李曉剛 北京科技大學(xué)教授、博導(dǎo)

    鈦在自然界分布很廣，地殼中的含量約為 0.64%，在金屬元素中僅次于鋁、鐵和鎂，居第四位。盡管中國(guó)的鈦資源儲(chǔ)量為世界第一，海綿鈦和各種鈦加工材的價(jià)格卻一直高居不下。高昂的成本極大限制了鈦合金的廣泛應(yīng)用，所以關(guān)于鈦合金的低成本化制造和加工技術(shù)是未來(lái)鈦合金重要的研究方向。

    同時(shí)，鈦合金作為高級(jí)耐蝕材料，得到越來(lái)來(lái)廣泛的應(yīng)用。但是目前我國(guó)在耐蝕鈦合金，以及不同既有材料在典型工業(yè)及嚴(yán)酷自然環(huán)境中的腐蝕行為規(guī)律及其局部腐蝕機(jī)理研究還有待廣泛和系統(tǒng)地開(kāi)展。這是促進(jìn)鈦合金在防腐蝕領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的基石和必由之路。鈦合金在防腐領(lǐng)域有諸多的優(yōu)點(diǎn)，其在腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域里有哪些創(chuàng)新研究方向？如何開(kāi)展其中典型工業(yè)及嚴(yán)酷自然環(huán)境中的腐蝕行為規(guī)律及其局部腐蝕機(jī)理？為此，本刊記者采訪了北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院李曉剛教授。

    李教授，國(guó)家“海洋腐蝕 973 項(xiàng)目”首席科學(xué)家，北京市百名科技領(lǐng)軍人物。兼任中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)；教育部腐蝕與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；國(guó)家材料環(huán)境腐蝕科技平臺(tái)主任。

    記者：鈦合金是 20 世紀(jì) 50 年發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，請(qǐng)您介紹一下鈦合金的發(fā)展歷程。

    李教授：鈦合金的發(fā)展最早可追溯至20世紀(jì)初。1910年美國(guó)化學(xué)家M. A.Hunter 就用用鈉還原 TiCl4 制得純度達(dá)99.9% 的金屬鈦。到 20 世紀(jì) 40 年代盧森堡科學(xué)家 W. J. Kroll 用鎂還原 TiCl4制得了純鈦。上述兩種方法分別稱為鈉還原法（又稱為亨特法）和鎂還原法（又稱為克勞爾法 ），是最早的海綿鈦的工業(yè)生產(chǎn)方法。至 1948 年美國(guó)杜邦公司用鎂還原法制出 2 噸海綿鈦，這標(biāo)志著鈦進(jìn)入真正的工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代。隨后的1950 年代開(kāi)始，美國(guó)和蘇聯(lián)在航天和海洋領(lǐng)域引領(lǐng)著鈦合金的推廣應(yīng)用。

    中國(guó)鈦工業(yè)起步于 20 世紀(jì) 50 年代。1954 年北京有色金屬研究總院開(kāi)始進(jìn)行海綿鈦制備工藝研究。20 世紀(jì) 60-70 年代，在國(guó)家的統(tǒng)一規(guī)劃下，先后建設(shè)了以遵義鈦廠為代表的 10 余家海綿鈦生產(chǎn)單位，建設(shè)了以寶雞有色金屬加工廠為代表的數(shù)家鈦材加工單位，同時(shí)也形成了以北京有色金屬研究總院為代表的科研力量，成為繼美國(guó)、前蘇聯(lián)和日本之后的第四個(gè)具有完整鈦工業(yè)體系的國(guó)家。

    金屬鈦的工業(yè)生產(chǎn)只有不到 70 年的歷史，因此，曾形象地稱為“嬰兒金屬”，即“鈦正在從搖籃期向成長(zhǎng)期邁進(jìn)”。在這 60 余年的時(shí)間內(nèi)，鈦?zhàn)鳛閮?yōu)質(zhì)輕型高強(qiáng)耐蝕結(jié)構(gòu)材料、新型功能材料和重要的生物工程材料，在世界工業(yè)舞臺(tái)上大放異彩，被譽(yù)為正在崛起的“第三金屬”，在不同的年代，鈦都有新的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用。

