PART 01 鈦金屬的來源

鈦金屬最早在1791年被英國一位名叫格雷戈爾的業余礦物學家發現的，到1795年，德國化學家克拉普魯斯以希臘神Titans命名了這種未知的金屬物質，中文英譯為“鈦”。鈦在地球上儲量豐富，已知的鈦礦物有140多種，但工業應用主要是鈦鐵礦和金紅石，其中中國鈦鐵礦儲量占到全球儲量的28%，排名全球第一。

圖1 鈦元素的物理和化學性質

鈦是世界上公認的無毒元素，開采和生產成本高，價格昂貴。由于耐高低溫、抗強酸堿、高強度、低密度等一系列資質，成為NASA同款火箭衛星專用材料，也被應用于我國的玉兔號、殲20、山東艦航母等超級項目。在上世紀80年代走入民用領域后，以其天然具有的抑菌性與親生物性，一躍成為是食器界的“榮譽金屬王”。

我國的鈦工業起步于20世紀50年代，到60年代中期，我國分別在遵義和寶雞建成海綿鈦和鈦加工生產廠，這意味著中國已經成為全球鈦工業強國之一。21世紀我國鈦工業進入了加速發展的新時期，鈦產能位居全球前列。

PART 02 純鈦和鈦合金的區別

純鈦：

或叫工業純鈦或商業純鈦，是按照雜質元素的含量劃分等級的。它具有優良的沖壓工藝性能和焊接性能，對熱處理及組織類型不敏感，在令人滿意的塑性條件下具有一定的強度。它的強度主要取決于間隙元素氧、氮的含量。

鈦合金：

鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金，屬于比較年輕的金屬，從發現到現在也就六七十年的歷史。

鈦合金材料具有質量輕，強度大，彈性小，耐高溫和耐腐蝕等特點，主要用于航空發動機、火箭、導彈等部件。

鈦有兩種同質異晶體；鈦是同索異構體，熔點為1720 °C，在低于882 °C時呈密排六方晶體格結構，稱為α-鈦；在882°C以上呈體心立方品格結構，稱為β-鈦，利用鈦的上述兩種結構的不同特點，添加適當的合金元素，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金。

鈦合金元素根據它們對相變溫度的影響可分為三類：

①穩定α相、提高相轉變溫度的元素為α穩定元素，有鋁、鎂、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強度，降低比重、增加彈性摸量有明顯效果。

②穩定β相、降低相變溫度的元素為β穩定元素。又可分同晶型和共析型兩種，前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、硅等。

③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

PART 03 鈦及鈦合金的應用

鈦及鈦合金材料雖然儲量豐富，價格卻十分昂貴，這是因為鈦在高溫條件下化學活性小，其冶煉技術及操作環境十分苛刻，必須要在高溫、真空條件下進行冶煉，溫度常達到800 ℃以上，相比于鋼鐵冶煉要困難許多。因此每每提到鈦合金的時候，人們都覺得它是高檔金屬材料，產量低價格貴，應用很少。

目前，由于鈦合金重量輕、強度大又耐高溫的優異性能，鈦及鈦合金材料廣泛用于各國的尖端武器和國之重器的制造上，如尤其適合應用于航空航天領域。舉例應用領域如下：

化工領域

制堿行業：鈦合金制冷器的出現可以很好地解決由于傳統冷卻工藝不合理出現產出氯氣質量不合格的現象。同時改變了氯堿工業的生產面貌，投入的鈦合金制冷器壽命可長達20年。

制鹽行業：目前較為先進的制鹽工藝為真空制鹽，而此過程中產生的高溫濃鹽水會對碳鋼結構造成嚴重的破壞，產生設備滴漏現象。將鈦鋼復合結構用于加熱室與蒸發室，可以有效防止結鹽垢，提高制鹽品質，同時減輕蒸發過程中高濃度鹽水對管壁的腐蝕，延長檢修周期。

