在追求高性能、长寿命与极致可靠性的现代船舶与深海装备制造领域，材料是决定装备性能上限的基石。钛合金，凭借其“海洋金属”的美誉，已成为解决深海高压、强腐蚀、无磁隐身等极端工况挑战的关键材料。钛合金方块，作为一类通过锻造、轧制或铸造获得的近立方体或大厚度矩形坯料，是制造船舶核心结构件与系统部件的关键原材料。其本质是为高性能船舶装备提供具有卓越冶金质量、优异综合性能的“材料母体”，需经过后续的精密机加工、焊接及热处理，最终成为耐压壳体、推进器部件、大型阀体等直接服役的核心零件。
一、 定义与核心材质
定义：
船舶制造用钛合金方块，特指主要为满足船舶及海洋工程装备极端服役环境要求，通过塑性加工（锻造、轧制）或精密铸造工艺生产的、具有较大厚宽比的钛合金矩形或方形坯料。其主要作为毛坯，用于后续加工成船舶的耐压壳体板、大型结构件、动力系统核心部件等。其核心使命是以最优的强度-韧性-耐蚀性匹配，为船舶装备的轻量化、深潜化、长寿命和高可靠性提供材料基础。
核心材质与牌号体系：
船舶领域根据部件的强度要求、工况环境（深度、介质），形成了独特的钛合金选材体系，其特点是在保证优异耐海水腐蚀性的前提下，追求不同的强度级别。
| 类别 | 典型牌号 | 核心特性与设计目的 | 主要应用方向 |
| 低强高塑耐蚀型 | TA2 (工业纯钛)、Ti31 | 塑性、成型性、焊接性极佳，在海水及海洋大气中耐全面腐蚀能力最优，成本在船用钛材中相对较低。 | 船舶海水管路系统、泵阀、热交换器管板、非承力壳体。 |
| 中强高韧综合型 | Ti70, Ti75, Ti91 | 综合性能匹配最佳，兼具良好的强度、韧性、可焊性和耐海水腐蚀性（包括抗应力腐蚀）。多为近α型钛合金，组织稳定。 | 大厚度耐压壳体板材坯料、通海管路、大型结构件、声呐导流罩。 |
| 高强高韧承力型 | TC4 (Ti-6Al-4V), Ti80, Ti-B19 | 在保持良好耐海水腐蚀性的同时，具有更高的强度和比强度，有利于深海耐压壳体减重。Ti80是我国自主研发的专用船用高强钛合金。 | 深海潜器及潜艇的耐压壳体、高压容器、船舶特种承力部件。 |
| 新一代高强韧经济型 | Ti551 (Ti-5.5Al-1.5Mo-1Cr-1Zr-1V-1Sn) | 前沿开发材料。在保证与Ti80相当甚至更高强度的同时，冲击韧性提升约20%，制备成本降低20%以上，旨在解决高性能与高成本的矛盾。 | 新一代深海潜航器耐压球壳、耐压筒体，面向经济性批量制造需求。 |
| 超高强韧前沿型 | Ti62A, Ti1300G | 性能极限材料。屈服强度可达1000MPa乃至1250MPa以上，同时保持良好的韧性和可焊性，用于挑战万米级全海深极端环境。 | 全海深载人潜水器（如“奋斗者”号）耐压球壳、深渊科考站耐压结构。 |
二、 关键性能特点
船舶与深海装备对钛合金方块的性能要求极端且全方位，核心围绕 “耐压耐蚀”、“高强高韧”、“功能适配”与“长效可靠”。
卓越的耐海水腐蚀性与环境适应性：这是船舶应用的基石。钛合金在海水中能形成致密稳定的氧化膜，对氯离子腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀开裂具有近乎免疫的能力。俄罗斯全钛核潜艇运行数十年无腐蚀事故，其管路系统寿命要求与舰船同寿（25-30年），远超铜合金（2-10年）。
