鈦金屬被譽為“現(xiàn)代金屬”、“戰(zhàn)略金屬”，是提高裝備性能的關(guān)鍵材料，也是現(xiàn)代國防建設(shè)的重要支撐材料和國民經(jīng)濟發(fā)展不可缺少的重要材料。近些年來，我國的鈦合金工業(yè)得到了長足發(fā)展，廣泛地在化工、航空、航天、艦船、核電、生物醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。為了全面科普鈦合金的相關(guān)知識，探索鈦合金的研究進展及未來趨勢。本期我們邀請到了鈦合金研究領(lǐng)域的權(quán)威專家、西北有色金屬研究院副總工程師趙永慶教授做相關(guān)方面的精彩解讀。

趙永慶，西北有色金屬研究院副總工程師、陜西省鈦工程技術(shù)研究中心主任等，國家973計劃首席科學(xué)家（鈦合金），國家重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊“鈦合金研制創(chuàng)新團隊”帶頭人。一直從事是鈦合金的研究與開發(fā)，在鈦合金研究領(lǐng)域有很高的造詣，先后獲得國家獎2項，省部級科技一等獎6項、二等獎12項等。

西北有色金屬研究院副總工程師趙永慶教授

下面請隨記者一起來聽聽趙永慶教授的精辟見解。

記者：鈦合金是 20 世紀(jì) 50 年發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，請重點談?wù)勀鷮︹伜辖鸬目捶ê鸵娊狻?/span>

趙永慶：鈦及鈦合金具有密度低、比強度和比剛度高以及耐腐蝕、無毒、無磁等許多優(yōu)異特性，是輕型耐蝕結(jié)構(gòu)材料、新型功能材料和重要的生物醫(yī)用材料，在航空、航天、兵器、核工業(yè)、船舶、電子信息等高新技術(shù)領(lǐng)域以及能源化工、冶金、汽車、建筑、體育、醫(yī)療及日用品領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，被譽為正在崛起的 “第三金屬”。

在航空、航天、船舶、核能、兵器等高技術(shù)領(lǐng)域中，鈦及鈦合金已經(jīng)成為不可或缺的材料，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。飛機越先進，用鈦量越大。美國戰(zhàn)斗機的用鈦量已由50年代的2%以上升到90年代的41%。四代戰(zhàn)機F-22鈦合金用量已超過鋁、鋼和復(fù)合材料，成為先進飛機上的第一結(jié)構(gòu)金屬，占到結(jié)構(gòu)重量的41%。美國陸軍155mm榴彈炮采用了鈦合金后減重效果達(dá)到50%以上。正是由于先進高性能鈦合金的應(yīng)用，才使得我國新型飛機具有和國外最先進飛機匹敵的性能參數(shù)。在航天、船舶、兵器和核工業(yè)領(lǐng)域，鈦合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動機、深潛器、裝甲車以及核廢料后處理等系統(tǒng)。目前，高性能鈦合金材料已成為現(xiàn)代化國防的基礎(chǔ)，沒有先進的鈦材和鈦應(yīng)用技術(shù)，就沒有現(xiàn)代化的國防。

在民用領(lǐng)域，由于鈦具有極其優(yōu)異的耐蝕性能，用鈦代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，用于化工、電力、輕工、冶金、能源等行業(yè)，常可以收到增產(chǎn)、節(jié)能、降耗、環(huán)保、安全等綜合效益。民用部門每用1t鈦材，每年可獲10萬元以上純效益。如在氯離子腐蝕嚴(yán)重環(huán)境中，1t鈦可替代40t銅鎳合金（B30）和200t鋼材。我國氯堿行業(yè)在5000臺電解槽上使用Ti陽極代替石墨陽極，使陽極壽命提高40倍，節(jié)電4億度，每年節(jié)省石墨10000多噸。鈦正在由稀有金屬向常用有色金屬過渡，成為一種大用之材。

我國是世界上少數(shù)幾個擁有完整鈦工業(yè)體系的國家，國家對鈦合金的研究與發(fā)展十分重視，新中國成立以來就將鈦合金材料的研發(fā)列入國家重點基礎(chǔ)研究、科技攻關(guān)、高技術(shù)研究發(fā)展和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等多項計劃，得到了又好又快的發(fā)展。我國自上世紀(jì)50年代開始進行鈦合金的研究開發(fā)，研制出100多種鈦合金，其中自主創(chuàng)新研制的合金40種左右，并廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，為我國鈦工業(yè)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