    衡量一個(gè)國(guó)家鈦工業(yè)規(guī)模有兩個(gè)重要指標(biāo)：海綿鈦產(chǎn)量和鈦材產(chǎn)量，其中海綿鈦產(chǎn)量反映原料生產(chǎn)能力，鈦材產(chǎn)量反映的是深加工能力。中國(guó)鈦工業(yè)經(jīng)過(guò) 60 余年的發(fā)展已取得舉世矚目的成績(jī)，海綿鈦和鈦加工材產(chǎn)量都已居于世界前列，并形成了完整的研發(fā)與生產(chǎn)體系。目前我國(guó)已經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)的鈦合金約 60 余種，投入到實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用的鈦合金達(dá)到 40 余種，包括 20 余種 α及近 α 鈦合金，10 余種 α+β 兩相鈦合金及近 10 種 β 和亞穩(wěn) β 鈦合金。根據(jù)應(yīng)用范圍及特點(diǎn)分為以下八類：

    （1）高強(qiáng)及損傷容限鈦合金

    高強(qiáng)及損傷容限鈦合金最初主要是針對(duì)航空飛行器的應(yīng)用而研發(fā)的。20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，航空飛行器除向高速、高機(jī)動(dòng)的方向發(fā)展，高可靠性和長(zhǎng)壽命成為其越來(lái)越重要的發(fā)展方向，飛機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則從早期的疲勞安全壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)今的耐久性 / 損傷容限設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)并獲得應(yīng)用的高強(qiáng)及損傷容限鈦合金主要有高強(qiáng)高韌損傷容限TC21合金、中強(qiáng)高韌損傷容限 TC4-DT 合金、超高強(qiáng) Ti-1300 合金、超高強(qiáng) Ti-26 合金四種，同時(shí)也研制出高強(qiáng) Ti-B20 和TB10 合金，高強(qiáng)韌 BTi-6554 合金、超高強(qiáng) Ti-7333 合金等。

    （2）高溫鈦合金

    高溫鈦合金是隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求而發(fā)展的，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，要求鈦合金的服役溫度更高。20 世紀(jì)50 年代最早用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的 Ti-6A1-4V 合金服役溫度一般不超過(guò) 350℃。目前，代表常規(guī)高溫鈦合金發(fā)展最高水平的合金分別是英國(guó)的 IMI834、美國(guó)的Ti-1100 及俄羅斯的 BT36，其最高使用溫度最可達(dá)到 600℃。高溫鈦合金不但具有良好的高溫強(qiáng)度，還應(yīng)具備優(yōu)異的高溫蠕變、持久、疲勞等綜合性能以滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的需求。近二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)了系列 550℃和 600℃服役的鈦合金，比如 Ti60 合金和 Ti600 合金等。

    （3）阻燃鈦合金

    常規(guī)鈦合金作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料使用時(shí)，在一定條件下可能會(huì)發(fā)生快速氧化燃燒，引發(fā)“鈦火”故障，從而造成重大事故。為了解決這個(gè)問(wèn)題并滿足高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，各國(guó)開(kāi)展了高溫阻燃鈦合金的研制。美、俄等國(guó)從 20 世紀(jì) 70 年代就積極開(kāi)展鈦燃燒問(wèn)題的研究，并先后研制成功各自的阻燃鈦合金。美國(guó)研發(fā)的 Alloy C（Ti-35V-15Cr） 是一種高穩(wěn)定化的 β 鈦合金，該合金具有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，已在 F119 發(fā)動(dòng)機(jī)中得到實(shí)際應(yīng)用。俄羅斯研發(fā)的 Ti-Cu-Al 系阻燃鈦合金B(yǎng)TT-1 和 BTT-3 仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。英國(guó)研制的 Ti-25V-15Cr-2Al-xC 阻燃合金已處于工程化研制階段。我國(guó)研制的 Ti40阻燃鈦合金國(guó)標(biāo)中命名為 TB12。目前Ti40 合金主要目標(biāo)是用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣，以后還將應(yīng)用于其它部位。