优异的力学性能匹配：
高比强度与良好的强韧性匹配：钛合金密度（约4.5 g/cm³）仅为钢的57%，在同等强度下可实现结构大幅减重，直接提升航速与有效载荷。对于深海耐压壳体，材料的比强度直接决定最大潜深。美国Alvin号深潜器将壳体材料换为钛合金后，潜深从1868米大幅提升至4500米。
高断裂韧性与抗疲劳性能：船舶结构需承受波浪冲击、压力循环等交变载荷。高韧性（如Ti551冲击功较Ti80提升20%）和优异的疲劳强度是防止灾难性脆断和保障长寿命安全运行的关键。
特殊的功能特性：
无磁性：钛合金无磁，可避免触发磁性水雷，大幅提升潜艇的隐蔽性和生存能力，是军用舰艇的独特优势。
优良的透声性：声波在钛材中传播损耗小（透声系数>0.85），是制造声呐导流罩的理想材料，能保证声呐探测效率。
抗空泡腐蚀与耐冲刷：钛合金对高速水流和空泡效应的抵抗能力极强，使其成为螺旋桨、泵、阀等过流部件的优异选择，寿命可达铜合金的5倍以上。
苛刻的冶金质量与工艺性能：
大规格与组织均匀性：随着深海装备大型化，对大规格、大单重钛合金方块的需求日益迫切。要求坯料全截面组织均匀、成分稳定，以确保后续轧制出的大厚板性能一致。
优良的焊接性与成型性：船舶结构大量依赖焊接。钛合金，尤其是近α型合金，需具备优良的焊接性能。同时，良好的冷热加工性能是复杂构件成型的基础。
三、 主要执行标准
船舶用钛合金方块及其制品的生产与验收遵循严格的军用、国标及行业标准体系。
国家与行业基础标准：如《GB/T 3621-2010 钛及钛合金板材》是基础产品标准。更为关键的是，我国已针对舰船需求，建立了涵盖板材、棒材、锻件、管材及铸件的专用船用钛合金材料规范体系（具体标准号见表2）。
军用与专项技术标准：实际船舶，尤其是军用舰艇的建造，需满足更为严苛的国家军用标准（GJB） 以及船舶行业标准。中国船舶集团第七二五研究所等单位主编了十余项钛合金材料及焊接标准。
企业内控与技术协议：针对重大工程（如“奋斗者”号载人舱），材料性能要求往往超越现有标准，由用户单位、研制单位和生产方共同制定专用的、极限化的技术协议。
四、 加工工艺、关键技术及流程
高品质船用钛合金方坯的制造是尖端材料技术的集成，其核心在于实现“成分精确、组织均匀、尺寸可控、性能稳定”。
1. 核心加工流程
对于变形制品（锻坯、轧制坯）：海绵钛及合金元素配料 → 真空自耗电弧熔炼（VAR）或冷床炉熔炼 → 锻造开坯制成大钢锭 → 多向反复镦拔锻造或大压下量轧制 → 制成方块坯料 → 均匀化热处理 → 超声波探伤 → 机加工表面 → 成品。
对于大型铸件：模具制备 → 真空自耗电极凝壳炉熔炼浇铸（如使用1000kg熔炼量的亚洲最大凝壳炉）→ 铸件清理 → 热等静压（HIP）致密化处理 → 热处理 → 无损检测 → 成品。
2. 关键技术环节
大规格高品质铸锭制备技术：采用VAR或冷床炉多次熔炼，确保成分均匀并去除高/低密度夹杂，是制备大规格、高均质方块的基础。
大变形量热机械加工技术：通过多向锻造和控温轧制，在α+β两相区对铸锭进行大塑性变形，彻底破碎原始粗晶，获得细小均匀的双态或等轴组织。这是调控强韧性匹配的核心手段。
大型复杂构件近净成型技术：包括精密铸造技术（可生产重达800kg、壁厚局部0.8mm的大型复杂铸件）、计算机仿真无模多点成型、超塑成形/扩散连接（SPF/DB） 等，旨在减少机加工量，提高材料利用率，直接成型复杂结构。