記者：您的主研方向是鈦合金，并且是該領(lǐng)域的權(quán)威專家，獲得過諸多國家及省部級獎項，請詳細(xì)談一下您和您的團隊在鈦合金研究上所做的工作和取得的成就。并談?wù)勥@些科研工作成果或技術(shù)的應(yīng)用狀況及產(chǎn)生的效益？

趙永慶：我所在的“鈦合金研制創(chuàng)新團隊”是2013年批準(zhǔn)的國家創(chuàng)新人才推進計劃重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊、陜西省“三秦學(xué)者創(chuàng)新團隊”、陜西省重點科技領(lǐng)域創(chuàng)新團隊，團隊形成了鈦合金材料的科研—中試—產(chǎn)業(yè)化三位一體的創(chuàng)新模式，我是團隊負(fù)責(zé)人。團隊的依托單位是西北有色金屬研究院，西北有色金屬研究是國內(nèi)鈦合金科研、中試、產(chǎn)業(yè)化重要骨干單位，為我國航空、航天、船舶、兵器、核工業(yè)和民用領(lǐng)域提供了大量的關(guān)鍵材料。在西安已形成了科研--中試--產(chǎn)業(yè)化三位一體的基地，具備凝聚行業(yè)優(yōu)勢資源和打造全球鈦產(chǎn)業(yè)競爭力的優(yōu)勢。鈦合金研制創(chuàng)新團隊歷史悠久、從事的研發(fā)工作涉及到鈦合金的方方面面。鈦合金研制創(chuàng)新團隊1965年在國家三線建設(shè)時在寶雞山溝里就成立了，經(jīng)歷了50多年的艱辛攻關(guān)，攻克了鈦合金均勻化熔煉、鍛造、軋制、熱處理等等關(guān)鍵技術(shù)，解決了國家工程對高性能鈦合金的急需，提供了眾多的合格材料。鈦合金研制工作包括高強鈦合金、阻燃鈦合金、損傷容限鈦合金、高溫鈦合金、低溫鈦合金、耐蝕鈦合金、船舶用鈦合金、低成本鈦合金等等，以及與鈦合金相關(guān)的各類冷熱加工技術(shù)、熱處理技術(shù)等，研制的產(chǎn)品種類包括了所有種類，如棒材、板材、管材、絲材、環(huán)材、鍛件、異形件等等，為我國鈦工業(yè)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。團隊創(chuàng)新研制的鈦合金如高強高韌損傷容限鈦合金TC21，超高強鈦合金Ti-1300、Ti26等，低溫鈦合金CT20，低成本鈦合金Ti-12LC、Ti-8LC，阻燃鈦合金Ti40+,船舶用鈦合金Ti-75、Ti31等，以及具有中國特色的中強高韌損傷容限鈦合金TC4-DT、乏燃料后處理用的Ti-35合金等等，這些合金綜合性能達(dá)到國際領(lǐng)先或國際先進水平，均已在我國工程上獲得了成功應(yīng)用。這些合金也經(jīng)歷了科研—中試---產(chǎn)業(yè)化完整過程或科研—中試工程化過程。在鈦合金研制過程中，團隊與國內(nèi)兄弟單位的高校、院所、企業(yè)進行了很好的合作。這些創(chuàng)新研制的鈦合金對我國鈦合金開發(fā)由仿制向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變起到重要推動作用，使我國航空、航天、船舶等用鈦合金得到升級換代，為我國航空、航天、船舶等用材增加了多個關(guān)鍵牌號，且TC21和TC4-DT已成為航空飛機的主干鈦合金，也開創(chuàng)了我國發(fā)明的鈦合金在航空飛機上應(yīng)用的先例。利用團隊幾十年的技術(shù)積累和人才隊伍，單位建立了國內(nèi)先進的鈦合金熔煉生產(chǎn)線、鍛造生產(chǎn)線、棒材生產(chǎn)線、板材生產(chǎn)線、管材生產(chǎn)線等，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益、社會效益，就業(yè)崗位大大增加，也使我國鈦工業(yè)更加健康地、又好又快地發(fā)展，也為我國鈦材產(chǎn)量位居世界第一做出了不可或缺的貢獻(xiàn)。在完成國家工程需要的鈦合金材料研制的同時，團隊與高校等合作，積極開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究，推動鈦合金材料技術(shù)進步，如建立了鈦合金顯微組織特征的定量分析模型與方法，實現(xiàn)了不同類型的顯微組織特征的定量描述； 提出了鈦合金損傷容限機理、阻燃鈦合金的阻燃機理、高強鈦合金的強韌化機制等，發(fā)明了提高鈦合金損傷容限性能的技術(shù)、鈦合金高損傷容限性能的大規(guī)格棒材加工技術(shù)、高強鈦合金成分的定量設(shè)計方法等等。應(yīng)用這些技術(shù)成功制備出性能合格的眾多鈦合金材料等，并獲得實際應(yīng)用，對工程的順利研制起到了積極推動作用。團隊也培養(yǎng)了大量人才，畢業(yè)的碩博士研究生有的在高校工作、有的在院所工作、有的在國有或民企工作，這些人才在我國鈦行業(yè)發(fā)揮了骨干作用。

