随着海军作战使命的变化，建造大型水面舰船及实施远洋编队作战对海军装备的发展提出了更高的要求，现急需开展适用于大型舰船用新型钛合金材料的设计开发工作。 钛合金具有强度高、耐高温、耐腐蚀等突出优点，但由于其屈强比高，成形比较困难，在大型水面舰船防护结构制造中会遇到难以成形的问题。另外，由于钛合金具有高强度和低弹性模量，用普通成形方法来完成形状较为复杂的或精度较高的防护构件比较困难。
图 1.1 是带方形蜂窝三明治结构的金属壳体模型，此结构在舰船受到爆炸冲击波时具有较好的防护效果。从图可以看出，采用传统的加工工艺难以实现该蜂窝三明治结构的成形，但超塑性成形工艺是可以利用钛合金材料的超塑性和扩散连接特性，在一次循环内实现既成形又连接的加工工艺。超塑性成形技术是钛合金成形的最有效的方法之一，可以有效的加工出适用于舰船防护用蜂窝三明治构件。在大型舰船的建造设计中，可在关键部位使用该结构能有效提高舰船抵御爆炸冲击波的能力，进而提高舰船的战斗力和生命力。
鉴于钛合金具有优良的综合性能，在战斗舰艇的建造设计过程中可开展全钛合金舰艇的设计研究工作。通过设计建造超高速全钛合金战斗舰艇、扫雷艇等小型舰艇的研究开发工作，为更大吨位的大型钛合金舰船的设计、建造积累经验。
在制造舰船用污水收集装置时，可采用钛合金制造污水井。钛合金在氧化性气氛中，易于钝化，在金属表面会生成致密的氧化膜，可以有效解决污水收集装置易腐蚀的问题。在海水或一般污水中，钛合金可以认为是不会被腐蚀的金属材料，极易适合制造舰船上的污水井，用钛合金制造的污水收集装置可以长期使用。图 1.2 是已研制出的钛合金污水井样件，还需要进行舰船制造施工工艺的改进，在解决舰船制造施工方面的部分问题后可以全面推广至舰船污水收集装置的应用中。
大潜深是潜艇未来的发展方向，在大潜深潜艇的设计制造过程中，通海管路系统及设备在不增加重量的情况下，提高其耐压能力是关键技术之一。钛合金具有低密度、高强度的优越特性，非常适合大潜深潜艇的设计制造要求。在潜艇的设计建造中采用钛合金材料可大大减轻潜艇管系和设备重量，在不增加重量的情况下还能提高其耐压能力，所以在大潜深潜艇的管路系统上使用钛合金材料具有十分主要意义。
在新型舰船上，采用钛合金材料制造海水管系，可大幅度降低维护成本、延长服役寿命、更可提高海水管系的安全性，同时可为新设计的舰船带来重量和空间上的便利。
在舰船制造领域可采用钛合金材料的构件主要包括：蓄电池底舱预埋管、污水及水下厕所管路、燃油补充管路、主疏水系统管路、海水冷却系统管路，并可继续开发与管系配套的钛合金管路附件、阀件，包括三通、四通系列，法兰系列，螺纹接头，变径管系列，弯头系列，双面焊接座板系列，焊接支管座系列等。
一、国内外舰船用钛合金研究现状
1、俄罗斯舰船用钛合金
俄罗斯在舰船领域用钛合金的研究和应用中，形成了 490MPa、590MPa、690MPa、790MPa 等不同强度级别的钛合金产品，拥有舰船领域专用的钛合金体系，处于世界领先水平。俄罗斯舰船用钛合金的主要牌号有 40、5B、23а、OT4-1B、ПT-1M、ПT-7M、ПT-3B 等钛合金产品。俄罗斯研制的舰船用钛合金均具有良好的室温拉伸性能、冲击性能、工艺性能和焊接性能。在舰船用钛合金的开发研制过程中，为了提高钛合金抗缝隙腐蚀能力，俄罗斯还开发研制了含有稀有元素如 Ru、Pd、Pt 等元素的新型钛合金。
俄罗斯在采用钛合金材料制造核潜艇的技术上也处于世界领先水平，是最早采用钛合金材料制造核潜艇耐压壳体的国家[。从 20 世纪 60 年代起，俄罗斯现已制造的核潜艇已有 4 代，在 1968年12月俄罗斯制造的世界第一艘 K162 号全钛核潜艇顺利下水。该潜艇的制造过程中使用了大量的钛合金板材、管材、锻件，包括巨大的焊接结构壳体、巨大的管路系统以及各种装置和机器设备的所有装置均由钛合金材料制造。截至目前，该潜艇在海洋环境变化和承受不同载荷的恶劣的环境下已服役 40 余年，其各种装置及设备均未出现重大问题。俄罗斯在 1970年制造了第一艘“ALFA” 级核潜艇，又在上世纪 80 年代相继制造多艘核潜艇，每艘用钛量约 3 千吨，最大下潜深度约 914 米，在核潜艇的服役过程中，显示出了既轻又快、机动性能高效的多种优点。
