前瞻科技2025 年第 1 期：海洋钛合金低成本应用研究进展与展望

全文发表在2025年的“远见技术”“新材料边界：技术创新与未来展望”中。

文章摘要

海洋经济已成为全球经济发展的重要支柱之一。南中国海海洋环境的高温，高湿度，高盐喷雾剂和强烈的辐射导致海洋工程材料和设备服务的严重腐蚀问题。钛合金具有出色的优势，例如低密度，高特异性强度和高腐蚀性。它是海洋工程设备的首选材料，但其昂贵的应用成本严重限制了其应用程序的扩展。如何降低海洋领域钛的应用成本已成为海洋钛合金发展的重点。从钛的低成本提取和减少钛的使用的两个方面，这篇文章回顾了钛在国内外的低成本应用的研究进度，分析了钛的低成本提取技术，概述了三个钛钢钢钢材料复合材料的降低钛钢和高级材料的钛合金材料，质量质量的质量构图，质量质量的质量构图，质量化质量的质量构成质量的质量。海洋钛合金的低成本大规模应用，并提出了有针对性的开发建议，例如加深基础研究，进行产品应用研究，增强人才培养和介绍，加强工业，学术界和研究和技术转型的整合，以促进中国海洋质钛合金工业的整体水平和高质量的发展。

快速文章评论

21世纪被称为“海洋世纪”，海洋经济已成为全球经济发展的重要支柱之一。南中国海是西太平洋最大的边际海，区域超过

，拥有大量的海洋资源，例如岛屿，礁石，石油和天然气，矿物质，也是世界上重要的运输渠道。南中国海的环境极为严峻。高温，高湿度，高盐喷雾，高辐射和许多海洋生物的多年导致了南中国海发展和沿海国防安全的主要项目和设备服务的严重腐蚀和污染问题。来自国家材料环境腐蚀平台的数据显示，无论是腐蚀还是污染，南中国海都比波海海和东中国海要高得多。为了应对南中国海严重的材料腐蚀，磨损损失及其保护问题，研究人员进行了广泛的研究，主要包括开发耐海洋腐蚀的钢制风化钢，有机/无机涂料保护，阴极保护等。然而，在南中国海环境中，这些方法无法长期有效地保护腐蚀，耐磨，磨损和磨损。

钛是一种高度钝化的金属，比铝，铬，镍和不锈钢更钝化。此外，钛的钝化潜力很低，临界钝化电流很小，钝化稳定性非常强，并且不会受到氯离子的破坏。钛的钝化膜具有很好的自我修复特性。被销毁以形成新的钝化膜后，可以快速自动修复它。它在海水和海洋大气环境中具有极高的耐腐蚀性。它的耐腐蚀性远比铝合金，不锈钢和镍基合金好。它是海洋工程设备的首选材料，也是建造强大海洋国家的重要战略材料之一。

但是钛合金很昂贵，限制了他们在海洋领域的大规模应用。如何降低钛合金的应用成本已成为海洋钛合金行业发展的关键问题。钛合金高施用成本的主要原因包括：①海绵钛冶炼中使用的当前的kroll过程包括氯化，包括氯化，

精制，

有多个步骤，例如熔融盐电解和镁热还原。该过程是复杂且能量耗尽的。它是间歇性生产，周期很长。同时，该过程受到严重污染，导致金属钛的价格很高。 ②钛合金的材料利用率很低。目前，钛合金的主要生产方法是熔体铸造方法。从生产钛铸铁厂所需的原材料开始，从熔体铸造，变形处理，切割处理，表面处理和其他过程到最终产品，钛损失高达70％以上。

如何降低海洋领域钛的应用成本已成为海洋钛合金发展的重点。该文章概述了低成本提取技术和减少钛的使用技术。就钛的低成本提取而言，我们专注于分析剑桥大学Fray，日本学者Okabe和北京科学技术大学Zhu 提出的OS过程提出的FFC过程。与Kroll过程相比，FFC过程，OS过程和USTB过程缩短了过程流程，并大大降低了钛的提取成本。在减少钛的使用方面，通过钛钢复合材料在海洋工程设备上佩戴了一层“钛衣服”。与纯钛设备相比，使用钛钢复合材料不仅可以确保设备的耐腐蚀性，而且大大减少了钛的量，从而降低了钛的施用成本。 The on the heat of steel, high- beam alloy , and steel , and put for the of China's alloy, in order to basic for basic , , and in the field of alloy in China.

