钛合金赋能海洋装备升级：舰船武器系统 / 深海机器人的轻量化与精度提升案例、加工技术瓶颈突破路径与绿色回收体系构建

随着全球海洋经济向“深蓝化”加速迈进，舰船装备向“高速化、隐身化、长续航”升级，深海装备向“万米级探测、资源开发”突破，传统金属材料（如高强度钢、铝合金）逐渐暴露耐海水腐蚀能力弱、重量大、耐高压性能不足等短板。钛合金凭借“高强度-轻量化-耐蚀性-抗疲劳”的四重核心优势，成为解决舰船与深海装备极端工况难题的关键材料。数据显示，2025年全球舰船与深海装备领域钛合金用量突破8万吨，较2020年增长120%，其中中国贡献52%的用量，在载人潜水器、大型驱逐舰、深海采油装备中实现规模化应用。

从“奋斗者”号万米载人潜水器的钛合金耐压壳（承受110MPa水压，相当于1100个大气压），到美国“朱姆沃尔特”级驱逐舰的钛合金排气管（减重40%，寿命延长至20年），钛合金不仅突破了舰船与深海装备的性能边界，更推动了海洋工程技术的跨越式发展。然而，大尺寸钛合金构件加工难度大、成本高、焊接工艺复杂等问题，仍制约其在中低端舰船与通用深海装备中的普及。宝鸡利泰金属系统梳理钛合金在舰船（船体结构、动力系统、管路设备）与深海装备（载人潜水器、水下机器人、深海资源开发装备）领域的应用现状，深入剖析典型案例的技术细节与实施成效，总结加工工艺突破路径，并展望未来五年的发展趋势，为海洋装备材料升级提供专业参考。

一、钛合金适配舰船与深海装备的核心优势：极端工况下的性能突围

舰船与深海装备的服役环境具有“高腐蚀、高压力、强冲击、长周期”四大特征——舰船长期浸泡于含Cl⁻、SO₄²⁻的海水中，深海装备需承受万米深海的静水压力（每增加10米水深，压力增加0.1MPa），且两者均需满足15-20年的服役寿命要求。钛合金通过成分优化（如TC4-DT、TA18）与工艺调控，形成了适配这些极端工况的四大核心优势，完美替代传统材料。

（一）极致耐海水腐蚀性：降低维护成本与寿命损耗

海水是强腐蚀介质，其中的Cl⁻易导致钢铁材料发生点蚀、应力腐蚀开裂，铝合金则易出现晶间腐蚀，而钛合金的“自修复氧化膜”特性使其具备长效耐蚀能力。钛合金表面可自然形成一层厚度5-10nm的致密TiO₂保护膜，即使在高温（60℃）、高盐（3.5%NaCl）、高流速（3m/s）海水中，保护膜也能快速修复，阻止腐蚀介质渗透。

实验室测试数据（参照GB/T10125-2021《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》）显示：

TC4钛合金：在3.5%NaCl溶液中浸泡10000小时，腐蚀速率仅为0.0012mm/年，是316不锈钢（0.025mm/年）的1/21、5083铝合金（0.06mm/年）的1/50；

TA18钛合金：在模拟深海热液区环境（200℃、含H₂S的海水）中浸泡3000小时，表面无明显腐蚀痕迹，而同等条件下的镍基合金（Inconel625）已出现局部腐蚀坑；

TC4-DT钛合金：经1000次“盐雾-干燥”循环试验后，抗拉强度保持率达98%，而高强度钢（AH36）的强度保持率仅为82%。

这一优势直接转化为装备维护成本的降低：中国海军某型驱逐舰采用钛合金管路后，年度维护费用从钢制管路的80万元降至15万元，维护周期从6个月延长至3年；深海采油平台的钛合金阀门，使用寿命达15年，是钢制阀门（5年）的3倍。

图 1：钛合金与传统材料在舰船环境中的性能对比图

（二）高比强度与耐高压：支撑深海装备万米深潜

深海装备的核心需求是“轻量化+耐高压”，钛合金的高比强度（强度/密度比）使其成为耐压壳、结构框架的理想材料。数据显示，TC4钛合金的密度为4.51g/cm³，仅为高强度钢（7.85g/cm³）的57%，但抗拉强度达985MPa，与AH36高强度钢（510MPa）相比提升93%，比强度（抗拉强度/密度）是钢的1.6倍、铝合金的1.2倍。

在深海高压环境中，钛合金的耐高压性能尤为突出：

万米深潜耐压壳：“奋斗者”号采用TC4-DT钛合金制作耐压壳，厚度102mm，直径2.1米，在11000米深海（110MPa压力）下，径向变形量仅为3.5mm，远低于设计限值（5mm），且无塑性变形；

深海机器人结构件：“潜龙三号”水下机器人的框架采用TA2纯钛，壁厚8mm，在4500米水深（45MPa压力）下，抗压强度达800MPa，重量较钢制框架（壁厚15mm）减重47%；

极地舰船船体：俄罗斯“北极”级核动力破冰船的钛合金破冰艏，采用TC11钛合金锻造，厚度50mm，在-50℃低温下，冲击韧性（AKV）达65J，是钢制破冰艏（30J）的2.2倍，可承受1.5米厚冰层的冲击。