钛合金在舰船领域使用的典型例子是俄罗斯“台风”级战略核潜艇的制造与服役，该潜艇按钛合金的双壳结构进行设计建造，仅内外双壳结构用钛量高达 9 千吨。该潜艇采用钛合金的双壳结构设计在减轻构件重量的同时，还具有良好的隔音效果，且具备下潜深度大（约 500 m）、持续续航时间长（约 120 天）、航行速度快（约每小时 50 km），排水量大（水上排水量约 23200 t，下潜排水量约 33800 t）且无磁性等诸多优点。
除在耐压壳体结构及设备上使用钛合金之外，俄罗斯在破冰船的核动力装置系统（泵阀、管路、热交换器、冷凝器等）中也大量使用了钛合金。从多年的使用情况可知，钛合金优异的耐蚀性能，可有效延长舰船领域各种装备的使用寿命和服役寿命。
由于钛合金材料强度高且密度小，结构板厚薄，透声性能好，抗冲击性能强，俄罗斯航空母舰和水面舰船等球鼻首导流罩几乎全部采用钛合金制造，钛合金导流罩有效保证了其反潜能力的出色发挥。
2、美国舰船用钛合金
美国海军最早在 1950 年开始关注钛合金材料能够在舰船领域进行工业应用的可能性，从 1963 年开始进行了大量的工业应用研究。美国在舰船领域用钛合金研制中，先后在民用船只、水面艇和潜艇制造中逐渐应用了中强度级别的钛合金材料。从 80 年代开始，在舰船领域用钛合金研制中，美国开始了高强度级别钛合金的应用研发工作。在舰船制造中，除声呐导流罩外，在海水管路系统、动力装置系统、消防系统、包括排风扇、弹簧等大型装备和结构零件中也采用钛合金制造。
美国经过多年舰船用钛合金的工业应用研究，成功研制了一大批舰船用钛合金，主要的钛合金牌号有高强度级别的 Ti 6A1 2Nb 1Ta 0.8Mo 和 Ti 3Al 8V 6Cr 4Mo 4Zr 钛合金，中强度级别的 Ti 6Al 4V、Ti 6Al 4V ELI 和 Ti 3A1 2.5V 钛合金，低强度级别的 Ti 0.8Ni 0.3Mo 等多种钛合金产品。
美国在工业制造可行性分析计划中，成本核算是开工制造的重要衡量指标之一，尽管钛合金材料的前期投入成本高于 Cu-Ni 等其他金属材料成本，但钛合金的维护费用较其他金属材料的成本低。为此，美国在舰船用钛合金工业制造可行性研究分析后，在 LPD-17 船的海水管系设计中仍然选用了钛合金管路及阀门[，说明钛合金材料在舰船领域的应用价值十分可观。
在舰船用钛合金的工业应用研制中，Timet 公司研制开发了一种舰船用近型钛合金 Timetal 5111(Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si)，其即有优于 Ti-6Al-4V 钛合金 3 倍的高韧性、还可进行大规格型材焊接的良好焊接性能，还有良好的抗应力腐蚀性能。Timet 公司为了提高该合金的耐缝隙腐蚀性能，又在 Timetal 5111 合金基础上添加了 0.05%Pt，微量 Pt 元素的加入显著的提高了 Timetal 5111 合金的耐缝隙腐蚀性能，该合金已广泛用于美国舰船制造业。
3、日本舰船用钛合金
由于历史的原因，日本在舰船领域用钛合金的研究开发工作中，主要集中在深潜器的耐压壳体研究中。为了增加深潜器的下潜深度，日本在制造深潜器的过程中采用的钛合金主要有 Ti-6Al-4V 和 Ti-6Al-4V ELI。 日本采用 Ti-6Al-4V 钛合金厚板制造厚度为 110 mm、壳体直径为 2000 mm、壳体重量为 5 t 的“深海 6500”调查船的下潜深度可大 6500 m。该壳体的制造共使用了 9 t 的 Ti-6Al-4V 钛合金铸锭，再经锻造、轧制成厚度为 110 mm、宽度为 3400 mm 的厚板后，经热成形工艺将其弯曲成半球形，再用电子束焊接将其焊接成近球形，利用机械加工的方式使耐压壳体成等高度的近球形壳体。钛合金耐压壳体在提高安全系数的技术上，大幅度增加了深潜器的下潜深度。
日本钢铁公司、Toho 技术公司、Eto 造船公司采用钛合金结构件、船壳、甲板成功制造了钛合金渔船，其维护费用低，保养时间少，可以长期稳定的进行出海作业。在舰船用钛合金研究方面，日本日生工业公司还用钛合金制造了长约 12m的“泰坦快速号”快艇，快艇的钛合金船体结构为漂亮的三次元曲线，在大幅度降低快艇重量的同时，减少了快艇的航行阻力，提高了航行速度。