    （4）低溫鈦合金

    發(fā)達(dá)國(guó)家早在 20 世紀(jì) 60 年代就著手研究低溫鈦合金，相繼研發(fā)了多種用途的低溫鈦合金。前蘇聯(lián)在低溫鈦合金研制應(yīng)用方面居世界領(lǐng)先水平，其早期研制的 α 鈦合金 OT4、OT4-1、BT5-1KT 和 ПT-3BKT 等 已 在 航 天火箭技術(shù)裝備中大量應(yīng)用。歐美國(guó)家也根據(jù)自身需求開(kāi)發(fā)了低溫鈦合金材料，如 Ti-5Al-2.5SnELI，Ti-6Al-4VELI和 Ti-6Al-3Nb-2Zr 合金等。本研制了LT700（Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si） 低溫鈦合金，用于制作液氫渦輪泵。CT20 鈦合金是國(guó)內(nèi)目前唯一獲得應(yīng)用的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低溫鈦合金，其 -253℃的 性 能 較 Ti-6Al-4VELI 和 Ti-5Al-2.5SnELI 更好。

    （5）船用鈦合金

    鈦合金在海洋工程及艦船領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在目前已知的結(jié)構(gòu)材料中鈦合金是最耐海水腐蝕的材料之一，將有望用于各種嚴(yán)酷和長(zhǎng)期服役的海洋環(huán)境中。我國(guó)船用鈦合金工業(yè)起步于 20 世紀(jì) 60 年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其研究、制造水平有很大提高，并初步形成船用鈦合金體系。目前已應(yīng)用的自主研制船用鈦合金牌號(hào)有：Ti31（635MPa級(jí)）、Ti75（730MPa 級(jí)）、Ti631（785MPa級(jí)）和Ti80 （880MPa級(jí)），基本是在“七五” 和“八五”期間研制成功的。近二十年中，研發(fā)的船用鈦合金主要包括 Ti70、Ti91 和 Ti-B19 等。

    （6）耐蝕鈦合金

    鈦合金在大多數(shù)介質(zhì)中都具有良好的耐蝕性，專用耐蝕鈦合金主要是針對(duì)特殊介質(zhì)要求而開(kāi)發(fā)的。國(guó)內(nèi)耐蝕鈦合金目前多為仿制。自 20 世紀(jì) 70 年 代 開(kāi) 始， 我 國(guó) 成 功 仿 制 Ti-15Mo，Ti-32Mo，Ti-15Mo-0.2Pd，Ti-2Ni，T-0.2Pd，Ti-0.3Mo-0.8Ni，Ti-0.05Ni-0.05Ru 等 合 金， 其 中 Ti-0.3Mo-0.8Ni 和 T-0.2Pd 鈦合金已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。Ti35 鈦合金是針對(duì)核乏燃料后處理環(huán)境設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)成功的一種 α型耐沸騰硝酸腐蝕鈦合金。工業(yè)規(guī)模制備的 Ti35 鈦合金及其焊接件在核乏燃料模擬溶解液中顯示出優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能、縫隙腐蝕性能和很強(qiáng)的氧化膜再生能力，均勻腐蝕速率＜ 0.1mm/a，顯示出比高純奧氏體不銹鋼更好的耐蝕性和適應(yīng)性。在核乏燃料后處理工程中具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。目前，Ti35合金已設(shè)計(jì)應(yīng)用到我國(guó)核乏燃料后處理工程關(guān)鍵設(shè)備中。

    （7）醫(yī)用鈦合金

    鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度高、彈性模量低、耐腐蝕以及優(yōu)良的生物相容性和加工成形性，是較理想的外科植入物用功能結(jié)構(gòu)材料。純鈦、Ti-3Al-12.5V、Ti-6Al-4V 鈦合金屬于第一代醫(yī)用鈦合金。到 20 世紀(jì) 90 年代中期，瑞士和德國(guó)先后開(kāi)發(fā)出第二代以 Nb、Fe替代 V 的 α+β 型兩相醫(yī)用鈦合金 Ti-6Al-7Nb 和 Ti-5Al-2.5Fe， 被 列 入 國(guó)際生物材料標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)始在臨床應(yīng)用。近 10 年來(lái)，多元系亞穩(wěn) β 型合金已成為第三代醫(yī)用鈦合金的主要研究開(kāi)發(fā)方向。截至目前，世界各國(guó)開(kāi)發(fā)成功的新13Nb-3Zr、TMZF、Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-15Mo 等， 日 本 開(kāi) 發(fā) 的 Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-29Nb-13Ta-5Zr 等，德國(guó)開(kāi)發(fā)的 Ti-30Ta 等。國(guó)內(nèi)有代表性的亞穩(wěn) β 型鈦合金主要有新型低模量鈦合金TLM及Ti2448 （Ti-24-Nb-4Zr-7.6Sn）合金等。目前，采用 TLM 鈦合金制備出血管支架等多種醫(yī)用植入體產(chǎn)品。