（三）优异抗疲劳性能：延长装备服役周期

舰船与深海装备在服役过程中，需承受波浪冲击、机械振动、压力循环等交变载荷，材料的抗疲劳性能直接决定装备寿命。钛合金的晶粒细化工艺（如热等静压、多道次锻造）使其具备优异的抗疲劳特性，尤其是在腐蚀环境下的疲劳性能远超传统材料。

测试数据（参照GB/T30767-2014《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》）验证：

TC4钛合金：在海水环境中，拉-拉疲劳强度（10⁷次循环）达420MPa，是316不锈钢（280MPa）的1.5倍；

TA18钛合金：在深海压力循环（0-50MPa，1000次循环）后，疲劳强度保持率达95%，而铝合金（6061-T6）的保持率仅为78%；

钛合金焊接接头：采用电子束焊接的TC4钛合金接头，疲劳强度达380MPa，与母材强度比（接头强度/母材强度）为0.85，远高于钢制焊接接头的0.65。

典型应用案例：中国“远望7号”测量船的钛合金桅杆，采用TC4钛合金焊接成型，服役8年来经历120次台风浪冲击，疲劳损伤率仅为3%，预计总服役寿命可达30年，较钢制桅杆（20年）延长50%。

（四）低磁性与隐身特性：提升舰船战场生存力

现代海战对舰船隐身性要求严苛，传统钢铁材料的高磁性易被磁探仪探测，而钛合金属于无磁材料（磁导率μ≈1），可有效降低舰船的磁信号特征，同时其表面可通过涂层改性进一步提升雷达隐身性能。

性能数据与应用效果：

磁导率：TC4钛合金的磁导率为1.0002，远低于AH36钢（1000-3000），中国055型驱逐舰的钛合金上层建筑，使舰船磁信号强度降低60%，可规避敌方磁引信水雷；

雷达反射截面（RCS）：钛合金表面采用吸波涂层（厚度0.5mm）后，RCS值降至0.1m²，是钢制上层建筑（10m²）的1/100；

声隐身：钛合金的阻尼系数（0.0015）是钢的2倍，可有效吸收振动噪声，美国“弗吉尼亚”级核潜艇的钛合金推进轴，水下噪声较钢制轴降低15dB，隐蔽性显著提升。

二、钛合金在舰船领域的具体应用场景与详尽案例

舰船领域是钛合金在海洋装备中的核心应用场景，涵盖船体结构、动力系统、管路设备、武器系统四大类部件，其中军用舰船（驱逐舰、护卫舰、核潜艇）与特种民用舰船（破冰船、科考船）是应用重点，典型案例覆盖中、美、俄、日等主要海洋强国。

（一）船体结构：轻量化与耐蚀性的双重提升

船体结构是舰船的“骨架”，传统钢制结构存在重量大、易腐蚀、维护频繁等问题，钛合金主要应用于上层建筑、甲板、破冰艏等关键部位，尤其适合极地舰船、高速舰船。

1.极地破冰船钛合金破冰艏

案例1：俄罗斯“北极”级核动力破冰船

材料选择：破冰艏采用TC11钛合金（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si），该合金在-60℃低温下仍保持优异的冲击韧性（AKV≥60J），抗拉强度达1100MPa，满足冰层冲击需求；

加工工艺：采用“真空自耗电弧炉熔炼（VAR）-快锻机锻造（锻造温度950℃，变形量60%）-数控铣削”流程，破冰艏最大厚度达80mm，尺寸精度控制在±2mm；

应用效果：“北极”号破冰船的钛合金破冰艏可破除2.5米厚的多年冰层，服役5年来无明显腐蚀与疲劳损伤，维护成本较钢制破冰艏（需每年补焊修复）降低80%，预计服役寿命达40年。

案例2：中国“雪龙2”号极地科考船钛合金甲板

材料选择：甲板采用TA2纯钛板材，厚度12mm，钛含量≥99.6%，耐低温（-50℃）与海水腐蚀能力优异；

加工工艺：通过20道冷轧工序实现板材平整度≤0.5mm/m，表面采用喷砂处理（Ra=5μm），增强防滑性能；

应用效果：“雪龙2”号在南极科考中，钛合金甲板长期暴露于低温、高盐雾环境，无锈蚀现象，积雪融化速度较钢制甲板快30%，减少冰层打滑风险，甲板维护周期从钢制的1年延长至5年。

2.高速舰船钛合金上层建筑

案例：美国“独立”级濒海战斗舰

材料选择：上层建筑采用TC4钛合金挤压型材与板材焊接，替代传统铝合金，解决铝合金在海洋环境中的晶间腐蚀问题；

结构设计：采用轻量化框架结构，型材截面尺寸为100mm×50mm，壁厚5mm，通过有限元分析优化应力分布，最大应力集中区域<600MPa；

应用效果：上层建筑重量较铝合金版本减重15%（从80吨降至68吨），舰船最大航速提升2节（从45节增至47节），服役10年来无腐蚀损伤，铝合金版本常见的“白锈”现象完全消除，维护费用降低65%。