1钛的特征

海洋是一个天然且极其复杂的环境。海水具有较高的盐含量和较强的电导率，并且是一种天然高度腐蚀性的培养基。钛对海洋环境腐蚀具有极大的抵抗力，对海洋无污染，被称为“海洋金属”。地球中钛的含量为0.63％，在地球上各个元素的内容中排名第9。如果根据金属结构材料的储量进行计算，则钛将排名第四，仅次于铝，铁和镁。高强度，低密度和出色的耐腐蚀性是钛的主要特征。中国是一个主要的钛资源国家，拥有世界上的储备，并且拥有世界上最完整的钛产业链结构。从原材料开采到终端应用，可以独立生产各种产品，并具有开发海洋钛合金的独特优势。

表1显示了钛和其他常用金属材料的物理特性。促进在海洋工程中广泛使用钛合金对提高海洋工程设备的运行能力，安全性和可靠性具有重要意义。经过多年的研究人员在钛和海洋工程应用程序领域的研究研究人员的多年努力，钛在海洋石油和天然气开发，海港建设，沿海电力站，海水脱盐，船只，海洋渔业和海洋热能转换领域实现了广泛的应用。

表1钛金属和其他普通金属材料的物理特性的比较

桌子和其他二手金属

2钛金属提取技术

2.1 kroll过程

当前，钛的工业冶炼方法主要是kroll过程，即采用镁热还原 - 维库蒸馏过程。使用氯气到氯获取原油

在惰性气体的保护下，在钢容器中与镁反应，以获取主要的海绵钛产物。

但是，kroll过程的高能消耗和较长的过程特征限制了钛的大规模生产和应用。目前，国内外的大多数相关研究都集中在设备转换和生产过程参数优化上。尽管这些研究可以降低生产能源消耗和设备成本，但该过程本质上是一种金属降低方法，其批处理生产方法，高能消耗反应过程以及通过原料氯对设备腐蚀的腐蚀。因此，迫切需要开发具有低成本和环境友好性的新钛冶金技术。

2.2 FFC过程

为了开发新的钛冶金工艺，国内外研究人员对基本理论和新的过程技术进行了大量研究，并取得了一些突破。其中，通过熔融盐电解过程提取金属钛被认为是替代kroll方法的最有前途的过程。在熔融盐电解过程中，根据钛源的位置，可以将钛源位于阴极，OS过程和钛源位于阳极的USTB过程的FFC过程中。

FFC过程是一种绿色，低碳，短进程的冶金过程，原理是变成固态

在熔融盐中制造阴极并进行电氧合。如图1所示，即片剂和烧结

是阴极，用石墨（或惰性材料）作为阳极，

熔化盐中将

减少到金属Ti。

图1 FFC过程图图1 FFC

但是，FFC过程存在低电流效率的问题，阴极的逐步脱氧过程伴随着一系列侧面反应。另外，关于氧化钛二钛的中间相的脱氧路径和形成机理仍然存在一些争议。在这方面，国内外研究人员就阴极的脱氧机制进行了大量研究。不仅基于脱氧过程的相变，以及热力学和动态特征，

脱氧过程的详细反应路径也通过分析脱氧过程中阴极相组成，电荷转移，微结构和氧含量的差异，将其分为4个阶段。基于阴极脱氧机制的分析，已经进行了各种研究以提高电解效率，包括改变阴极孔隙率和控制阳极区域。

此外，FFC技术的工业化过程也在不断发展。剑桥大学创立了一家相关公司，并开始进行千克生产测试。通过更改电解参数，可以将电流效率提高到28％，并且产品氧的质量分数为0.08％。