    （8）低成本鈦合金

    高價(jià)格一直是限制鈦合金大量應(yīng)用的最大障礙，降低鈦合金成本成為當(dāng)前鈦合金研究領(lǐng)域最受關(guān)注的重點(diǎn)之一。目前，世界上開(kāi)發(fā)低成本鈦合金的工作以美國(guó)和日本為首。國(guó)內(nèi)也已研制出多種低成本鈦合金，比如Ti8LC、Ti12LC等。采用廉價(jià)合金元素（如 Fe）代替 TC4（Ti-6Al-4V）中昂貴合金元素 V，以降低合金原材料的成本，同時(shí)在熔煉過(guò)程中添加純鈦的殘廢料（如鈦削），以降低使用海綿鈦的用量，再次降低原材料的成本，這是設(shè)計(jì) Ti8LC 和 Ti12LC 低成本合金的思路。

    記者：由于鈦具有良好的耐腐性能，請(qǐng)結(jié)合您的科研工作，談一下鈦合金防腐蝕的優(yōu)勢(shì)有哪些？目前國(guó)內(nèi)鈦合金防腐蝕研究概況如何？與國(guó)外相比，鈦合金防腐蝕應(yīng)用方面有哪些差距，我們應(yīng)該如何去取長(zhǎng)補(bǔ)短？

    李教授：鈦合金防腐有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

    耐蝕性強(qiáng)

    鈦在中性和氧化性環(huán)境及眾多惡劣環(huán)境中比其他常用金屬材料耐腐蝕性高，特別是對(duì)海水中氯離子具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力。鈦的表面可形成一層非常薄且堅(jiān)固的氧化膜，使鈦鈍化而不被腐蝕。鈦的鈍化膜具有很好的自愈性，當(dāng)受到破壞或劃傷后可以迅速自動(dòng)修復(fù)，形成新的保護(hù)膜。正是這層氧化膜保護(hù)鈦不受海水侵蝕，在無(wú)化學(xué)變化和污染的情況下，鈦可以完全抵抗自然海水的腐蝕。與不銹鋼、鋁合金、銅合金相比，鈦合金在流動(dòng)海水中的腐蝕速率幾乎為 0。

    比強(qiáng)度高

    以相同強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以獲得更小的結(jié)構(gòu)重量，反之相同結(jié)構(gòu)質(zhì)量下就能獲得更高的強(qiáng)度。高的比強(qiáng)度可以使設(shè)備設(shè)計(jì)更加緊湊，大幅減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)提高裝備的安全性。

    耐熱性和耐低溫性能優(yōu)良

    目前的高溫鈦合金最高使用溫度可達(dá) 500-600℃，結(jié)構(gòu)鈦合金的使用溫度也可達(dá)到 300-400℃。同其他輕質(zhì)材料如鋁、鎂合金比較，在 300℃時(shí)，鈦的強(qiáng)度要高1個(gè)數(shù)量級(jí)，而超過(guò)400℃，鋁、鎂合金已喪失工作能力，而鈦合金卻能繼續(xù)保持足夠的使用強(qiáng)度，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

    無(wú)磁性

    鈦合金沒(méi)有磁性，可以提高探測(cè)儀器及工具的抗磁干擾，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性，同時(shí)減小設(shè)備的磁物理場(chǎng)效應(yīng)。在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化，不易被磁探測(cè)儀發(fā)現(xiàn)，增加隱蔽性，可使裝磁引信的水雷或魚(yú)雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有良好的反監(jiān)護(hù)作用。

    目前國(guó)內(nèi)鈦合金防腐蝕研究方向主要集中于氫脆、縫隙腐蝕、微生物腐蝕，以及高溫、高壓、無(wú)氧等極端環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕。

    在目前全球鈦市場(chǎng)格局中，美、俄兩國(guó)基本以航空航天工業(yè)用鈦為主，其用量占到產(chǎn)量的 70% 以上；而日、中兩國(guó)基本以一般工業(yè)和化工用鈦為主，其用量占到產(chǎn)量的 50% 以上。