高性能焊接技术：船舶结构广泛焊接，需采用自动气体保护焊（TIG/MIG）、等离子焊、窄间隙焊、激光焊等先进工艺，并配备温湿度可控的洁净装焊车间，确保焊接接头性能与母材匹配。
增材制造（3D打印）技术：激光熔融沉积（LMD）等技术已被用于试制钛合金螺旋桨、空心壳体等复杂构件，为个性化、快速制造开辟新途径。
五、 具体应用领域
| 应用领域 | 典型部件与工况 | 材料选择与核心优势 |
| 深海耐压结构 | 潜艇耐压壳体、深潜器（如“蛟龙”号、“奋斗者”号）载人球壳、深海空间站耐压舱。承受巨大静水压力（万米深处约110MPa）、低温及复杂海洋环境。 | Ti80, TC4, Ti62A, Ti551, Ti1300G等中高强及超高强钛合金。优势：极高的比强度是实现大潜深（如“奋斗者”号10909米）的关键；优异的韧性和焊接性保障极端压力下的绝对安全；根本性耐腐蚀确保数十年全寿命周期可靠。 |
| 动力与推进系统 | 螺旋桨、喷水推进装置叶轮及转子、发动机压气机叶片、蒸汽发动机部件。承受高速旋转离心力、水流空泡腐蚀、冲刷及高温。 | TC4, Ti75, 专用铸造钛合金。优势：抗空泡腐蚀和冲刷能力极强，寿命远超铜合金；高比强度允许更高转速和效率；减重效果显著。 |
| 船舶管路系统 | 全船海水冷却管系、消防管路、阀体、泵壳。长期承受高速、高压海水流动冲刷及微生物环境。 | TA2, Ti31, Ti70。优势：对海水“免疫”，使用寿命可达40年以上，与舰船同寿，终身免更换；维护成本极低；内壁光滑，水力性能好。 |
| 声学与无磁设备 | 声呐导流罩、各类水下传感器壳体、磁性扫雷艇非磁性结构。要求高透声率、无磁性、耐压耐蚀。 | Ti75, Ti70, 工业纯钛。优势：透声性能优异（透声系数>0.85），保障声呐探测效率；完全无磁性，提升隐身与生存能力；综合力学性能满足结构要求。 |
六、 与其他领域用钛合金方坯的对比
| 对比维度 | 船舶与海洋工程领域 | 航空航天领域 | 生物医学领域 | 石油化工领域 |
| 核心性能追求 | 极端耐海水腐蚀、高强高韧（尤其是韧性）、无磁性、透声性、抗冲刷与空泡腐蚀、大规格构件制备能力。 | 极限比强度、高温蠕变/持久强度、抗疲劳、损伤容限、超轻量化。 | 绝对生物相容性、无细胞毒性、适度弹性模量（匹配骨骼）、促进骨整合、表面生物活性。 | 全面耐化学介质腐蚀（如还原性酸、卤化物）、抗应力腐蚀开裂、高温高压下的稳定性。 |
| 典型材质 | TA2, Ti70, Ti75, Ti80, TC4， 及Ti551/Ti62A等专用高强韧系列。 | TC4, TC11, TA15, TiAl金属间化合物等高强/高温合金。 | TC4 ELI（超低间隙）， Ti-6Al-7Nb， 纯钛，严格控制Al、V等元素。 | TA9 (Ti-0.2Pd), TA10 (Ti-0.3Mo-0.8Ni)， 工业纯钛，侧重耐蚀合金。 |
| 产品形态特点 | 追求大规格、大单重，以制备超宽超厚板材及大型整体锻件；重视铸件和增材制造复杂构件。 | 追求精密、复杂、薄壁，以及整体化、轻量化结构；广泛使用精铸和精密锻造。 | 追求极高的表面光洁度、精密尺寸和复杂仿生结构；广泛使用精密铸造和机加工。 | 追求大尺寸、耐高压厚壁结构；大量使用复合板（钛-钢）以降低成本。 |