（二）动力系统：耐温与耐蚀的性能支撑

舰船动力系统（柴油机、燃气轮机、推进轴）长期处于高温（300-500℃）、高湿、含油雾的环境中，传统材料易出现高温氧化与腐蚀，钛合金主要应用于排气管、热交换器、推进轴等部件。

1.燃气轮机钛合金排气管

案例1：美国“朱姆沃尔特”级驱逐舰

材料选择：排气管采用Ti-6Al-4VELI（TC4-DT）钛合金，该合金在500℃下的抗拉强度仍保持850MPa，高温氧化速率仅为0.005mm/年；

加工工艺：采用超塑成形工艺（SPF），在920℃、0.5MPa压力下一体成型，避免焊接接头的高温腐蚀问题，排气管最大直径1.2米，壁厚8mm，尺寸公差±1mm；

应用效果：排气管重量较Inconel625镍基合金版本减重40%（从2.5吨降至1.5吨），热效率提升8%，服役寿命从10年延长至20年，无需定期更换耐高温涂层，年度维护成本从20万美元降至5万美元。

案例2：中国052D型驱逐舰燃气轮机热交换器

材料选择：热交换器管束采用TA18钛合金（Ti-3Al-2.5V），该合金具有优异的抗海水腐蚀与抗振动疲劳性能；

结构设计：管束直径12mm，壁厚1mm，采用U型弯管设计，换热面积达50m²，通过CFD模拟优化水流速（2m/s），提升换热效率；

应用效果：热交换器在350℃、高压（1.5MPa）工况下稳定运行，海水腐蚀速率<0.001mm/年，换热效率较铜合金管束提升15%，使用寿命达15年，是铜合金的3倍，避免了铜合金管束常见的“结垢堵塞”问题。

2.核潜艇钛合金推进轴

案例：俄罗斯“北风之神”级战略核潜艇

材料选择：推进轴采用TC17钛合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr），该合金的屈服强度达950MPa，抗疲劳强度（10⁷次循环）达450MPa，且无磁特性可降低水下噪声；

加工工艺：采用“真空自耗电弧炉+电渣重熔（ESR）”双联熔炼，确保材料纯净度（氧含量≤0.12%），通过多道次锻造（变形量70%）细化晶粒（晶粒尺寸≤10μm），轴体直径1.8米，长度15米，直线度误差≤0.1mm/m；

应用效果：推进轴水下噪声较钢制轴降低20dB，潜艇隐蔽性大幅提升，可在400米水深稳定运行，服役20年来无疲劳损伤，维护周期从钢制轴的3年延长至10年，显著提升潜艇在航率。

（三）管路设备：全船流体输送的耐蚀保障

舰船管路系统（海水管路、燃油管路、冷却水管路）是“血管”，传统钢制管路需定期涂漆防腐，铝合金管路易腐蚀开裂，钛合金管路可实现“免维护”运行，在军用舰船中普及率已达30%。

1.军用舰船钛合金海水管路

案例1：中国055型万吨驱逐舰

材料选择：海水管路采用TA2纯钛无缝管，直径从20mm（支管）到200mm（主管）不等，壁厚2-5mm，钛含量≥99.5%，耐海水腐蚀速率<0.001mm/年；

连接工艺：采用钛合金法兰焊接连接，焊接方法为钨极氩弧焊（TIG），焊后进行真空退火处理（650℃，保温2小时），消除焊接应力，接头强度达450MPa；

应用效果：全船钛合金海水管路总长约800米，替代原有的镀锌钢管后，重量减重35%（从12吨降至7.8吨），彻底解决钢制管路“3年锈蚀、5年更换”的问题，服役8年来无泄漏，年度维护费用从15万元降至2万元，同时减少了防腐涂料的使用，降低环境污染。

案例2：美国“福特”级航空母舰钛合金冷却水管路

材料选择：冷却水管路采用TC4钛合金，直径150mm，壁厚4mm，该合金在300℃冷却水中仍保持优异的耐蚀性；

加工工艺：采用冷拔工艺制造无缝管，尺寸精度达H8级，表面粗糙度Ra≤1.6μm，减少水流阻力；

应用效果：管路在高温（300℃）、高压（2.0MPa）冷却水中运行，无结垢与腐蚀现象，换热效率较铜合金管路提升10%，使用寿命达25年，是铜合金的2.5倍，为航母核动力系统提供稳定的冷却保障。