航空航天領域

航空工業：鈦合金的應用分為飛機結構鈦合金和發動機結構鈦合金。飛機鈦合金結構件主要應用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等；航空發動機方面鈦合金主要應用于壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉子、壓氣機機匣等。

圖2 鈦在飛機上的應用部位示意圖

航天工業：航天飛行器的工作條件非常極端，除了材料的結構設計需要高超的技術外，材料本身的優異特性和功能也很重要，因此鈦合金在眾多材料中脫穎而出。在宇航設備方面，20世紀60年代美國阿波羅計劃中的宇宙飛船雙人艙及密閉艙翼梁及肋都由Ti-5Al-2.5Sn制造，襯里則由純鈦制造；德國MT宇航公司制備出高強Ti-15V-3Cr合金推進系統貯箱，并應用于歐洲阿爾法通信衛星巨型平臺；俄羅斯鈦合金在航天工程上的應用實例很多，如能源號運載火箭使用了重3.5噸的BT23鈦合金大型模鍛件和鍛件；此外鈦合金還應用于液體燃料火箭發動機的燃料艙、低溫液體儲存箱及液氫輸送泵葉輪等。

同樣，國內航天工程的迅猛發展中，鈦合金也得到廣泛的應用，1970年東方一號衛星到現在的神州系列飛船、嫦娥探測器等都有使用鈦合金，此外我國研制的液氫環境下使用的低溫TA7ELI鈦合金氣瓶已用于長征系列運載火箭；哈工大用TC4鈦合金制備了月球車的輪圈；此外我國還用BT20等高強鈦合金制造導彈的發動機殼體、噴管等構件。

船艦領域

鈦及鈦合金廣泛應用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇，以及螺旋槳推進器、鞭狀天線、海水管路、冷凝器、熱交換器、聲學裝置、消防設備上。如美國的“海崖”號深潛器裝備了鈦觀察艙和操縱艙；日本東邦鈦公司與藤新造船所共同建造了“摩利支天Ⅱ號”全鈦制快艇；我國首臺自主設計、自主集成的載人潛水器“蛟龍”號也應用了鈦合金。

PART 04 不同服役工況下的腐蝕行為研究

鈦及鈦合金在服役過程中會出現點蝕、應力腐蝕和電偶腐蝕等問題，因此對于鈦及鈦合金腐蝕行為的研究極為重要。

海洋工程：

鈦及鈦合金輕質、高強、耐蝕，有著“海洋金屬”的稱譽，近些年在海洋工程中逐漸取代不銹鋼獲得應用。海洋環境極端惡劣，表層海水是天然的電解質，含鹽量大，導電性強，海水中的氯離子也會對鈦金屬表面的鈍化膜產生破壞。隨著深潛器潛入海洋深度的增加，材料將承受巨大的靜水壓力，靜水壓力通過促進點蝕、破壞表面鈍化膜等方式影響材料的耐蝕性能，同時海水中的含鹽量、含氧量、pH值和溫度等均會隨海洋深度而改變，對鈦材的腐蝕行為造成不同的影響。

國內外科研工作者對于鈦及鈦合金在海洋環境下的腐蝕行為進行了多方面的研究，發現深海環境會促進TA2純鈦和TC4鈦合金的腐蝕；靜水壓力能夠促進TA2純鈦的均勻腐蝕及陰極析氫反應，當靜水壓增大到一定程度后，腐蝕電流密度隨著靜水壓的增大而增大；深海環境中具有微量硫化物，可造成TA2純鈦鈍化膜的穩定性下降；較高的靜水壓會增加TC4鈦合金的應力腐蝕敏感性，降低鈍化膜中TiO2的含量，而較大的氧溶解度可以降低TC4鈦合金的應力腐蝕敏感性；Ti80、Ti75和Ti31合金在模擬深海環境中沒有明顯的應力腐蝕傾向；靜水壓力對Ti75合金的應力腐蝕敏感性沒有明顯影響，該合金氫致應力腐蝕發生的臨界電位為–0.77 Ｖ。

