李爭顯 西北有色金屬研究院副總工程師

    鈦元素發現于 1791 年，1908 年挪威和美國開始用硫酸法生產鈦白，1910 年在試驗室中第一次用鈉法制得海綿鈦，1948 年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產海綿鈦，這標志著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。我國的鈦材料，已經有了六十多年的發展。在這六十多年里，中國鈦研究及鈦工業取得了非常大的發展，從鈦材料的發展就可以看出我國工業的發展脈搏，目前，我國對鈦材料的研究已經進入了自主研發的階段，鈦合金材料因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。我國鈦合金材料在防腐領域里的研究進展如何？未來將何去何從？帶著一系列的問題記者邀請到了西北有色金屬研究院副總工程師，西北有色金屬研究院腐蝕與防護研究所所長，國家 XX 稀有金屬科研生產基地表面研制平臺主任，陜西省稀有金屬表面工程技術中心主任李爭顯教授做相關方面的精彩解讀。

    記者：鈦合金是 20 世紀 50 年發展起來的一種重要的結構金屬，請您介紹一下我國自主研發的鈦合金的研究現狀及發展情況。

    李教授：我國的鈦工業起步于 20世紀 50 年代。1954 年北京有色金屬研究總院開始進行海綿鈦的制備工藝研究，1956 年國家把鈦當作戰略金屬列入了發展規劃，1958 年在撫順鋁廠實現了海綿鈦工業試驗，成立了中國第一個海綿鈦生產車間，同時在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦加工生產試驗車間。1965 年建立了遵義鈦廠、寶雞稀有金屬研究所（西北有色金屬研究院）和寶雞有色金屬加工廠開始了鈦材的工業化生產 。對于我國的鈦材料，如果從 1954 年開始研究，開始計算，經歷了 1965 年的工業規模生產和 21 世紀的高速發展，已經有了六十多年的發展。在這六十多年里，中國鈦研究及鈦工業取得了非常大的發展，到 2016 年我國鈦錠的年產能達到 13.5 萬噸，已經成為名副其實的世界鈦產量“老大”。

    2016 年，世界鈦工業受全球經濟企穩的影響，航空航天、一般工業、能源和石化等領域的鈦需求逐漸復蘇。在目前全球鈦市場格局中，美俄以航空航天工業為主，其產量占到 70% 以上；而日中基本以民用（一般工業、化工等）為主，其產量占到 50% 以上。俄羅斯鈦加工材需求量在長期訂單的維持下與上年基本持平（2.9 萬噸）。而我國2016 年鈦錠的生產為 66479t，鈦加工材為 49483t。

    從鈦材料的發展就可以看出我國工業的發展脈搏，體現了我國的發展特點。我國的鈦工業從航天工業起步，發展得益于石化領域的應用，進一步提升需要航空和海洋工業的發展需求牽引。據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會統計，我國鈦工業 2016 年在化工領域的鈦用量高達 42%，而航空航天為 19.3%，占第二位。海洋工程和船舶兩項之和僅為6.3%。因此，發揮鈦在海洋環境中優良的耐蝕性能，擴大鈦在海洋工程及船舶領域中的應用，不僅是鈦工業的需要，更是提升海洋工程及船舶水平的需要。

    我國對鈦材料的研究已經進入了自主研發的階段，從開始仿制到現在的自主研發，主要的支撐點是我國的鈦材料科研隊伍和能夠不斷提出新要求的應用需求。據不完全統計，我國高等學校中，從事材料專業的研究團隊幾乎都或多或少都涉及到鈦材料，并且體現出門類齊全的狀態。合金設計、熔煉、加工、表面處理、性能評價、應用技術等方方面面均有較龐大的研究隊伍。可以預計，在“十三五”期間，我國鈦產業會在自主的道路上，特別是在自主的海洋用鈦合金方面會取得可喜的成績。

    記者：近幾年，我國鈦工業和技術得到迅猛發展，請您介紹一下鈦合金在海洋防腐領域里的應用情況，以及在海洋環境下鈦合金表面防護技術的研究進展。

    李教授：鈦及鈦合金具有十分優異的綜合性能 , 特別是非常優秀的耐海水腐蝕能力，對提升海工裝備技戰術性能，提升海洋資源開發裝備水平有重要意義。自 20 世紀 80 年代起 , 西方發達國家就已經開始在其常規潛艇、核潛艇、航母、水面艦艇以及深潛器等設備上使用鈦金屬材料替代 CuNi 合金、不銹鋼以及鎳基合金 , 制造動力系統 （ 蒸汽發生器和螺旋槳推進器等）、通海管路系統、熱交換器、耐壓殼體、聲吶系統、排煙管道、消防系統、泵閥系統、通信系統等的裝備和部件 , 從而大大地延長了設備的使用壽命 , 降低了維護成本 , 提高了安全性、運載能力和機動性能等。