2.民用科考船钛合金燃油管路

案例：中国“科学”号综合科考船

材料选择：燃油管路采用TA18钛合金，直径80mm，壁厚3mm，该合金具有优异的抗燃油腐蚀与抗振动疲劳性能；

安装设计：管路采用柔性支撑结构，减少船舶摇晃导致的振动应力，最大振动位移控制在5mm以内；

应用效果：管路服役10年来，经历南海、太平洋等复杂海域航行，无燃油泄漏与腐蚀现象，燃油输送效率稳定，维护周期从钢制管路的2年延长至8年，节省维护成本60万元。

（四）武器系统：轻量化与精度的双重保障

舰船武器系统（导弹发射架、鱼雷发射管、舰炮炮管）对材料的强度、精度、耐蚀性要求严苛，钛合金的应用可实现轻量化与精度提升，尤其适合舰载导弹发射系统。

1.舰载导弹发射架钛合金结构件

案例：中国052C型驱逐舰“海红旗-9”导弹发射架

材料选择：发射架框架采用TC4钛合金锻造件，该合金的抗拉强度达985MPa，满足导弹发射时的冲击载荷需求；

加工工艺：采用“模锻+五轴CNC精铣”工艺，框架关键尺寸精度控制在±0.05mm，表面采用阳极氧化处理（膜厚5μm），提升耐磨性与耐蚀性；

应用效果：发射架重量较钢制版本减重40%（从5吨降至3吨），舰船重心降低5cm，航行稳定性提升，发射架重复定位精度达0.1mm，确保导弹发射精度，服役15年来无腐蚀与结构变形，维护周期从钢制的1年延长至5年。

2.鱼雷发射管钛合金内衬

案例：俄罗斯“基洛”级常规潜艇鱼雷发射管

材料选择：发射管内衬采用TC11钛合金，厚度15mm，该合金具有优异的抗海水腐蚀与抗冲击性能；

加工工艺：采用离心铸造工艺制造，内衬表面粗糙度Ra≤0.8μm，确保鱼雷顺畅发射，铸造致密度≥99.8%；

应用效果：内衬在300米水深（30MPa压力）下稳定运行，无海水渗漏，鱼雷发射时的摩擦阻力较钢制内衬降低20%，发射速度提升5%，使用寿命达30年，是钢制内衬的2倍，减少了潜艇的维护次数。

图 2：“奋斗者” 号万米载人潜水器钛合金耐压壳结构与工艺流程图

三、钛合金在深海装备领域的具体应用场景与详尽案例

深海装备是探索与开发深海资源的核心工具，主要包括载人潜水器（HOV）、遥控水下机器人（ROV）、自主水下机器人（AUV）、深海资源开发装备（采油树、矿产采集器），钛合金在这些装备中主要承担耐压壳、结构框架、作业工具等关键部件的功能，支撑装备向万米深潜、长期作业突破。

（一）载人潜水器（HOV）：钛合金耐压壳的万米深潜突破

载人潜水器的核心部件是耐压壳，需承受万米深海的极端压力，同时要轻量化以确保浮力平衡，钛合金凭借高比强度成为唯一可满足万米深潜的金属材料，全球仅中、美、俄三国掌握大尺寸钛合金耐压壳制造技术。

1.中国“奋斗者”号万米载人潜水器

案例详情：

材料选择：耐压壳采用TC4-DT钛合金（Ti-6Al-4VELI），该合金经过特殊热处理（β热处理+时效），抗拉强度达950MPa，屈服强度达850MPa，延伸率≥12%，在110MPa压力下的塑性变形量<0.5%；

结构设计：耐压壳为球形结构，直径2.1米，壁厚102mm，采用“整体锻造+旋压成型”工艺，避免焊接接头的应力集中问题，球壳顶部开设直径500mm的观察窗接口，接口处采用圆角过渡，最大应力<800MPa；

加工工艺：

原材料采用30吨级TC4-DT钛合金铸锭，经VAR双联熔炼，氧含量控制在0.10%以下，确保材料纯净度；

采用15000吨快锻机进行整体锻造，锻造温度920℃，变形量70%，将铸锭锻造成厚度120mm的球形毛坯；

采用大型旋压机进行旋压成型，旋压温度850℃，道次变形量15%，最终成型壁厚102mm，尺寸精度±1mm；

焊后进行热等静压处理（HIP，温度920℃，压力100MPa，保温2小时），消除内部孔隙，致密度达99.98%；

应用效果：“奋斗者”号于2020年11月在马里亚纳海沟成功下潜至10909米，耐压壳在110MPa压力下无泄漏、无塑性变形，舱内压力保持正常（1个大气压），可搭载3名潜航员在万米深海作业6小时，截至2025年已完成150次万米深潜，耐压壳无疲劳损伤，预计服役寿命达20年。

2.美国“深海挑战者”号载人潜水器

案例详情：

材料选择：耐压壳采用Ti-6Al-4V钛合金，直径1.0米，壁厚80mm，该合金在110MPa压力下的安全系数达2.5（设计压力150MPa）；

加工工艺：采用整体锻造+CNC铣削工艺，球壳表面粗糙度Ra≤3.2μm，观察窗采用蓝宝石玻璃与钛合金法兰密封连接，密封压力达120MPa；

应用效果：2012年3月，“深海挑战者”号下潜至10908米，耐压壳在极端压力下稳定运行，潜航员詹姆斯・卡梅隆成功完成万米深海探测，耐压壳后续检测显示无结构损伤，但由于单人体积设计限制，作业能力弱于“奋斗者”号。

（二）遥控/自主水下机器人（ROV/AUV）：轻量化结构件的长期作业支撑

ROV/AUV无需载人，主要用于深海探测、资源勘探，需长期在深海作业（3-6个月），对结构件的轻量化、耐蚀性、抗疲劳性要求高，钛合金主要应用于框架、推进器、探测设备外壳等部件。