雖然對于鈦及鈦合金在海洋環境下的腐蝕行為取得了頗豐的成果，但模擬條件和實際工況仍存在一些差距，使得這些成果對于海洋工程的實際指導存在一定的局限性，亟待工程人員完善相關深海模擬實驗裝置。此外，隨著我國深海事業的快速發展，亟需開發新型鈦合金來滿足深海復雜多變的苛刻環境，這也將是鈦及鈦合金領域未來重要的研究方向之一。

航空工業：

在航空工業中，鈦合金被大量用作中端壓氣機葉片，面臨高溫、高壓和復雜氣流環境的挑戰。隨著航空發動機推力的升級，鈦合金葉片工作溫度也越來越高，在高溫下鈦合金氧化速度相當快，造成鈦合金葉片的腐蝕情況較為嚴重，同時產生的氧化物也將降低零件的承載面積。

另一方面，艦載機在海洋服役條件下，發動機還會面臨高濕、高鹽霧的熱帶海洋環境，鈦合金葉片表面會形成混合鹽膜。

此外，在發動機運轉和停靠的轉換過程中，鈦合金葉片也會經歷濕態和干態的交替動態腐蝕，嚴重影響其在高溫環境下的使用壽命。

但是綜合考慮，鈦合金仍是航空發動機中最具應用潛力的材料之一，系統開展鈦合金高溫腐蝕失效理論研究具有重要的意義。

近年通過研究發現：TA15鈦合金對熱鹽應力腐蝕非常敏感，在腐蝕過程中α相界會發生復雜的化學反應，形成的腐蝕氧化物向基體內擴散，嚴重降低材料的持久壽命；在600~700 ℃下，Ti650合金氧化初期反應較為劇烈，氧化時間超過50小時后趨于平穩，其氧化反應指數n大于2，氧化反應產物主要為顆粒狀TiO2；對于TA2純鈦及TC4、Ti60合金，Ti60合金的高溫抗氧化能力最強，其氧化過程受擴散過程的控制，但在800 ℃時，富Sn、Nd相的析出誘導了氧化膜的剝離，使得Ti60合金的抗氧化能力有所下降。

鈦合金在航空工業中首先面臨的是高溫氧化問題，科研工作者也對此進行了大量的研究，但近些年來我國大力建設深藍海軍，其艦載機服役環境與內陸大不相同。在南海等遠海環境中，艦載機發動機上的鈦合金零部件將面臨高溫、高濕并伴隨有高濃度鹽霧的苛刻腐蝕條件，目前研究者對此方面的研究較少，未來將會是鈦合金重要的發展方向之一。

油氣開采和化學工業：

鈦及鈦合金因其優良的耐腐蝕性能逐漸應用于油氣開采、化學工業等酸性工況下。為此，國內外科研工作者對鈦及鈦合金在酸性條件下的腐蝕行為進行了大量研究。

如研究發現Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo和Ti-5.5Al-4.5V-2Zr-1Mo這5種油氣開發常用鈦合金材料在所測試工況條件下，其腐蝕反應均為陽極控制過程，均勻腐蝕速率均低于0.001 mm/a，并且對應力腐蝕開裂均有良好的抗力；在實際工況下，隨著pH值的降低，所有鈦合金自腐蝕電位均會降低，極化電阻減小，腐蝕電流增大，耐腐蝕性能下降；對Gr.2純鈦和Gr.7鈦合金在5種不同的強還原酸中進行浸漬試驗和電化學表征，研究發現Gr.2純鈦和Gr.7鈦合金在硫酸中的腐蝕最為劇烈，并且在一定的測試時間內，腐蝕介質溫度越高，腐蝕速率越高。