    2016 年鈦加工材在化工領(lǐng)域的用量依舊最大，占到了 42.0%，其次為航空航天、電力等。2016 年中國(guó)鈦加工材在傳統(tǒng)的化工、冶金、制鹽等領(lǐng)域的用量均呈現(xiàn)出不同程度的減少，但在航空航天、醫(yī)藥和海洋工程等高端領(lǐng)域，卻出現(xiàn)了大幅增長(zhǎng)的勢(shì)頭，分別增長(zhǎng) 了 29.9%、107.5% 和 179.5%。 其中，航空航天領(lǐng)域的增量最大，增加了1657t，海洋工程的增幅最大，接近兩倍，這也反映出國(guó)家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向以及我國(guó)鈦加工材在高端領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，而船舶領(lǐng)域的增長(zhǎng)幅度最小，說(shuō)明我國(guó)鈦加工材在該領(lǐng)域應(yīng)用還存在瓶頸，在標(biāo)準(zhǔn)制定和材料體系建立等方面還有待進(jìn)一步完善。

    鈦合金用于艦船工業(yè)始于上世紀(jì) 60年代，目前美國(guó)、俄羅斯、日本、中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)家均有廣泛應(yīng)用。俄羅斯在船用鈦合金的研究和實(shí)際應(yīng)用方面是全世界最先進(jìn)的，擁有專門(mén)的船用鈦合金體系，已形成系列強(qiáng)度級(jí)別的船用鈦合金產(chǎn)品。有船體用鈦合金ПT-1M，船機(jī)用 ПT-7M，動(dòng)力裝置用鈦合金 OT4-1B 和 ПT-3B 等，強(qiáng)度級(jí)別 分 別 為 490MPa、585MPa、700MPa、835MPa，各種規(guī)格材的生產(chǎn)工藝成熟。美國(guó)對(duì)艦船用鈦合金也進(jìn)行了大量的工程研究，成功將鈦用于各種動(dòng)力的潛艇、水面艇、民用船的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進(jìn)器、彈簧以及消防設(shè)備。日本船用鈦合金主要有純鈦、Ti-6Al-4V ELI等，應(yīng)用于民用漁船、深潛器的耐壓殼體等。1981 年開(kāi)始的系列深海潛水調(diào)查船“深海 2000”、“深海 4000”、“深海 6500”的外殼骨架、均壓容器、配管等采用了鈦合金，目的是為了增加下潛深度。我國(guó)船用鈦合金的研究與應(yīng)用始于 60 年代，幾乎與國(guó)外同步發(fā)展。幾十年來(lái)，船用鈦合金的研究及應(yīng)用水平有了很大提高，已經(jīng)形成了較完整的船用鈦合金系列包括 635MPa、685MPa、730MPa、785MPa 強(qiáng)度級(jí)別的合金。“蛟龍?zhí)?rdquo;深潛器的耐壓殼體就是 TC4 鈦合金。但與國(guó)外相比，我國(guó)船用鈦合金的應(yīng)用還有較大的差距：應(yīng)用部位少、用量少，國(guó)外用鈦達(dá)到 13%，我國(guó)僅在一些零星部件上應(yīng)用，比例不足1%。品種、規(guī)格不完善，我國(guó)之前鈦材在專業(yè)化工廠生產(chǎn)，受裝備能力限制，生產(chǎn)的品種、規(guī)格有限，“蛟龍?zhí)?rdquo;所需的鈦合金也只能從俄羅斯進(jìn)口。加工與制造技術(shù)也相對(duì)落后。在船舶工業(yè)中推廣鈦材，需要鈦材生廠家、船舶設(shè)計(jì)院、造船廠和船舶用戶共同努力，克服鈦及鈦合金基礎(chǔ)應(yīng)用研究不足、材型配套能力不足等制約因素。