| 成本敏感度 | 中高。虽为高端装备，但深海开发、民船领域需考虑经济性；正大力发展低成本高性能合金（如Ti551）。 | 较低。性能与安全绝对优先，为减重和提升性能可承受极高成本。 | 中。植入体附加值高，但受医疗认证与支付体系约束。 | 中高。注重全生命周期成本，初始高投资需被长维护周期抵消。 |
| 关键技术侧重 | 大规格铸锭/锻坯均质化、深海环境腐蚀与失效机理、大型复杂结构高效焊接、无模成型与增材制造、大深度服役评价。 | 高温组织稳定性调控、精密热成形、特种连接技术、表面热障/耐磨涂层。 | 生物适配性表面改性、超精细加工、无菌清洁与封装技术、长期体内生物安全性评价。 | 耐蚀合金设计、大型设备焊接、异种金属复合技术、极端化学环境评价。 |
补充说明：与电力能源（核电凝汽器）、高端机械制造（高强轻量化部件）等领域相比，船舶用钛合金在耐腐蚀介质的特定性（海水）、对无磁和透声等特殊功能的刚性需求、以及承受超大静水压力的性能要求上，具有不可替代的独特性。
七、 未来发展新领域与方向
面向全海深与深海驻留的极限材料开发：
随着对万米以深海洋的探索与开发（如深渊实验室、深海空间站），需要研发在极高静水压、低温、复杂化学环境耦合下，具有更高比强度、更高韧性、更优抗疲劳性能的新一代钛合金。Ti1300G（屈服强度1250MPa级）等超高强韧合金的工程化应用将是重点。
开发适用于增材制造（3D打印） 的专用船用钛合金粉末及丝材，利用其弱织构、等轴晶特性，实现大型复杂空间结构（如带内部加强筋的耐压球壳、一体化推进器）的一体化、短周期制造，并保证性能各向同性。
低成本化与全产业链自主可控：
低成本高性能材料体系创新：延续Ti551合金的开发思路，通过多组元微合金化与工艺优化，在不依赖昂贵合金元素（如大幅减少钯、钒等） 的前提下，开发综合性能优于现有牌号、成本显著降低的新型船用钛合金，是推动其向民船、深海养殖装备等更广领域普及的关键。
短流程与近净成形工艺推广：大力发展精密铸造、等温模锻、超塑成形等近净成形技术，以及“以轧代锻” 等短流程工艺，最大限度减少材料浪费和后续加工量，降低整体制造成本。
智能化制造与全生命周期管理：
应用数字孪生和人工智能技术，建立从熔炼、锻造到焊接的全流程工艺模型，实现组织性能的精准预测与主动控制，确保大规格产品批次的极致稳定性。
建立从材料到装备的全寿命周期健康监测与大数据管理平台。在关键钛合金结构上集成腐蚀、应力、疲劳传感器，实现服役状态的实时监控、智能诊断与预测性维护，最大化其长寿命、高可靠性的价值。
向新兴海洋产业深度拓展：
海洋新能源装备：拓展在海上浮式风电平台的系泊结构、海洋温差能发电的热交换器、以及海浪能收集装置的关键承力与耐蚀部件上的应用。
深海资源开发装备：用于深海采矿车的耐压舱体与结构框架、天然气水合物开采的高压管路与输送设备，应对深海高压与腐蚀介质的双重挑战。
大型高端民船与极地船舶：在豪华邮轮、高性能赛艇、极地破冰船等领域推广使用，利用其轻量化、免维护、耐低温的特性，提升船舶性能与经济性。
总而言之，船舶制造用钛合金方块的发展，是海洋强国战略在材料层面的坚实支撑。其未来将坚定地朝着 “更深、更强、更智、更省” 的方向迈进，不仅持续突破现有船舶装备的性能极限，保障国家海防与深海探索的安全，更将作为关键使能材料，强力驱动整个海洋经济向深远海、智能化、绿色化全面升级。