日本的江藤造船所，经过舰船用钛合金的长期研究，制造了日本首艘全钛船只，通过下水试船检验，结果表明：使用钛合金制造的船只，船速稳定性振动和噪声等性能良好，并且船体质量轻、可用小功率发动机，大量节省了燃料费用、也减少了二氧化碳的排放量，更因钛合金耐腐蚀，在制造过程中不需要进行表面涂层、且附着物易清理。
4、我国舰船用钛合金研究
我国于 60 年代开始进行舰船用钛合金的研究开发工作，特别是近年来在舰船用钛合金的研究应用中取得了较大成功，质量水平也得到了很大提升，并形成了我国舰船用钛合金体系，现已可实现工业化批量生产钛合金板材、棒材、管材、饼材、环材、丝材和铸件等多种形式产品，可满足一定强度级别舰船用钛合金的需求。我国舰船用钛合金体系主要按屈服强度等级进行划分，有低强度钛合金（在490MPa 以下）、中强度钛合金（在 490-790MPa）和高强度钛合金（790MPa 以上）三个级别。
低强度钛合金塑性较好，主要适用于制作管材；中强度钛合金强、塑、韧性兼顾，工艺性能较好，主要适用于制作大厚截面结构件；高强钛合金的塑性相对较低、冷加工成形性能和可焊接性能较差，主要适用于制作耐蚀部件、耐热部件以及特种机械件。目前，我国舰船用钛合金主要有：纯钛、TA5（685MPa 级）、TA22（635MPa 级）、TA23（700MPa）、TA24（730MPa）、Ti-6AI-3Nb-1Mo(785MPa 级)、ZTi60（590MPa 级）、TA36（780MPa 级）等钛合金，可以满足我国舰船用钛合金的基本需求。
从 90 年代开始，我国对声纳导流罩用钛合金进行了研究开发，目前已研制出适用于制造声纳导流罩的两种近 α 型钛合金：Ti-91 和 TA23 钛合金[3]，经过多年多型舰艇的使用证明，钛合金声纳导流罩综合性能优越。此外，我国也开展了钛合金潜望镜、舰载雷达和电子设备、鱼雷发射水缸、危机冷却器、声扫雷具、鱼雷发射高压气瓶以及其他泵、阀等舰船用钛合金的研究。
二、国内与国外舰船用钛合金研究存在的不足
我国舰船用钛合金的强度级别和应用范围与国外舰船用钛合金相当，但目前我国舰船用钛合金产品品种和规格还不完善，制造技术和加工工艺水平相比国外领先企业相对落后。以钛合金在潜艇上的使用情况为例，我国钛合金在潜艇上主要作为防腐蚀材料来应用，且仅在腐蚀最为严重的柴油机进排气系统中进行了推广使用，而国外在设计潜艇的防腐方案时，钛合金为耐蚀材料的首选材料，钛合金在我国潜艇上的使用推广还十分有限。另一方面，我国舰船用钛合金在声呐导流罩和透声窗的推广应用还存在不足之处，特别是在潜艇制造中尚未成功应用，而国外钛合金声呐导流罩和透声窗以得到大量推广和成熟应用，我国从俄罗斯引进的潜艇上声呐导流罩均采用钛合金制造。我国与国外舰船用钛合金的应用研究相比，存在的不足和差距主要表现在以下几个方面：
（1）我国造船业发展半个世纪以来，钢结构的设计技术已经相对成熟，但对于钛合金的结构设计技术掌握不全，需在材料选型、结构尺寸计算、施工设计等方面深入研究，特别是钛-钢一体化设计方面，建立一系列适合钛合金结构设计的规范和标准，充分利用钛合金材料特点，确保结构设计质量。
（2）在声呐导流罩用钛合金设计方面，结构声学设计一直是跨专业的难题，我国可在对钛合金结构性能研究的基础上，材料研发人员联合结构声学设计人员，结合声呐导流罩的实际工作状况，根据声学原理，开展钛合金的结构透声研究，提高钛合金产品的结构声学性能。我国目前针对设备频段的钛合金结构声学设计技术还与国际先进水平存在较大差距。
（3）我国舰船用钛合金材料的设计和研发，主要针对舰船领域特殊装备和用途进行研制，比如柴油机排气系统、球鼻首等用钛合金材料的研制，尚未建立全船通用型钛合金材料体系。
（4）我国舰船用钛合金材料的制造水平和质量稳定性虽然有了较大的提高，但与国外先进企业的制造水平和产品质量相比存在着一定的差距。在双曲面板块的成形、焊接变形控制、金属记忆回弹变形控制方面，我国还尚未完全掌握控制相关制造技术，限制了钛合金材料在舰船装置复杂、空间狭窄工况下的制造和安装使用，而国外可在全舰船复杂的海水管路系统中成熟应用钛合金。
（5）我国钛合金与其他金属相互链接和装配时，对电绝缘防护技术掌握不足，限制了钛合金材料的推广应用，我国现以加装绝缘垫片方式进行电绝缘防护的工艺设计复杂，又增加了钛合金与其他金属之间的电绝缘防护难度，对于舰船复杂结构链接时还无法正常实施。
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