    在石油行業(yè)中，隨著國(guó)內(nèi)外油氣資源需求的逐漸增長(zhǎng)，促使石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)不斷深入，所遇環(huán)境和地層條件也越來(lái)越復(fù)雜。與此同時(shí)，鉆完井工具、井口設(shè)備、輸油管線等將面臨多種問(wèn)題。近年來(lái)，為提高原油采收率，降低油氣田開(kāi)采成本，延長(zhǎng)油氣田開(kāi)發(fā)壽命，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井越來(lái)越多，如大位移井、短半徑水平井、老井開(kāi)窗側(cè)鉆水平井。常規(guī)鉆桿在這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)井應(yīng)用時(shí)遇到了一些難以解決的問(wèn)題。如在超短半徑水平井中，井眼曲率很小（<18m），這使得常規(guī)鉆桿產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力。交變應(yīng)力引起鉆桿疲勞斷裂的情況時(shí)有發(fā)生，給油田帶來(lái)重大的損失。為解決這些問(wèn)題，國(guó)外開(kāi)始研制鈦合金鉆桿等新材料代替常規(guī)鉆桿。美國(guó)某油田在小曲率井中應(yīng)用鈦合金鉆桿次數(shù)已達(dá)數(shù)百口，鈦合金鉆桿在超深井、大位移井中也有應(yīng)用，可以顯著提高鉆具的拉力余量與安全系數(shù)，提高處理事故復(fù)雜能力。早在 20 世紀(jì) 90 年代，國(guó)外就已經(jīng)將鈦合金運(yùn)用到海洋鉆井平臺(tái)的各個(gè)方面。北海油田挪威分部的海德威油田半潛式浮動(dòng)鉆井平臺(tái)已使用鈦合金作為隔水管，降低整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量達(dá) 50%，從而將隔水管提升力降低了 63%，省去了巨大的柔性接頭，系統(tǒng)成本降低了 40%，預(yù)計(jì)服務(wù)年限可達(dá) 25 年之久。除此之外，海洋鉆井平臺(tái)上冷卻系統(tǒng)中的熱交換器使用了鈦制管狀冷卻裝置；各種類型的泵（如深井泵、離心泵）均采用了鑄鈦泵體和鈦合金葉輪；各種閥門(mén)及其他管件配件也采用了鈦制品，減少了維護(hù)工作量。從 20 世紀(jì) 80 年代中期，國(guó)外已經(jīng)將鈦合金用于一些高壓高溫、超高壓高溫?zé)崴嵝杂蜌饩ㄈ缒鞲鐬常┑奶坠堋⒂凸芗耙恍┚鹿ぞ叩闹圃觳牧稀?/span>RMI 鈦業(yè)公司將 Ti-6Al-4V-Ru 油管用于 Mobile Bay Field（莫比爾灣油田 ） 熱酸性油氣井（井底存在近乎于飽和的高濃度 NaCl 水溶液，溫度高達(dá) 235℃），同時(shí)還含有 0. 7MPa 的 H 2 S 和 3.5MPa的 CO 2 ；Chevron 公司目前在積極研發(fā)Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-Ru 等 鈦 合 金油套管材料，已在墨西哥灣一些高壓高溫、超高壓超高溫井進(jìn)行初步應(yīng)用。相比于鈦合金管材在國(guó)外的研發(fā)和應(yīng)用，我國(guó)鈦合金管材的研制和開(kāi)發(fā)還處于起步階段，在塔里木、川西北等露天的高壓高溫井還沒(méi)有采用鈦合金石油管材。目前，國(guó)內(nèi)各大鋼管制造公司和科研院所，如寶鋼、天鋼、西北有色研究院和寶鈦集團(tuán)等都在積極研發(fā)鈦合金石油管材，以滿足國(guó)內(nèi)超深超高壓油氣井對(duì)高強(qiáng)耐蝕管材的迫切需求。

    記者：鈦合金作為一種“防腐英雄”， 在眾多領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用，請(qǐng)您談一下，目前鈦合金防腐蝕有哪些新進(jìn)展？

    李教授：鈦合金材料在軌道交通中的應(yīng)用前景十分廣闊。隨著高速動(dòng)車組在我國(guó)海南島內(nèi)開(kāi)行，腐蝕問(wèn)題開(kāi)始暴露，如受電弓及其上的彈簧等。這些零部件都直接暴露在含鹽量高、濕度大的空氣中，且受電弓受流電壓為 25kV，電流通過(guò)時(shí)溫度很高，也加劇了其腐蝕速度。目前這些零部件都是由鋼材制成，成型后涂防銹漆，不能從根本上解決問(wèn)題。鈦合金材料耐蝕性好、維護(hù)成本低，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，其在大氣、雨水、海洋中腐蝕速率為 0。軌道交通車輛中轉(zhuǎn)向架及受電弓上的零部件絕大多數(shù)都直接暴露在外，除了涂一層防銹漆外沒(méi)有任何其他庇護(hù)，鈦合金材料的耐蝕性也比較適合用在軌道交通車輛上，尤其適合運(yùn)用在沿海一帶的軌道交通車輛上。