2.3 OS过程

OS过程是通过在熔融盐中的电解CAO获得金属Ca，然后是金属Ca和

发生钙热还原反应以获得钛海绵（图2）。与FFC工艺相比，OS过程的阴极反应是电解器CAO以获得金属Ca，因此

无需与阴极完全接触，因此可以使用粉状。

作为钛资源，这更有益

中间的氧气去除也可以省略压缩和烧结过程。

图2 OS过程图图2 OS

从OS工艺获得的金属TI具有很高的纯度，并有望满足工业应用的要求。但是，电解效率仍然很低，目前的研究主要集中于抑制电解过程的侧面反应以提高电流效率。为了抑制电解过程的侧面反应，研究人员优化了电解细胞的结构。浸入熔融盐中的许多不锈钢棒被用作阴极，还原区位于两个相邻的阴极之间。

悬浮在熔融盐中，还原并转化为金属钛。该方法有效地扩大了反应区域并提高了脱氧效率。但是，在OS过程中仍然面临许多问题，例如金属钛在熔体池底部的沉积，需要定期清洁和产品与电解质的困难分离。

2.4 USTB过程

USTB工艺使用氧化碳熔融盐电解来实现钛提取，这也可以简化钛冶金过程并降低成本。

实心溶液的电导率与金属的电导率相似，因此USTB方法为

实心溶液是阳极，金属钛是通过电解物制备的。如图3所示，钛在电解过程中以离子的形式溶解，随后迁移到阴极沉积，获得金属钛，而C和O是CO和O

气体沉淀的形式。

图3 USTB过程图图3 USTB

研究人员对关键问题进行了深入研究，例如晶体结构，热力学特性，氧化二钛阳极溶解和阴极金属钛的沉积。结果表明

溶解效率取决于C/O比，并适当调整

组成和电解条件可以维持稳定的电解溶解过程，并在阴极处获得低氧和碳含量低的金属钛。目前，USTB流程已经完成了试点规模的测试。

3钛还原技术

3.1热发动机复合工程

加热机复合工程通常是指基础材料和涂料材料与冶金材料在高温下通过真空焊接充分结合的生产过程。与爆炸性复合材料相比，热发动机复合材料具有更高的生产效率，低污染，低能消耗，并且可以产生宽而薄的涂层金属复合板。从复合面板的发展趋势来看，生产具有较薄覆层和较大板尺寸的金属复合面板将来是研究方向。加热发动机复合材料的使用只能满足此要求。加热发动机复合工程技术的优势是其高生产效率和低设备成本。与钛钢复合板生产中最常用的爆炸性复合材料相比，它对环境的影响较小。目前，它是替代爆炸性复合技术的最期待。

加热发动机复合材料的过程流量通常是去除生锈，材料清洁，真空提取，预热和滚动。由于滚动通常是在高温下进行的，钛金属很可能在高温下氧化，削弱材料的机械性能，因此需要对钛钢复合板进行滚动和真空，然后再滚动以抑制钛钢粘结界面的氧化。

3.2激光覆层技术

激光覆层技术使用高能量激光束在基板的表面融化并沉积钛合金粉或钛金属，形成密集的钛合金涂层。激光覆层技术可以准确控制制造过程中涂层的厚度，硬度和其他特性。通过这项技术，可以在钢表上准备具有良好粘结性能的钛合金涂层。与热发动机复合材料相比，激光覆层技术过程较短，但生产效率较低。它适用于钛钢复合材料结构的钢设备组件的裸露区域的耐腐蚀加固，以避免由于钢暴露而引起的电腐蚀。

