛水器的升級需求；

多功能涂層：研發“耐蝕+抗生物附著”復合涂層（如TiO?/Ag復合涂層），在保持鈦合金耐蝕性的同時，抗菌率≥99%，預計2029年應用于深海采油裝備；

智能鈦合金：開發嵌入光纖傳感器的智能鈦合金構件，可實時監測應力（精度±5MPa）、腐蝕速率（精度±0.0001mm/年），2030年將應用于深海耐壓殼，實現“健康監測-預警”一體化。

3.標準體系完善與國際協同

國內標準補位：中國計劃在2027年前出臺《深海裝備用鈦合金耐高壓性能測試方法》《艦船鈦合金焊接接頭技術要求》等10項標準，統一材料性能指標與測試方法；

國際標準協同：依托“一帶一路”海洋合作，推動中國GB標準與ISO、ASTM標準的互認，重點在深海鈦合金耐高壓、抗氫脆指標上達成共識，預計2030年主導制定2-3項ISO標準；

性能數據庫建設：建立全球艦船與深海裝備鈦合金性能數據庫，整合中、美、俄等國的測試數據（如耐蝕性、疲勞性能），為標準制定與裝備設計提供支撐。

4.回收利用體系構建，推動綠色發展

技術升級：開發“機械分離-真空精煉”一體化回收工藝，鈦合金廢料的分離效率提升至90%，再生鈦純度達99.8%，可用于中高端構件，預計2028年實現產業化；

回收網絡建設：中國計劃在青島、湛江等港口建立艦船鈦合金回收中心，2030年形成“報廢-回收-再生”閉環，回收利用率提升至60%；

綠色制造：推廣“海綿鈦-鈦材-回收”全生命周期綠色制造，鈦合金生產的碳排放較2025年降低30%，符合全球“雙碳”目標，提升中國鈦合金產業的國際競爭力。

六、結論

鈦合金憑借“耐蝕性、高比強度、抗疲勞、無磁性”的核心優勢，已成為艦船與深海裝備向“高速化、萬米深潛、長壽命”升級的關鍵材料。從“奮斗者”號的萬米耐壓殼到055型驅逐艦的鈦合金管路，從深海采油樹的耐蝕閥體到“潛龍三號”的輕量化框架，鈦合金不僅突破了極端工況下的性能瓶頸，更推動了海洋工程技術的跨越式發展。

圖 8：2030 年鈦合金在艦船與深海裝備領域的應用展望圖

盡管當前面臨大尺寸加工難、成本高、標準不完善等挑戰，但隨著低成本鈦合金研發、大型3D打印工藝突破、回收體系構建，未來五年鈦合金將在艦船與深海裝備領域實現“從高端到普及、從單一性能到多功能”的跨越。預計2030年，全球艦船與深海裝備鈦合金用量將突破15萬噸，中國將以60%的市場份額成為核心引領者，為全球海洋開發提供“中國材料”支撐。

參考文獻：

1《GB/T3620.1-2016鈦及鈦合金牌號和化學成分》（國家市場監督管理總局，2016）

2、《TC4-DT鈦合金在萬米深海環境下的力學性能與腐蝕行為研究》（中國船舶重工702所，2024，《中國造船》）

3、《2025全球艦船與深海裝備用鈦合金性能測試白皮書》（SGS，2025）

4、《寶鈦集團055型驅逐艦鈦合金管路技術方案》（寶鈦集團有限公司，2025）

5、《“北極”級核動力破冰船鈦合金破冰艏的鍛造工藝與性能優化》（俄羅斯國家有色金屬研究院，2024，《Metallurgist》）

6、《2025年全球軍用艦船鈦合金應用報告》（美國防務新聞，2025）

7、《“奮斗者”號萬米載人潛水器鈦合金耐壓殼研制報告》（中國科學院金屬研究所，2020）

8、《“潛龍三號”AUV鈦合金框架的輕量化設計與深海性能驗證》（中國科學院沈陽自動化研究所，2025，《機器人》）

9、《Equinor深海采油樹鈦合金閥體服役評估報告》（挪威國家石油公司，2025）

10、《大型鈦合金耐壓殼的熱等靜壓工藝優化與致密度控制》（寶鈦集團，2025，《稀有金屬材料與工程》）

11、《GB/T45339-2025熱等靜壓鈦合金件通用技術規范》（國家市場監督管理總局，2025）

12、《大型激光熔融沉積鈦合金構件在艦船中的應用前景》（中國船舶重工集團，2025）

13、《2025-2030全球艦船與深海裝備鈦合金市場預測》（GEPResearch，2025）

14、《“十四五”海洋經濟發展規劃》（中國發改委，2021）