    鈦合金在汽車領(lǐng)域中的市場(chǎng)潛力巨大。在汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)等零部件長(zhǎng)期處于惡劣服役環(huán)境，采用鈦合金制造這些關(guān)鍵零部件一方面可以延長(zhǎng)其使用壽命提升整車性能，另一方面可以減輕車身自重實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排改善環(huán)境。進(jìn)排氣門(mén)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件，其工作環(huán)境十分惡劣，不僅受到高溫燃?xì)獾臎_擊，還要承受高頻的往復(fù)高應(yīng)力的反復(fù)作用。氣門(mén)質(zhì)量的輕微改變都會(huì)很大程度影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。鈦合金對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門(mén)是一種非常理想的結(jié)構(gòu)金屬，利用鈦合金來(lái)制作發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)，可以極大的減輕氣門(mén)重量，降低往復(fù)慣性力以提高提高轉(zhuǎn)速，延長(zhǎng)使用壽命，節(jié)省燃油。鈦合金的高溫力學(xué)性能和抗腐蝕性能不亞于甚至超過(guò)不銹鋼很適合用于排氣系統(tǒng)。然而，成本 / 重量比十分不利于使用鈦材料。目前鈦排氣系統(tǒng)尚未得到廣泛應(yīng)用，但值得指出的是，其它輕質(zhì)材料（如鋁合金、聚合物復(fù)合材料等）也難于用作排氣系統(tǒng)。所以，如果汽車排氣系統(tǒng)需要減輕重量時(shí)，鈦合金可能仍然是唯一能替代鋼的新型輕質(zhì)材料。

    鈦合金材料還可以應(yīng)用于建筑環(huán)保領(lǐng)域。鈦合金因?yàn)榫哂斜葟?qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕性強(qiáng)、冷熱加工性好等優(yōu)勢(shì)而成為一種新型的建筑材料。此外鈦合金經(jīng)過(guò)處理形成的二氧化鈦膜層在不同角度及不同頻率的光照作用下，可以呈現(xiàn)出涂料、涂層所不具備的不同的光澤度以及色彩，在建筑裝飾方面能滿足建筑材料的美觀性以及實(shí)用性等多種性能要求。我國(guó)具有十分漫長(zhǎng)的海岸線，臨海建筑較多，海洋建筑所受到的最大困擾是來(lái)自于海水的腐蝕，鈦材由于其具有較強(qiáng)的腐蝕性能而成為進(jìn)行海洋建筑的首選材料。日本在海洋用鈦方面成績(jī)顯著，東京灣橫跨道路橋是最早利用鈦進(jìn)行防腐蝕處理的實(shí)例，該橋的12 座橋樁采用了鈦包覆鋼板，用鈦量達(dá)到 80t。該工程在 1993 年竣工，在 2006年對(duì)橋樁的腐蝕情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn) 13年中幾乎沒(méi)有任何變化，充分表明了鈦在海洋建筑中的防腐效果十分良好，由此降低了金屬銹蝕后對(duì)海洋造成的重金屬離子污染，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)具有積極的意義。中國(guó)的杭州大劇院坐落在錢(qián)江新城南端，總占地面積 10 萬(wàn) m 2 ，后屋蓋金屬幕墻采用了鈦金屬板，使用工業(yè)純鈦板 6000 余塊，重 160t，成為國(guó)內(nèi)第一家大型建筑用鈦?zhàn)疃嗟墓こ獭?guó)家大劇院總建筑面積 21.75 萬(wàn) m 2 ，中心建筑為獨(dú)特的殼體造型，殼體表面由 18398塊鈦金屬板和 1226 塊超白玻璃巧妙拼接而成。鈦包層總面積為 36000m 2 ，使用鈦材 60t。這兩個(gè)工程的建成大大推動(dòng)了鈦在我國(guó)建筑業(yè)的應(yīng)用。

    記者：科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，鈦合金中在航天領(lǐng)域中越來(lái)越發(fā)揮舉足輕重的作用，您長(zhǎng)期從事鈦合金的相關(guān)的研究工作，請(qǐng)您結(jié)合一下您的工作和科學(xué)成就，給我們分享一下對(duì)您印象深刻的典型案例。