在钢表面上的钛合金涂料的制备主要分为预制方法和粉末喂养方法。激光覆层工艺通常在保护气下进行。预制方法需要预先对钢表面上的一层钛粉进行预制，并通过激光束的作用融化表面钛粉并与钢基质形成冶金键。但是，在覆层过程中，预制粉末受保护性气流的影响，很容易引起局部缺陷。因此，研究人员逐渐专注于同步粉末喂养方法，以制备钢铁表面上的钛合金涂层。通过更改关键过程参数（激光功率，覆层速度，粉末进料速度等），可以提高涂层的机械性能和耐腐蚀性。同时，研究人员还防止了C，Fe和Ti通过金属中间层（例如Cu，Ni等）的扩散，并抑制了结合界面的脆性阶段的产生。

3.3超声波复合技术

超声波复合技术，也称为超声添加剂制造技术，是一种创新的方法，可以通过高频超声波和外部力组合在钢表上制备钛涂层。这项技术通过超声波的高频振动来促进钛涂层在底物表面上的快速沉积，而外力的应用有助于增强层间粘结并改善复合层的密度和性能。超声波复合技术的优势在于，它可以在较低的温度下进行，不需要复杂的热处理过程，易于操作和低成本，因此非常适合在海洋设备中应用钛合金。

与高能束添加剂制造过程（例如激光和等离子体束）相比，超声复合技术具有以下特征：①在原材料方面，超声复合材料使用具有一定厚度的金属箔胶带，这很容易选择； ②在环境保护方面，没有污染的废物，例如在超声波复合过程中强烈的明亮和废气，并且在此过程中的能源消耗较低，这更节能且环保； ③超声复合材料是一种固相连接，并且制备过程很快，在巩固过程中积累的热量很低，并且散热速度很快。

4未来的指示和挑战

如何降低钛的应用成本是海洋钛合金未来开发的重点。相关人员探索并研究了许多新方法，以降低钛的应用成本。钛和减少使用技术的低成本提取技术是两个关键方向，预计将显着降低钛合金的应用成本。

首先，就钛提取而言，Kroll方法目前主要用于行业。它的生产过程很复杂，生产成本很高，这无法满足海洋工程设备领域对低成本钛的紧急需求。 FFC过程，OS过程和USTB过程是最期望替代Kroll方法的新钛提取技术。它具有简单过程和低能消耗的优势。但是，如果您想实现大规模的工业生产，仍然存在许多关键的技术问题。 FFC流程和OS过程可以直接使用

作为原材料，生产周期很短，过程流程很简单，但是仍然存在低电流效率的问题。除了寻求具有更好性能的熔融盐系统外，还需要更深入的研究来改善阴极的设计并优化电解细胞结构。 USTB工艺可以实现金属钛的有效制备，并完成了试点测试，但是需要进一步解决大型可溶性阳极的工业制备等问题。

在减少钛的使用方面，钛的热发动机复合技术相对成熟。目前，钛钢复合板的市场价格接近不锈钢，并且在海洋工程设备领域具有广泛的应用前景。但是，从材料到设备的关键链接尚未完成。有必要进一步解决焊接，电腐蚀和钛钢复合材料在海洋工程设备领域中应用的其他方面的问题。此外，以激光覆层和超声复合材料为代表的新钛钢复合技术可以在某些复杂的钢结构的表面上准备钛覆层，在一定程度上可以解决热发动机复合效率的缺点，但其产量较低，但其缺陷（如裂纹）在激光层层层中的裂纹很容易在需要的过程中最佳地产生，从而可以最佳地覆盖。

5发展建议

中国拥有丰富的钛资源，在世界上排名第一。钛合金是对海水腐蚀最具耐药性的合金之一，是制造海洋工程设备的战略优势材料。但是，由于钛合金的高成本，设计端通常将其排​​除在外。这不仅限制了钛合金在海洋领域的应用，而且还会导致海洋设备的维护成本增加，并且在一定程度上也会阻碍高端化。

在钛合金服务绩效评估方面，中国使用钛合金的时间很短，相关研究分散，服务性能数据并不全面。总体而言，缺乏系统的研究导致缺乏在中国设计和应用钛合金设备的可靠基础，这导致了过度的安全利润，进一步推动了钛合金的应用成本。