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，請您談一下，目前鈦合金防腐蝕研究方面有哪些新進展？

趙永慶：鈦及鈦合金本身就具有很好耐蝕性能，當(dāng)然針對一些特殊環(huán)境或條件下，需要采用耐蝕鈦合金，如TA9、TA10、TB7等。在一般腐蝕環(huán)境應(yīng)用鈦材時，鈦材本身一般不需要進行防腐蝕處理，但與鈦合金材料直接接觸的其它金屬材料（如鋁、鋼、銅等）需要做防腐蝕處理，否則其它金屬材料會加速腐蝕。目前鈦合金防腐蝕研究的重點應(yīng)是海洋工程的防海生物腐蝕、乏燃料后處理工程用特種耐蝕鈦合金以及船舶應(yīng)用的800MPa~1100MPa強度級別的鈦合金等，通過工程應(yīng)用需求和市場需求的推動，取得了良好進展。乏燃料后處理工程用特種耐蝕鈦合金Ti35已處于產(chǎn)業(yè)化階段，材料逐步成熟。另外，鈦合金在海水中具有優(yōu)異的耐腐蝕性，被譽為“海洋金屬”。得益于在深海耐壓結(jié)構(gòu)減重和降低腐蝕防護成本方面的優(yōu)勢，鈦合金正逐步取代鋼材，呈現(xiàn)由“點式”應(yīng)用向系統(tǒng)集成化應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

記者：由于鈦具有良好的耐腐性能，請結(jié)合您的科研工作談?wù)劊c國外相比，鈦合金防腐蝕應(yīng)用方面是否存在哪些差距，如果存在，我們應(yīng)該如何去取長補短？