    我國鈦及鈦合金在海洋領域里主要有以下應用：

    鈦金屬材料在艦船上的應用

    載人深潛器耐壓殼體：從 2002 年開始 , 我國用鈦合金 （TC4） 建造“蛟龍”號載人深潛器 , 該深潛器的耐熱殼體內徑尺寸為 2.1m, 深潛器重 22.9t, 最大下潛深度為 7000m, 可探測世界 99.8%的海域。2012 年 ,“蛟龍”號試航成功 ,使我國進入了世界深潛器設計、制造先進國家行列。

    我國艦船用鈦經過各方面長期努力 , 已取得長足進步 , 獲得多方面的成果。在動力系統、管路系統、傳動系統、螺旋槳等部位已經應用了鈦合金 , 所涉及鈦合金牌號主要包括 Ti-75、Ti-31、Ti-70、TA5、TC4 等。我國頒布了國家標準 GB/T3992—2008 《法蘭鈦合金截止閥》， 但與歐美國家相比 , 鈦合金部件用量仍偏少，目前尚無全鈦艦船出現。

    鈦金屬材料在海水淡化及濱海電站領域的應用

    沿海電廠是淡化海水的用量大戶。我國天津大港電廠 1987 年引進兩套日產淡水 3000t 的海水淡化裝置。其主要裝置由美國設計 , 韓國制造 , 采用尺寸為 Φ16mm×0.6mm×1840mm 焊接鈦管。山東黃海電廠的低溫多效蒸餾淡化裝置 , 共有 10 個熱交換器 , 采用 Φ19mm×0.5mm×4220mm 焊接鈦管 2200 支 , 總重 1.25t, 淡化產能為3000t/a。截至 2012 年底 , 我國投建海水淡化裝置 94 套 , 淡化總產能 67.4 萬噸 /a。

    為提高電站的運轉效率和安全性 ,濱海電站需要用全鈦冷凝器代替銅合金冷凝器，濱海電站冷凝器采用無縫鈦管。從 1983 年開始 , 浙江臺州電廠、上海金山熱電廠等 9 個電廠采用 18 臺鈦合金冷凝器 , 共用鈦管 700t。在新一輪電站建設高峰期，鈦管需求將達1000t/a。

    核 電 站 也 需 要 焊 接 鈦 管 , 大 約1100MW 需鈦焊接管 150t。我國計劃2020 年核電使用比例達到 4%, 意味著每年要增加3～4座百萬千瓦級核電站，需要大量鈦焊接管，鈦的應用潛力巨大。

    鈦及鈦合金表面處理技術研究現狀

    鈦雖然具有非常優秀的耐海水腐蝕能力，但鈦及鈦合金由于耐磨性較差 ,在作為移動零件時 , 常常需要對其進行表面處理 , 提高表面硬度 , 進而提高耐磨性。鈦的表面處理方法很多 , 有離子氮化 （ 或等離子滲氮 ）、表面沉積氮化鈦、離子注入、表面合金化和表面噴涂陶瓷涂層等。

    （1） 耐磨涂層制備技術 磨損是造成機械零件失效的主要原因之一 , 約占機械零件失效的 60%~80%, 對機械零件的壽命、可靠性有極大的影響。鈦及鈦合金的耐磨性相對較差 , 摩擦系數大 , 易發生磨損失效。耐磨涂層制備技術是改善鈦及其合金耐磨性的重要手段 , 目前研究較多的工藝方法有熱噴涂、電鍍與化學鍍、氣相沉積法、離子注入技術、滲氮、滲碳、滲硼、微弧氧化法以及復合型表面處理技術等。耐磨涂層制備技術應用領域包括螺旋槳、噴水推進裝置、海水管路泵閥等 , 用以改善閥桿、傳遞螺紋副、螺紋摩擦副以及螺母、螺柱、螺釘等緊固件的摩擦學性能。