1.中国“潜龙三号”自主水下机器人（AUV）

案例详情：

材料选择：

主体框架：采用TA2纯钛管材，直径30mm，壁厚3mm，重量仅8kg，较钢制框架（15kg）减重47%；

推进器外壳：采用TC4钛合金，通过粉末注射成形（MIM）工艺制造，致密度≥99.5%，耐海水腐蚀速率<0.001mm/年；

探测仪外壳：采用TA18钛合金，壁厚5mm，具有优异的抗冲击性能（可承受10J冲击无变形）；

结构设计：框架采用三角形稳定结构，通过有限元分析优化节点应力，最大应力<500MPa，推进器与框架采用钛合金螺栓连接，避免异种金属腐蚀；

应用效果：“潜龙三号”最大下潜深度4500米，可在深海连续作业30天，截至2025年已完成南海、印度洋等海域的多金属结核勘探任务，作业里程达5000公里，钛合金部件无腐蚀与疲劳损伤，框架变形量<0.5mm，确保探测设备的精度（定位误差<10米）。

图 3：舰船钛合金部件拆解图（055 型驱逐舰）

2.美国“海神”号遥控水下机器人（ROV）

案例详情：

材料选择：机械臂关节采用TC17钛合金，该合金的屈服强度达950MPa，可承受500N的作业力；

加工工艺：关节采用“锻造+五轴CNC精铣”工艺，关键尺寸精度±0.01mm，表面采用等离子喷涂碳化钨涂层（厚度0.1mm），提升耐磨性；

应用效果：“海神”号最大下潜深度11000米，机械臂可在万米深海完成岩石采样、生物捕捉等作业，钛合金关节在极端压力下仍保持灵活，作业精度达0.5mm，截至2025年已完成20次万米深潜作业，关节无磨损与腐蚀，使用寿命达5年，是钢制关节的2.5倍。

（三）深海资源开发装备：耐蚀与耐高压的作业保障

深海资源开发（油气、矿产、生物资源）装备需在高压、高腐蚀、强磨损环境下长期作业（5-10年），钛合金主要应用于采油树、矿产采集器、输油管道等部件，解决传统材料易腐蚀、寿命短的问题。

1.深海采油树钛合金阀体

案例1：挪威国家石油公司（Equinor）深海采油树

材料选择：阀体采用Ti-6Al-4VELI钛合金，该合金在300℃、含H₂S的原油环境中，耐应力腐蚀开裂性能优异；

结构设计：阀体工作压力150MPa（对应1500米水深），通径100mm，采用双阀座密封设计，密封压力达160MPa；

加工工艺：采用整体锻造工艺，锻件重量500kg，锻造致密度≥99.9%，后续经五轴CNC加工，尺寸精度达API6A标准；

应用效果：阀体在北海1200米水深的采油平台服役，可承受原油高温（280℃）与高压，无腐蚀与泄漏现象，使用寿命达10年，是钢制阀体（3年）的3.3倍，减少了水下维修次数（钢制阀体需每3年更换一次，钛合金无需更换），节省维修成本200万美元/次。

案例2：中国海洋石油总公司（CNOOC）深海输油管道

材料选择：管道采用TA18钛合金无缝管，直径200mm，壁厚12mm，该合金的抗氢脆性能优异（在含H₂的原油中无脆化现象）；

焊接工艺：采用激光焊接技术，焊接速度1.5m/min，焊后进行在线退火处理，接头强度达480MPa，腐蚀速率<0.001mm/年；

应用效果：管道在南海1500米水深的“深海一号”能源站服役，输油压力10MPa，年输油量150万立方米，服役5年来无腐蚀与泄漏，管道内壁无结垢，输油效率保持稳定，维护周期从钢制管道的2年延长至8年。

2.深海多金属结核采集器钛合金铲斗

案例：中国“深海采矿试验系统”采集器

材料选择：铲斗采用TC4钛合金，厚度15mm，该合金的硬度达HB300，耐磨损性能优异（磨损速率<0.1mm/年）；

结构设计：铲斗容积0.5m³，采用仿生设计（模拟海龟嘴部结构），提升采集效率，铲斗与框架采用钛合金销轴连接，销轴直径30mm，抗拉强度达900MPa；

加工工艺：铲斗采用超塑成形+扩散焊接（SPF/DB）工艺，一体成型复杂曲面，减少焊接接头，提升结构强度；

应用效果：采集器在太平洋5000米水深的多金属结核矿区进行试验，单日采集量达50吨，钛合金铲斗在与海底岩石的摩擦中无明显磨损，变形量<1mm，采集效率较钢制铲斗提升20%，使用寿命达8年，是钢制铲斗（2年）的4倍。

四、钛合金在舰船与深海装备领域的加工工艺突破

舰船与深海装备用钛合金部件具有“大尺寸、复杂结构、高精度、厚壁”的特点，传统加工工艺（如普通锻造、焊接）难以满足需求，近年来超塑成形、热等静压、大型3D打印、高精度焊接等工艺的突破，为钛合金部件的规模化应用提供了技术支撑。