趙永慶：作為酸堿環(huán)境應(yīng)用的耐蝕鈦合金TA9、TA10、TB7等應(yīng)用方面與國外基本沒有差距，差距大的是耐蝕鈦合金在石油管道應(yīng)用、鈦合金在海洋工程應(yīng)用等，以及相應(yīng)的鈦合金材料及其制備技術(shù)。如在海洋工程應(yīng)用方面，前蘇聯(lián)是世界上第一個將鈦合金大量應(yīng)用在潛艇耐壓殼體上的國家。1968年，前蘇聯(lián)建造了世界上第一艘全鈦核動力潛艇K-162（北約代號“Papa”級），排水量5200t，潛深達(dá)到400m。隨后在70-80年代蘇聯(lián)又相繼建造了包括“阿爾法（Alfa）”級、“麥克（Mik）”級、“塞拉（Sierra）”級等在內(nèi)的一系列全鈦殼體核潛艇。目前，俄羅斯仍然是唯一掌握全鈦潛艇建造技術(shù)的國家。美國雖未建造全鈦潛艇，但已經(jīng)將鈦合金應(yīng)用在潛艇桅桿和緊固件等部件上，以減少艇身重量，優(yōu)化性能。1973年，美國采用Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo合金替代HY100高強鋼重新制造了“阿爾文”號深海載人潛水器殼體，并且采用Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高壓氣瓶。2010年，美軍對原“阿爾文”號進行了升級，重新制造了鈦合金耐壓艙，使得設(shè)計下潛深度達(dá)到了6500m，這一深度覆蓋了全球98%的海域。2012年，我國載人深潛器“蛟龍”號成功進行了7000m下潛試驗，創(chuàng)造了世界同類作業(yè)型潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。該深潛器重22.9t，耐壓殼體內(nèi)徑尺寸為2.1m，采用鈦合金制造。經(jīng)過各單位數(shù)年的合作研發(fā)，我國在深海用鈦合金的材料研制及加工工藝開發(fā)方面已經(jīng)取得了重大突破，掌握了相關(guān)鈦合金的制備、成型及焊接技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了殼體的完全自主設(shè)計、研發(fā)與制造。2017年，我國完成了4500米載人深潛器“深海勇士”號下潛試驗。作為深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)用鈦合金材料需要開展長期服役環(huán)境下鈦合金組織演變與性能衰減規(guī)律、沖撞條件下鈦合金動態(tài)響應(yīng)及裂紋萌生擴展機制、鈦合金在深海耐壓結(jié)構(gòu)上應(yīng)用可能存在的蠕變等問題的深入研究，同時也要解決深海裝備鈦合金材料工程化關(guān)鍵技術(shù)、大規(guī)格板材和配套材料技術(shù)、選材和應(yīng)用考核評價、高效優(yōu)質(zhì)建造技術(shù)等等。在解決技術(shù)上存在的不足同時，要強化材料研制—工程化研究---批量化生產(chǎn)---應(yīng)用研究---應(yīng)用考核的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使設(shè)計部門、材料研制部門、應(yīng)用研究部門、使用單位有機結(jié)合，打破行業(yè)界限，發(fā)揮國家鈦合金領(lǐng)域的整體優(yōu)勢，加快鈦合金材料在石油管道、海洋工程中的應(yīng)用，實現(xiàn)海洋強國。我負(fù)責(zé)的團隊也是“陜西省海洋先進金屬材料重點科技創(chuàng)新團隊”，為海洋工程用鈦合金材料多做貢獻(xiàn)也是理應(yīng)之責(zé)。創(chuàng)新研制的船舶用Ti-75、Ti-31合金已在海洋工程中獲得了應(yīng)用，團隊也將依據(jù)需求，加強與兄弟單位合作，持續(xù)開展鈦合金在海洋工程應(yīng)用、石油管道應(yīng)用的鈦合金材料及其制備技術(shù)研究，提供合格的材料。

記者：請您結(jié)合多年的科研工作談?wù)劊瑸閺娀伜辖鸬男阅芎褪蛊涓鼜V泛地應(yīng)用，其關(guān)鍵應(yīng)該怎樣做？

趙永慶：性能優(yōu)異的鈦合金理應(yīng)得到快速發(fā)展，大量應(yīng)用。鈦合金成本高是限制鈦合金擴大應(yīng)用的一大障礙，廣大科技工作者正在想辦法解決此問題。在國家863項目支持下，我們的鈦合金研制創(chuàng)新團隊在2003年成功地研制出Ti-12LC和Ti-8LC等低成本鈦合金，解決了我國沒有低成本鈦合金的歷史，并獲得了成功應(yīng)用；同時也開展了鈦的連鑄連軋技術(shù)探索，在實驗室內(nèi)實現(xiàn)了連鑄。目前國內(nèi)眾多單位都在探索鈦合金的短流程加工技術(shù)、新型加工技術(shù)等，期望明顯降低鈦合金材料的加工成本，擴大鈦合金的應(yīng)用。

為擴大鈦材應(yīng)用，降低成本僅是一方面，更重要的是鈦合金應(yīng)用時要穩(wěn)定，性能穩(wěn)定、批次一致性好。結(jié)合實際應(yīng)用，要解決科研—中試工程化—產(chǎn)業(yè)化每個階段的關(guān)鍵問題，使科研成果成熟、穩(wěn)定，用戶使用安心、放心。