    （2） 耐高溫涂層制備技術 隨著鈦合金在艦船燃氣輪機上的應用 , 對其抗高溫氧化性提出了更高的要求。鈦作為燃氣輪機葉片等使用時 , 存在抗高溫氧化性能差的問題 , 易發生“氧脆”， 即在高溫空氣中長期暴露 , 鈦表面會形成脆性氧化層 , 使鈦合金脆化 , 延伸率降低幅度最大可達 50%, 而通過合金成分優化設計或微觀組織調控方法很難同時改善鈦合金的抗氧化性能 , 必須采用表面改性和表面涂層技術來加以改善。因此 , 如何通過合適的表面處理方法 （ 如等離子噴涂法、激光熔覆技術和離子注入法 ） 制備耐高溫涂層 , 提高鈦合金的抗高溫氧化能力是今后研究的重點。

    （3） 高溫耐磨涂層制備技術 艦船燃氣輪機葉片存在高溫條件下的磨損情況 , 由于磨損和高溫的雙重作用 , 加快了部件的損壞速度 , 因此對高溫磨損機理進行研究 , 設計高溫耐磨涂層 , 提高耐高溫磨損能力具有非常重要的意義。陶瓷材料多以離子鍵和共價鍵結合 , 化學鍵能高 , 原子間結合力強 , 使得陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高化學穩定性及摩擦系數小等優點 , 通過等離子噴涂和激光熔覆技術可將陶瓷涂層制備于鈦合金表面 , 使之形成陶瓷 / 鈦合金復合體。這樣既可充分利用陶瓷材料的耐熱、耐磨、耐腐蝕等性能 , 又兼具鈦合金的強度、韌性和易加工性能。目前制備手段包括等離子噴涂納米陶瓷涂層、冷噴涂納米 TiO 2 涂層、激光噴涂和激光熔覆等。

    （4） 減摩涂層制備技術 針對船用齒輪、活塞、閥門和鈦制彈簧等部件對減摩性的需求 , 通過加入石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯、氧化鉛、氟化物等自潤滑材料 , 在兩表面之間形成一層固體潤滑膜 , 可減小摩擦系數 , 增加材料的耐磨性。減摩涂層制備手段包括磁控濺射 MoS 2 涂層、等離子噴涂聚四氟乙烯涂層、電沉積工藝制備 （Ni-P）- 石墨復合涂層技術等。減摩涂層應用領域包括軸承座、齒輪、活塞、閥門、彈簧、艦船門窗、座椅、儀表、傳動副 （ 如蝸母壓條、靜壓蝸母螺紋副 ） 等。

    （5） 減摩耐磨涂層制備技術 針對鈦材料減摩性和耐磨性的實際需求 , 通過合適的表面處理技術 , 在鈦及鈦合金表面制備減摩耐磨涂層 , 提高相對運動的兩物體即摩擦副的耐磨性和減少運動時的摩擦損耗 , 可達到降低摩擦系數、減少摩擦和控制磨損的目的。減摩耐磨涂層制備手段包括等離子體碳氮共滲、硫氮共滲、硫氮碳共滲、磁控濺射 Ti/MoS 2 涂層、物理氣相沉積 TiAlN/TiN 復合涂層、物理氣相沉積 TiN/TiCN 多元多層復合涂層、陰極弧源沉積類金剛石碳膜、高功率高重復頻率脈沖準分子激光制備類金剛石膜等 , 它們是今后鈦及鈦合金減摩耐磨涂層的重要發展方向。

    （6） 絕緣涂層制備技術 鈦合金雖然具有優良的耐腐蝕性能 , 但在海水和海洋大氣腐蝕環境中 , 當鈦合金與異種金屬接觸使用時 , 由于其表面自然形成的氧化鈦膜，使其電極電位較高，從而產生電位差 , 電位較低的異種金屬表面將被腐蝕 , 導致材料腐蝕失效。因此 ,為避免在使用中與鈦合金接觸的由銅、銅合金、鋼制成的管道、管系附件及其他船舶制造零件在海水中的腐蝕 , 必須通過適當的表面處理方法在鈦合金表面形成一層絕緣防腐涂層 , 改善鈦及其他金屬材料的耐腐蝕性能。絕緣防腐涂層的制備手段包括微弧氧化陶瓷絕緣涂層、微弧氧化納米陶瓷涂層、陽極氧化絕緣涂層等。

    記者：目前在海洋防腐領域中，我國鈦合金的應用與世界先進是否存在差距？如何取長補短？

    李教授：鈦材料具有優異的耐海水和耐海洋大氣腐蝕的性能，因此，在 20世紀 , 西方發達國家就已經開始了鈦材料在海洋工程及海洋裝備上的應用，我國與發達國家相比有著明顯的差距，主要表現在：