    李教授：鈦合金由于其高比強(qiáng)度和耐高溫，自誕生以來(lái)即被譽(yù)為“太空材料”，在各種航天器中廣泛應(yīng)用。說(shuō)起鈦合金在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用案例，不得不提起我國(guó)第一代目標(biāo)飛行器“天宮一號(hào)”。 2011 年初，我單位針對(duì)“天宮一號(hào)”載人航天器關(guān)鍵部件腐蝕失效和服役環(huán)境的分析，建立了環(huán)境載荷譜加速試驗(yàn)方法，對(duì)其某關(guān)鍵部件的耐蝕壽命和防腐工藝進(jìn)行了加速壽命評(píng)估，評(píng)估表明新型涂層處理工藝可以滿足大于 2 年在軌任務(wù)的服役壽命，這是北京科技大學(xué)在載人航天領(lǐng)域的一次精彩亮相。但“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室在軌服役壽命要達(dá)到 5 年以上，原有的部件選材及防腐工藝可能不能滿足要求。而如果使用鈦合金進(jìn)行制造則具有更高的可靠性。這也是將來(lái)中國(guó)空間站相關(guān)設(shè)計(jì)的必然選擇。因此，我們應(yīng)該重視鈦合金設(shè)計(jì)和加工過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究，將鈦合金作為“材料基因組”計(jì)劃的重要組成部分，建立鈦合金成分、加工工藝、組織和性能之間的數(shù)字化關(guān)系，為鈦合金性能穩(wěn)定性提供有益的幫助，縮短新型鈦合金研發(fā)周期。

    后記：

    作為現(xiàn)代金屬，作為優(yōu)秀的耐蝕結(jié)構(gòu)材料，目前科研工作者們針對(duì)耐蝕鈦合金的研究如火如荼，鈦合金已經(jīng)取得了空前的發(fā)展。我們相信，在科研工作者們的共同努力下，未來(lái)鈦合金又將登上一個(gè)又一個(gè)科技高峰，為民族復(fù)興鋪路架橋，為祖國(guó)建設(shè)添磚加瓦！唯有不停攻關(guān)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料，方可在世界科技之林立于不敗之地！

    ●  人物簡(jiǎn)介

    李曉剛，北京科技大學(xué)教授、博導(dǎo)；國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)主任；中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)；教育部腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。“海洋腐蝕 973 項(xiàng)目”首席科學(xué)家；國(guó)際腐蝕理事會(huì)理事。

    我國(guó)材料環(huán)境腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域主要學(xué)術(shù)帶頭人之一。長(zhǎng)期堅(jiān)持材料環(huán)境腐蝕機(jī)理應(yīng)用基礎(chǔ)研究，獲得了鋼鐵、高分子等材料在大氣、土壤、海洋環(huán)境的腐蝕規(guī)律；領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)最大的材料環(huán)境腐蝕試驗(yàn)與共享的規(guī)范化平臺(tái)和數(shù)據(jù)量最大的腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)；發(fā)展了環(huán)境腐蝕試驗(yàn)系列化新技術(shù)，為解決航天、海洋、石油等國(guó)家重大工程的材料腐蝕難題提供了技術(shù)支撐，解決了“天宮一號(hào)”重大腐蝕難題，為其按時(shí)發(fā)射提供了重要科學(xué)依據(jù)，對(duì)發(fā)展我國(guó)材料環(huán)境腐蝕學(xué)科做出了創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。

    2005 年起擔(dān)任國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái) - 材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)負(fù)責(zé)人；是“海洋工程裝備材料腐蝕與防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”973 項(xiàng)目首席科學(xué)家。與合作者共同發(fā)表 SCI 和 EI 收錄論文 339 篇，引用總數(shù) 6000 多次，代表作為 nature 雜志的 share corrosion data；出版專著 9 部（第一作者 7 部），譯著 1 部，主持編輯出版國(guó)內(nèi)首部“腐蝕學(xué)科進(jìn)展報(bào)告”；主編教育部規(guī)劃教材1部；授權(quán)國(guó)家專利35項(xiàng)。培養(yǎng)博士后5名、已畢業(yè)博士49名、已畢業(yè)碩士78名。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)（排名第一）；省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng) 4 項(xiàng)（排名第一）；獲行業(yè) 1 等獎(jiǎng) 5 項(xiàng)（4 項(xiàng)排名第一）。獲“全國(guó)優(yōu)秀科技工作者”、“北京市百名科技領(lǐng)軍人物”稱號(hào)，獲執(zhí)行“十一五”國(guó)家重大科技計(jì)劃優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。在國(guó)際同行中已經(jīng)具有重要的影響力。