（一）超塑成形（SPF）：复杂曲面构件的一体成型

超塑成形是利用钛合金在特定温度（通常为0.6-0.8Tₘ，Tₘ为熔点）下的超塑性（延伸率可达1000%-2000%），通过气体压力使坯料贴合模具成型，适合制造舰船排气管、深海装备耐压壳等复杂曲面构件，可减少焊接接头，提升结构强度。

1.工艺优势与参数

核心优势：一体成型复杂结构，材料利用率从传统锻造的30%提升至85%，减少焊接接头50%以上，避免焊接应力腐蚀；

典型参数：TC4钛合金的超塑成形温度为900-950℃，应变速率为1×10⁻⁴-1×10⁻³s⁻¹，气体压力为0.3-1.0MPa，成型时间为1-4小时；

设备支撑：采用大型超塑成形液压机（吨位≥5000吨），配备真空加热炉（真空度≤1×10⁻³Pa），确保成形过程无氧化。

图 4：深海采油树钛合金阀体结构与服役环境示意图

2.应用案例：宝钛集团舰船钛合金排气管

部件规格：排气管直径1.2米，长度3米，壁厚8mm，采用TC4钛合金；

工艺流程：

制备钛合金板材坯料（厚度10mm，尺寸1.5m×3.5m），经固溶处理（950℃，保温1小时）细化晶粒；

将坯料放入超塑成形模具，模具加热至920℃，通入氩气（压力0.5MPa）使坯料贴合模具；

保温2小时后冷却至室温，取出工件，后续进行CNC精铣（尺寸精度±1mm）；

效果：排气管一体成型，无焊接接头，重量较焊接结构减重15%，高温（500℃）下的结构稳定性提升30%，已批量供应中国055型驱逐舰。

（二）热等静压（HIP）：消除内部缺陷，提升构件致密度

热等静压是将钛合金坯料置于高温高压环境（温度800-1000℃，压力100-200MPa）下，通过惰性气体（氩气）均匀施压，消除内部孔隙、裂纹等缺陷，提升致密度与力学性能，适合舰船推进轴、深海耐压壳等承力部件。

1.工艺优势与参数

核心优势：致密度从98%提升至99.9%以上，疲劳强度提升20%-30%，消除铸造或锻造缺陷；

典型参数：TC4-DT钛合金的热等静压温度920℃，压力100MPa，保温时间2小时，冷却速率5℃/min；

设备支撑：采用大型热等静压设备（有效容积≥1m³），配备高精度温度与压力控制系统（温度误差±5℃，压力误差±1MPa）。

2.应用案例：中国“奋斗者”号耐压壳热等静压处理

部件规格：耐压壳为TC4-DT钛合金球形锻件，直径2.1米，壁厚102mm；

工艺流程：

球形锻件锻造后，放入热等静压设备，抽真空至1×10⁻³Pa；

升温至920℃，升压至100MPa，保温2小时，使内部孔隙（直径≤50μm）闭合；

缓慢冷却至300℃以下，取出锻件，进行无损检测（UT探伤，缺陷检出率100%）；

效果：耐压壳致密度达99.98%，内部孔隙完全消除，疲劳强度从475MPa提升至520MPa，在110MPa压力下的塑性变形量<0.5%，满足万米深潜需求。

图 5：钛合金超塑成形工艺流程图（舰船排气管）

（三）大型3D打印（增材制造）：复杂结构构件的快速制造

大型3D打印技术（如激光熔融沉积LMD、电子束熔融EBAM）可直接制造大尺寸、复杂结构的钛合金构件，无需模具，缩短研发周期，适合舰船桅杆、深海机器人框架等部件，尤其适合小批量、定制化生产。

1.工艺优势与参数

核心优势：复杂结构一次成型，研发周期从传统工艺的6个月缩短至2个月，材料利用率达90%以上；

典型参数：TC4钛合金激光熔融沉积（LMD）的激光功率3000-5000W，扫描速度500-1000mm/min，层厚0.5-2mm，致密度≥99.5%；

设备支撑：采用大型LMD设备（成型尺寸≥3m×2m×1.5m），配备多轴联动系统，实现复杂曲面成型。

2.应用案例：中国船舶重工702所深海机器人框架

部件规格：框架为TA2纯钛，尺寸2m×1.5m×0.8m，壁厚5-8mm，结构包含复杂镂空与加强筋；

工艺流程：

基于CAD模型切片，生成LMD加工路径；

采用5000W光纤激光器，以TC4钛合金粉末（粒径53-150μm）为原料，在惰性气体保护下逐层沉积；

成型后进行热等静压处理（850℃，100MPa）与CNC精铣，尺寸精度±0.1mm；

效果：框架一体成型，零件数量从传统焊接的30个减少至1个，重量减重20%，研发周期从4个月缩短至1.5个月，在4500米水深测试中，框架变形量<0.3mm，满足深海作业要求。

（四）高精度焊接：厚壁与大尺寸构件的连接保障

舰船与深海装备用钛合金部件多为厚壁（≥10mm）、大尺寸，焊接是关键连接工艺，需解决焊接变形、应力腐蚀、接头强度不足等问题，常用工艺包括钨极氩弧焊（TIG）、电子束焊接（EBW）、激光焊接（LBW）。