同時，為實現(xiàn)中國鈦材由大變強、國內(nèi)鈦行業(yè)在全球的先進地位，需要掌握鈦材的核心競爭力，不受制于人。要整合國內(nèi)鈦行業(yè)優(yōu)勢資源，構(gòu)造面向全球的匯聚人才、創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和資金鏈互動的全新生態(tài)環(huán)境，形成一批國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的研究成果和產(chǎn)品，凝聚培育國際化的高端學(xué)術(shù)人才隊伍，實現(xiàn)研究成果的快速轉(zhuǎn)化，提升我國高端鈦合金材料領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力和核心競爭力，滿足國家工程對鈦合金材料的需求。

記者：請您展望一下鈦合金的未來發(fā)展方向？

趙永慶：正因為鈦合金具有優(yōu)異的性能、國民經(jīng)濟建設(shè)各領(lǐng)域的需求，是國家大力發(fā)展的行業(yè)，鈦合金發(fā)展前景很好。針對目前鈦合金發(fā)展存在的問題，個人認(rèn)為未來鈦合金的發(fā)展方向是：1）精簡鈦合金牌號，發(fā)展主干鈦合金；2）建立鈦合金材料數(shù)據(jù)庫及合金設(shè)計的專家系統(tǒng)，指導(dǎo)新合金設(shè)計；3）加強600°C以上高溫鈦合金研究；4）強化TiAl金屬間化合物及阻燃鈦合金的工程化研究及應(yīng)用；5）加強SiC長纖維增強鈦基復(fù)合材料研究及應(yīng)用；6）強化損傷容限型鈦合金批次穩(wěn)定性研究及應(yīng)用；7）強化鈦合金低成本化制備技術(shù)研究；8）強化鈦合金近凈成形技術(shù)研究及應(yīng)用；9）鈦的熔煉—加工—性能—組織計算機模擬；10）改善工藝、改善性能、擴大鈦合金的應(yīng)用；11）開發(fā)鈦合金的先進制備技術(shù)和鈦的新產(chǎn)品；12）海綿鈦低成本化的新型制備技術(shù)。

同時，針對國家的需求，著力發(fā)展大規(guī)格高性能鈦材及鈦的異性材；開發(fā)新型鈦合金及新型制備工藝（包括鈦合金低成本、短流程加工技術(shù)，鈦合金近凈成型技術(shù)、鈦及鈦合金異型材、棒絲材成型技術(shù)、鈦合金焊接技術(shù)等）；延伸產(chǎn)業(yè)鏈，加快下游產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)，大力發(fā)展低成本鈦合金在兵器、海洋及民用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，擴大鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域，將鈦合金的產(chǎn)業(yè)和市場做大做強。

后記：

國之利器，重在科技。鈦合金以其強度高、抗腐蝕、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性，成為一種完美的工業(yè)材料。趙永慶教授及團隊嘔心瀝血、不斷創(chuàng)新，為祖國和人民獻(xiàn)上一份份精美的鈦合金科研答卷。相信在不久的未來，在更多像趙教授那樣的科技工作者的共同努力下，我國鈦合金的科技發(fā)展定會百尺竿頭更進一步，屹立于世界巔峰材料之林。

人物簡介

趙永慶，博士、教授、博導(dǎo)，國家萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國家973計劃首席科學(xué)家（鈦合金），國家創(chuàng)新人才推進計劃重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊---“鈦合金研制創(chuàng)新團隊”帶頭人。西北有色金屬研究院副總工程師。自1991年參加工作以來，一直從事是鈦合金的研究與開發(fā)，主持承擔(dān)包括國家973計劃、科技支撐計劃、863計劃、自然基金（重點）項目、軍品類項目等，先后獲得國家獎2項，省部級科技一等獎6項、二等獎12項；創(chuàng)新研制出鈦合金30多種；獲授權(quán)發(fā)明專利77件；發(fā)表SCI收錄論文300余篇；編著《鈦及鈦合金金相圖譜》（第1主編）、《鈦合金相變與熱處理》（第1主編）《新型合金材料---鈦合金》（第1主編）等專著5部。先后榮獲全國勞動模范、新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選、政府特殊津貼專家、全國優(yōu)秀科技工作者等榮譽。