    在艦船用鈦方面：蘇聯（俄羅斯）在艦船用鈦合金方面曾一度走在世界前列，開啟了鈦合金材料作為潛艇耐壓殼體使用的先河。1968 年蘇聯建造了第一艘鈦合金多功能核動力潛艇帕帕（Papa），隨后又建造了Alpha級、共青團、塞拉級、阿庫拉級、奧斯卡級、臺風級、雅森級、210 級核潛艇。2010 年交付海軍的 210級多用途攻擊核潛艇，最大潛深可高達6000 米。日本開辟了在水面船舶殼體上使用鈦合金的先河，1985 年，日本東邦鈦金屬公司和騰新造船廠共同制造了一艘名為 “Mariskiten”的競技快艇。1997年，日本日生公司制造了“Titanlady”帆船，1998 和 1999 年，日本新日鐵和江藤造船所分別制造了兩艘鈦制漁船。美國海軍實驗室也非常重視在水面艦艇上使用鈦合金。1991 年發表的關于鈦合金在水面艦艇上應用的相關情況表明，當時艦艇的排氣吸氣襯層、垂直發射系統、組件等已采用鈦合金制造，雷達接收和發射結構、噴氣導向裝置、魚雷艙門、進貨門、直升機機庫門、甲板室、桅桿、車體裝甲、通風管道、拖拽式聲吶陣列電纜、魚叉和 SLQ-32 平臺、向前堆棧套管和艙壁等計劃在未來采用鈦合金制造。俄羅斯、美國、法國、日本和中國均可自行研制載人深潛器用鈦合金耐壓殼體。

    我國艦船用鈦經過各方面長期努力 , 已取得長足進步 , 獲得多方面的成果。在動力系統、管路系統、傳動系統、螺旋槳等部位已經應用了鈦合金 , 所涉及鈦合金牌號主要包括 Ti-75、Ti-31、Ti-70、TA5、TC4 等。我國頒布了國家標準 GB/T3992—2008 “法蘭鈦合金截止閥”， 但與歐美國家相比 , 鈦合金部件用量仍偏少，目前尚無全鈦艦船出現。

    在海洋能源開發方面：國外在海上石油天然氣勘探與開發中，已采用鈦合金制造隔水管、鉆管、錐形應力接頭、井下作業流送管等部件。目前 , 我國鈦制油氣開采和開發設備尚處于研發階段 , 除鈦制輸油管道外 , 尚無鈦制設備應用的報道 , 與國外差距較為明顯。歐美國家對于海洋油氣資源的開采 , 已逐步向深海邁進 , 目前開采深度已達3000m, 而我國仍處于 300m 海深的近海開采階段。要進一步開發海洋油氣資源 , 特別是南海油氣資源 , 就必須發展鈦制油氣開采設備 , 這對于開發海洋資源 , 發展海洋經濟意義巨大。

    未來在海水溫差發電方面，鈦合金將會大量地使用在海水管路系統、海水循環泵、閥以及殼體等部件上。日本在這方面已經走在世界前列，在 Okinawa建立了海水溫差發電示范工廠。在濱海建筑和跨海大橋方面，日本已經有 8 座橋梁使用了鈦材，我國目前尚無有關濱海建筑或跨海大橋使用鈦材的報道。

    我國海洋用鈦剛剛起步，具有著后發的優勢，因此，我們需要取長補短，爭取在較短的時間內，縮短與先進國家的差距，使我國成為一個鈦材料的海洋強國。

    如何取長補短呢？

    長處：我國形成了一個包含鈦材熔煉、生產、加工和表面處理的完整體系。

    可以自行生產各種型號和形狀的鈦材，不會受到國外的限制。同時，低成本制造鈦合金是我國的一個明顯的優勢，為海洋用鈦合金消除了價格高的壁壘。

    補短：利用我國在鈦材科研、生產、加工中的優勢，針對國家重大所需，集中精力，著眼尖端，追趕超越，把我國從“鈦材大國”打造成“鈦材強國”。

    記者：您多年從事鈦合金的研究，請您分享一下您帶團隊攻克鈦合金技術難題的典型案例？

    李教授：

    在鈦表面防護技術科研攻關方面

    鈦在海洋環境中應用，主要存在以下三個方面的問題：1. 鈦的耐磨性差，摩擦時易產生燒接；2. 鈦的生物相容性好，污損生物易附著在鈦表面；3. 鈦和異種金屬接觸使用時，會加速異種金屬的腐蝕。我們針對鈦的這三個問題，進行了相應的科研攻關。