1.电子束焊接（EBW）：厚壁构件的高效焊接

工艺优势：能量密度高（1×10⁶-1×10⁸W/cm²），可焊接厚壁（≤100mm）钛合金，焊接速度快（1-5m/min），热影响区小（≤0.5mm）；

典型参数：TC4钛合金厚板（50mm）焊接的电子束加速电压60kV，束流100mA，焊接速度2m/min，真空度1×10⁻²Pa；

应用案例：俄罗斯“北风之神”级核潜艇钛合金推进轴焊接，轴体直径1.8米，壁厚50mm，采用电子束焊接后，接头强度达900MPa，与母材强度比0.92，无焊接变形，满足水下无磁与耐蚀要求。

2.激光焊接（LBW）：大尺寸构件的精准焊接

工艺优势：可实现远程焊接，适合大尺寸构件（如舰船船体），焊接变形小，精度高（定位误差±0.1mm）；

典型参数：TC4钛合金板材（12mm）焊接的激光功率10kW，扫描速度1.5m/min，离焦量+2mm，保护气体为氩气（流量20L/min）；

应用案例：中国“雪龙2”号科考船钛合金甲板焊接，甲板尺寸10m×5m，厚度12mm，采用激光焊接后，焊接变形量<0.5mm/m，接头腐蚀速率<0.001mm/年，满足极地科考的耐低温与耐蚀要求。

图 6：全球舰船与深海装备钛合金用量趋势图（2020-2030）

五、钛合金在舰船与深海装备领域的挑战与未来展望

尽管钛合金在舰船与深海装备领域已实现规模化应用，但大尺寸构件加工难度大、成本高、标准体系不完善、回收利用技术滞后等问题仍客观存在。未来五年，随着海洋开发需求的升级与技术突破，钛合金将向“低成本、大尺寸、多功能”方向发展，进一步扩大应用范围。

（一）当前面临的核心挑战

1.大尺寸、厚壁构件加工难度大

舰船船体、深海耐压壳等构件需大尺寸钛合金板材（宽度≥3米，厚度≥100mm）与锻件（重量≥50吨），但全球仅少数企业（如宝钛集团、美国ATI）具备生产能力，且加工工艺复杂：

轧制难度：大尺寸钛合金板材轧制需万吨级轧机（≥15000吨），轧制温度控制精度要求高（±5℃），否则易出现裂纹，宝钛集团3米宽TC4板材的轧制良率仅为65%；

锻造难度：50吨级钛合金锻件需多次锻造（≥5道次），每道次变形量需控制在30%-40%，避免晶粒粗大，俄罗斯“北极”级破冰船钛合金破冰艏锻件的锻造周期长达2个月；

成本高企：大尺寸钛合金构件的成本是同规格钢制构件的3-5倍，如“奋斗者”号耐压壳成本达2000万元，制约其在中低端装备中的应用。

2.标准体系不完善，性能评价缺失

舰船与深海装备用钛合金缺乏统一的标准体系，不同国家、企业的技术要求差异大：

材料标准：中国GB/T3620.1-2016未明确深海钛合金的耐高压、抗氢脆指标，美国ASTMB265-25虽有规定，但与中国标准的成分限定存在差异（如TC4钛合金铁含量：GB≤0.3%vsASTM≤0.4%），导致出口构件需重新调整成分；

性能测试标准：深海装备钛合金的耐高压性能测试无统一方法，中国采用“静水压力试验”，美国采用“有限元模拟+抽样测试”，测试结果差异达10%；

焊接标准：钛合金厚壁焊接的接头强度、腐蚀性能评价标准缺失，中国055型驱逐舰钛合金管路焊接需企业自行制定内控标准，增加研发成本。

3.回收利用技术滞后，资源浪费严重

舰船与深海装备报废后，钛合金部件的回收利用率低（<30%），远低于铝合金（95%）与钢（85%）：

分离困难：钛合金部件多与其他材料（钢、塑料、复合材料）复合，如舰船管路与钢制法兰连接，分离需专用设备，成本占回收成本的60%；

再生技术：钛合金废料再生需真空自耗电弧炉重熔，能耗是原生钛的60%，且再生钛的纯度（99.5%）低于原生钛（99.9%），难以用于高精度构件；

回收网络：缺乏专门的舰船与深海装备钛合金回收渠道，报废装备多被整体拆解后当作普通金属处理，宝钛集团每年回收的舰船钛合金废料仅为年产量的15%。

4.多功能化需求待满足

未来深海装备需钛合金具备“耐高压+抗生物附着+智能感知”等多功能，但现有技术难以实现：

抗生物附着：深海微生物易在钛合金表面附着（如海藻、贝类），影响装备性能，现有涂层（如铜基涂层）会降低钛合金的耐蚀性；

智能感知：深海装备需实时监测钛合金构件的应力、腐蚀状态，但传统传感器难以在高压环境下长期工作，智能钛合金（嵌入传感器）仍处于研发阶段。

图 7：钛合金厚壁焊接工艺对比图（电子束焊接 vs 激光焊接）

（二）未来发展展望（2026-2030）

1.低成本钛合金研发，扩大应用范围

材料创新：开发低成本钛合金（如Ti-Fe-Mo系），用廉价的铁、钼替代钒元素，成本较TC4降低30%，适合中低端舰船管路、深海机器人框架，预计2028年实现量产；