如何降低海洋工程设备领域中钛的应用成本是用于开发海洋钛合金的长期主张。与强大的钛合金国家相比，中国的钛合金研究历史较短，基本理论研究和工业化存在明显的差距。一方面，钛合金的应用成本很高，很难满足中国高质量工业发展的需求；另一方面，中国对海洋钛合金的研究和应用不足，缺少具有高技术障碍的产品和技术，并且需要加强有关海洋钛钢钢复合材料应用的基础研究，进行产品应用程序，进行产品应用研究，增强整体协调，建立整体构建机构的创新机制，以进行新的钛合金材料和 and and and and A.

5.1加强有关海洋钛钢复合材料应用的基础研究

基础研究是科学和技术创新的基础和来源。加深基础研究意味着不断加强对海洋钛合金领域基本科学问题的探索，从而增强了有关海洋钛合金生产和加工技术的科学研究的深度和广度，并为海洋钛合金领域的应用研究提供了扎实的理论基础。在主要工程应用的指导下，建议材料生产单元，产品应用单元和相关科学研究单元共同开发海洋钛钢钢复合材料的应用技术系统，围绕两个低成本的钛的低成本提取，并减少使用钛的使用来构建海洋钛钢铁钢材料材料应用技术系统。

5.2面向系统的，加速钛钢复合结构设备产品的研发

由于成本很高，许多海洋工程设备公司在设计产品时排除了钛。尽管通过钛大大降低了钛钢的施用成本，但必须在设计开始时考虑由不同金属引起的电腐蚀。也就是说，在使用钛钢复合材料的同时，有必要确保所有可能与海水或海洋大气接触的钢，必须用钛覆层保护以避免钢暴露。同时，还应考虑钛合金复合材料之间的焊接问题。建议对钛钢复合材料的焊接技术进行基于大规模和特殊环境应用的焊接技术，以促进行业技术升级。在系统化的指导下，建议加速钛钢复合材料的工业链制备制备装备组装组件，改善相关的支撑设施和服务，大力开发钛钢复合材料的生产和制备技术，并加速为船用钛合金组合材料制造的技术规格的构建。

5.3建立海洋钛钢复合材料研究中心，以加强整体协调

海洋钛钢复合材料研究中心建立在沿海省和城市，以建立一个具有面向应用程序的目标，整合海洋材料科学，技术，工业，应用和其他元素的国家水平的海洋材料研发应用系统，并协调海洋材料科学和技术开发的顶级计划。充分利用并动员社会资源，充分发挥资本投资在地方政府和企业中的作用，并积极探索多渠道和多元化的投资和融资机制。加强人才团队的建设，遵守独立培训和人才介绍的结合，并建立了一系列杰出的科学研究和创新团队以及领先的人才。根据“协调，共同建设，整合和共享”的原则，加速了海洋材料的研发并为主要的海洋项目服务。

5.4建立一种创新机制，用于新钛钢复合材料和海洋应用的跨集成

制定针对海洋钛钢复合材料的特殊开发计划，并在特殊指南和项目建立过程中阐明钛钢复合材料与海洋应用之间的密切关系。遵守海洋材料必须进入大海的原则，并且在海洋设备的应用中不断检查和改进海洋钛钢复合材料。加速钛钢复合材料技术和海洋工程的跨集成，并促进海洋科学技术整体水平的跨越和改善。

6结论

21世纪被称为“海洋世纪”。海洋空间和资源不仅成为世界军事和经济竞争越来越激烈的重要领域，而且还将成为人类生存，社会发展和沿海国家继续蓬勃发展的战略空间和基础。因此，我们必须专注于全球科学和技术革命和工业转型的新趋势和方向，并推进战略海洋工业的布局，增强了控制海洋，保护海洋权利和利益的全面海洋控制能力，以及发展和发展海洋空间的能力。钛合金被称为“海洋金属”。 How to the cost of in the field is a key issue in the of . low-cost and steel of is to large-scale of in the field, the and of the .

结尾

About this issue

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