    鈦表面無氫滲碳：鈦表面硬化技術通常有電鍍，滲碳，滲氮，熱噴涂，PVD,CVD 等，其中滲碳工藝提高耐磨性最為顯著，傳統的滲碳工藝中，碳原子是通過甲烷、乙炔等含氫氣體產生的。氫的存在會嚴重危害鈦的性能，使其塑性，韌性及抗拉強度大幅度下降。因此我們開發了鈦表面無氫滲碳技術，該技術在不含氫的條件下，在鈦表面滲入碳元素，使鈦合金表面生成硬度較高的TiC 強化相，大幅提高鈦合金的表面硬度，表面硬度可達 HV ＞ 1000。這種含有 TiC 和 Ti 相的表面不會發生電偶腐蝕等現象，而且還可以提升鈦合金在酸性介質的耐蝕性能。在這方面有 2 項授權專利，1 項公開受審。

    鈦表面防止海生物附著：鈦和異種金屬接觸時會加速對方的腐蝕，以前都認為這是個有害現象，我們變廢為寶，利用鈦材料和銅材料在海水中發生電偶腐蝕的現象，使銅材料加速腐蝕，產生大量的銅離子和氧化亞銅，這些銅離子和氧化亞銅擴散到相鄰的鈦材料表面，能夠抑制海生物在鈦材料表面的附著。

    通過結構設計，精確控制銅離子的溶出速率，實現鈦表面防污的目的。在這方面有 2 項專利公開受審。

    鈦表面厚膜氧化：為了解決鈦和異種金屬接觸腐蝕的問題，需在鈦合金表面形成一層絕緣防腐涂層 , 改善鈦及其他金屬材料的耐腐蝕性能，最常用的手段是采用微弧氧化技術，但微弧氧化涂層表面分布著放電孔，這些孔中會聚集海水，降低涂層的絕緣性能。為此，我們開發了一種鈦的厚膜氧化技術，該陶瓷涂層具有較少的放電孔，在海水中不會降低其絕緣性能，絕緣電阻高達3GΩ。

    記者：中國要打造海洋強國，必須靠先進的新材料、新技術，請結合您的科研工作，談談鈦合金在海洋防腐領域未來發展將面臨哪些挑戰和機遇？

    李教授：我國目前鈦材在海洋工程中的實際使用量太少，主要是前期相關研究投入較少，缺少相關的實驗數據和工程建設經驗。現階段主要是參照海洋中廣泛使用的 CuNi 合金、不銹鋼以及鎳基合金等開展比對設計。通過近幾年我國海洋工程的需求發展及鈦工業的廣泛宣傳，形成了設計渴望、工程期盼，材料摩拳擦掌的好時機。因此，鈦材料研究面臨著海洋工程的全面“挑戰”。

    當然建設海洋強國，推進海洋建設，會促進鈦材在海洋工程領域的應用，尤其是在南海等高溫高濕熱地區，一般的金屬材料會很快被腐蝕，鈦材在相關地區的應用可以很好解決腐蝕問題，這些為鈦材的應用提供了廣闊的發展前景。

    后記：

    機遇與挑戰并存，壓力與動力同行。鈦材的應用已經刻不容緩，作為新崛起的第三金屬，在新的歷史時期，鈦材料肩負著更多的使命。沒有創新，就沒有進步 , 就沒有未來。在科技的浪潮中，勇于創新，開拓進取是每個科研工作者責任和義務，加快鈦材的應用，提高我國鈦金屬材料的技術能力，為我國的工業和國防事業做出做大貢獻！

    ●  人物簡介

    李爭顯 博士，教授，博士生導師，西北有色金屬研究院副總工程師，西北有色金屬研究院腐蝕與防護研究所所長，國家 XX 稀有金屬科研生產基地表面研制平臺主任，陜西省稀有金屬表面工程技術中心主任。

    主要從事鈦等稀有金屬表面技術及涂層材料的研究工作。先后承擔并完成了國家科技部、國防科工局及陜西省等科研項目 43 項，獲授權發明專利 38 項，發表學術論文 235 篇，獲省部級科技成果獎 13 項。兼任：中國真空學會常務理事，中國腐蝕與防護學會耐蝕金屬專委會副主任委員、中國腐蝕與防護學會高溫合金專委會副主任委員。