鈦金屬在油氣開采、化學工業等領域具有很大的潛在應用價值，在這一方向，科研工作者的研究重心仍聚焦于如何提高鈦及鈦合金在酸性環境下（鹽酸、氫氟酸等還原性酸）的耐腐蝕性能，增強鈦及鈦合金在酸性環境中的適用性。

PART 05 鈦及鈦合金表面處理技術

近年來，為進一步提升鈦及鈦合金的耐腐蝕性能以滿足更加嚴苛的服役環境，科研人員對其表面處理技術進行了大量的研究。目前應用較多的鈦及鈦合金表面處理技術有微弧氧化、氣相沉積（物理/化學）、離子注入技術、表面鍍層技術等。

研究表明：采用微弧氧化+高溫氧化+硅烷化封孔處理工藝在TC4鈦合金表面制備出的微弧氧化膜層能夠有效防護TC4鈦合金；石墨烯納米涂層對TC4鈦合金具有長期防護能力，當其在強酸性腐蝕介質（pH值為2.0）中長期浸泡后，該納米涂層依舊表現出非常高的結構完整性，涂層覆蓋面積大于98%；利用雙輝等離子表面滲鉻和磁控濺射鍍鋁工藝可以在Ti2AlNb合金表面制備出均勻致密，無孔隙、裂紋等缺陷的Al/Cr復合涂層，該涂層厚度約為73 μm，由表及里可明顯分為4層：Al沉積層、Al/Cr合金層、Cr沉積層和Cr擴散層，能夠顯著提升Ti2AlNb合金基體在Na2SO4熔鹽環境中的熱腐蝕抗力。

PART 06 鈦及鈦合金現存問題及腐蝕研究方向

盡管鈦及鈦合金已經取得了顯著的發展，但存在的問題也隨之暴露出來，對于鈦合金的發展也面臨著不小的挑戰。主要體現在以下三個方面：

(1) 產量方面。我國雖為鈦工業大國，但在生產中高品質產品數量不高，特殊性能的鈦產品種類少，其次，我國還不能批量穩定生產鈦帶和鈦擠壓型材，限制了鈦及鈦合金在航空航天、海洋等領域的開發利用。要想進一步將航空發動機鈦用量提高至50%左右難度仍然很大。

(2）性能方面。由于鈦金屬具有高化學活性，容易被其他元素污染，因此鈦合金的加工和制造工藝非常高，同時加工出的高性能產品需要和綜合考慮其力學、物理、化學、工藝性能，現有的鈦合金在600 ℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金擴大應用的兩大主要障礙。

(3) 成本方面。目前各國都在努力降低鈦合金的應用成本，也取得了很多成就，但就我國的目前的形勢而言，我國管理和技術水平還未達到理想高度，國內鈦合金產品價格在國際上競爭力較差，不利于進一步擴大使用。

隨著鈦及鈦合金在海洋工程、航空工業、油氣開發、化學工業等領域的成功使用，極大促進了其腐蝕行為的基礎研究。但是，隨著科技及工業的快速發展，鈦及鈦合金的服役環境也日趨苛刻和復雜。鑒于當前鈦及鈦合金面臨的市場需求和挑戰，未來鈦及鈦合金腐蝕行為研究的方向主要有以下幾個方面：

1 在現有研究的基礎上深入探究鈦及鈦合金在多影響因素（腐蝕介質、溫度、應力）耦合作用下的腐蝕失效行為及防護技術。

2 注重利用數值模擬等手段從微觀尺度探究鈦及鈦合金的腐蝕機理，并對合金成分進行優化，逐步建立鈦及鈦合金腐蝕性能與加工工藝參數數據庫，為新型耐蝕鈦合金開發提供數據和理論支撐，降低研發成本，提高研發效率。

3 進一步降低各種表面處理技術的成本，并結合鈦及鈦合金現有表面處理技術，綜合開發“多技術復合防護”技術，深入開展腐蝕與防護機理研究。未來，科研工作者要深入探究更適合于提升鈦及鈦合金綜合性能的新型表面處理技術。