工艺优化：推广“近净成形”工艺（如大型3D打印、超塑成形），减少后续加工量，宝钛集团计划将大尺寸钛合金板材的轧制良率提升至85%，成本降低20%；

规模效应：随着全球舰船与深海装备钛用量的增长（2030年预计达15万吨），规模效应将使钛合金构件成本降至钢制构件的2倍以内，推动其在民用科考船、深海养殖装备中的普及。

2.大尺寸、多功能钛合金技术突破

大尺寸构件生产：宝钛集团计划建设50吨级钛合金锻件生产线，2027年可生产直径3米、重量100吨的钛合金耐压壳，满足万米级载人潜水器的升级需求；

多功能涂层：研发“耐蚀+抗生物附着”复合涂层（如TiO₂/Ag复合涂层），在保持钛合金耐蚀性的同时，抗菌率≥99%，预计2029年应用于深海采油装备；

智能钛合金：开发嵌入光纤传感器的智能钛合金构件，可实时监测应力（精度±5MPa）、腐蚀速率（精度±0.0001mm/年），2030年将应用于深海耐压壳，实现“健康监测-预警”一体化。

3.标准体系完善与国际协同

国内标准补位：中国计划在2027年前出台《深海装备用钛合金耐高压性能测试方法》《舰船钛合金焊接接头技术要求》等10项标准，统一材料性能指标与测试方法；

国际标准协同：依托“一带一路”海洋合作，推动中国GB标准与ISO、ASTM标准的互认，重点在深海钛合金耐高压、抗氢脆指标上达成共识，预计2030年主导制定2-3项ISO标准；

性能数据库建设：建立全球舰船与深海装备钛合金性能数据库，整合中、美、俄等国的测试数据（如耐蚀性、疲劳性能），为标准制定与装备设计提供支撑。

4.回收利用体系构建，推动绿色发展

技术升级：开发“机械分离-真空精炼”一体化回收工艺，钛合金废料的分离效率提升至90%，再生钛纯度达99.8%，可用于中高端构件，预计2028年实现产业化；

回收网络建设：中国计划在青岛、湛江等港口建立舰船钛合金回收中心，2030年形成“报废-回收-再生”闭环，回收利用率提升至60%；

绿色制造：推广“海绵钛-钛材-回收”全生命周期绿色制造，钛合金生产的碳排放较2025年降低30%，符合全球“双碳”目标，提升中国钛合金产业的国际竞争力。

六、结论

钛合金凭借“耐蚀性、高比强度、抗疲劳、无磁性”的核心优势，已成为舰船与深海装备向“高速化、万米深潜、长寿命”升级的关键材料。从“奋斗者”号的万米耐压壳到055型驱逐舰的钛合金管路，从深海采油树的耐蚀阀体到“潜龙三号”的轻量化框架，钛合金不仅突破了极端工况下的性能瓶颈，更推动了海洋工程技术的跨越式发展。

图 8：2030 年钛合金在舰船与深海装备领域的应用展望图

尽管当前面临大尺寸加工难、成本高、标准不完善等挑战，但随着低成本钛合金研发、大型3D打印工艺突破、回收体系构建，未来五年钛合金将在舰船与深海装备领域实现“从高端到普及、从单一性能到多功能”的跨越。预计2030年，全球舰船与深海装备钛合金用量将突破15万吨，中国将以60%的市场份额成为核心引领者，为全球海洋开发提供“中国材料”支撑。

参考文献：

1《GB/T3620.1-2016钛及钛合金牌号和化学成分》（国家市场监督管理总局，2016）

2、《TC4-DT钛合金在万米深海环境下的力学性能与腐蚀行为研究》（中国船舶重工702所，2024，《中国造船》）

3、《2025全球舰船与深海装备用钛合金性能测试白皮书》（SGS，2025）

4、《宝钛集团055型驱逐舰钛合金管路技术方案》（宝钛集团有限公司，2025）

5、《“北极”级核动力破冰船钛合金破冰艏的锻造工艺与性能优化》（俄罗斯国家有色金属研究院，2024，《Metallurgist》）

6、《2025年全球军用舰船钛合金应用报告》（美国防务新闻，2025）

7、《“奋斗者”号万米载人潜水器钛合金耐压壳研制报告》（中国科学院金属研究所，2020）

8、《“潜龙三号”AUV钛合金框架的轻量化设计与深海性能验证》（中国科学院沈阳自动化研究所，2025，《机器人》）

9、《Equinor深海采油树钛合金阀体服役评估报告》（挪威国家石油公司，2025）

10、《大型钛合金耐压壳的热等静压工艺优化与致密度控制》（宝钛集团，2025，《稀有金属材料与工程》）

11、《GB/T45339-2025热等静压钛合金件通用技术规范》（国家市场监督管理总局，2025）

12、《大型激光熔融沉积钛合金构件在舰船中的应用前景》（中国船舶重工集团，2025）

13、《2025-2030全球舰船与深海装备钛合金市场预测》（GEPResearch，2025）

14、《“十四五”海洋经济发展规划》（中国发改委，2021）