深海載人裝備耐壓結(jié)構(gòu)用Ti31/ZTA5/Ti75/Ti80鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

引言

鈦合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤其在海水和海洋大氣環(huán)境中，其極好的耐腐蝕性，使其成為了擁有“海洋金屬”美譽(yù)的優(yōu)良輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料[1]。因此，在艦船、海水淡化、海洋油氣、海洋建筑、深海特種作業(yè)平臺和深潛器等領(lǐng)域，俄羅斯、美國、日本等發(fā)達(dá)國家都大量使用鈦合金材料。

1、國內(nèi)外研究概況

1.1?潛艇

鈦合金材料在水下運(yùn)載裝備的應(yīng)用，可以追溯到蘇聯(lián)。1963—1993年，蘇聯(lián)（俄羅斯）先后研制了5型共計(jì)15艘鈦合金結(jié)構(gòu)潛艇[2-6]，對世界潛艇技術(shù)和深海裝備的發(fā)展產(chǎn)生了極為重要的影響，其中包括：

（1）世界上首艘鈦合金結(jié)構(gòu)潛艇——Papa級潛艇[2]。其是迄今為止航速最高的潛艇，曾創(chuàng)造了水下44.7kn的記錄。1971年，Papa級潛艇持續(xù)跟蹤以30kn航速航行的美國薩拉托加號航母，從而導(dǎo)致美國第3代攻擊型核潛艇研制過程中，在提高艇用舒適性的Comfort級潛艇和提高航速的洛杉磯級潛艇之間選擇了洛杉磯級。

（2）世界上潛深最大的潛艇——Mike級潛艇。該潛艇曾創(chuàng)造了1027m潛深的世界記錄，但1989年4月7日，在挪威海因發(fā)生火災(zāi)而沉沒[3]。對其失事原因眾說紛紜，海軍領(lǐng)導(dǎo)層指責(zé)設(shè)計(jì)師和建造者，而設(shè)計(jì)師和建造者則認(rèn)為事故系艇員錯(cuò)誤操作而引起。雖然該潛艇的服役時(shí)間不到6年，但其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為其他潛艇的設(shè)計(jì)打下了重要的基礎(chǔ)。

（3）“超越時(shí)代的核潛艇”——Alfa級潛艇。該潛艇曾以“水下殲擊機(jī)”這一概念而被提出，以“極致的水下機(jī)動能力”為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。同時(shí)，Alfa級潛艇首次采用了一些開拓性的技術(shù)，如大功率液態(tài)金屬載熱劑反應(yīng)堆技術(shù)[5]、先進(jìn)信息系統(tǒng)/自動化和電力系統(tǒng)技術(shù)、漂浮式逃逸救生艙技術(shù)、整體式汽輪機(jī)組技術(shù)、雙層隔振和消聲瓦技術(shù)等，從而對蘇聯(lián)后續(xù)核潛艇的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。

（4）特種潛艇——Losos級潛艇。該潛艇采用“柴-電”混合動力，自持力為10d，主要用于沿海、淺水以及航行受限海域（10~200m水深）等大型潛艇難以或無法到達(dá)的海域，執(zhí)行特戰(zhàn)人員（6人）運(yùn)送、偵察與情報(bào)收集等特種任務(wù)[6]。

1.2?深潛器

載人潛水器作為一種往返海底實(shí)現(xiàn)取樣作業(yè)的深潛裝備，能夠帶領(lǐng)科研人員直達(dá)水下環(huán)境完成深海觀察和作業(yè)任務(wù)，在深海進(jìn)入、深海探測和深海開發(fā)過程中起到了重要的作用。20世紀(jì)60年代起，美國、蘇聯(lián)（俄羅斯）、日本以及歐盟等陸續(xù)研發(fā)出不同深度等級的載人潛水器，其中最具代表性的是美國Alvin號。采用HY100鋼[7]建造的Alvin號作業(yè)潛深原本為1800m[8]，當(dāng)耐壓殼體材料升級為Ti6211鈦合金后，其潛深增至4500m[9]，而采用了新升級版Ti-6Al-4V鈦合金材料的新Alvin號，其工作潛深更是達(dá)到了6500米級。相較于結(jié)構(gòu)鋼，鈦合金的比強(qiáng)度更高，同等水深下可設(shè)計(jì)出容重比更低的載人艙耐壓殼體，給增大艙內(nèi)空間、提高作業(yè)效率和增加搭載人數(shù)提供了可能，并且隨著設(shè)計(jì)潛深的增加，鈦合金在降低耐壓結(jié)構(gòu)容重比方面的優(yōu)勢將更為突出（見圖1）。

目前Ti-6Al-4V與Ti-6Al-4VELI鈦合金的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，并形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品體系和材料規(guī)范（如AMS標(biāo)準(zhǔn)、MIL標(biāo)準(zhǔn)、GOCT標(biāo)準(zhǔn)等），各國在該合金成分、性能等指標(biāo)要求也漸趨一致。除美國新Alvin號以外，法國Nautile號、日本Shinkai6500號[10]，以及我國的蛟龍?zhí)枴⑸詈Ｓ率刻柕榷嘈洼d人潛水器的載人艙結(jié)構(gòu)都選用Ti-6Al-4V或Ti-6Al-4VELI鈦合金[11]。總體來看，鈦合金已成為國內(nèi)外載人潛水器耐壓殼體的首選材料。表1為20世紀(jì)50年代至今國內(nèi)外部分作業(yè)潛深可達(dá)2000m的載人潛水器及其載人艙殼體的統(tǒng)計(jì)[8,12-13]。

1.3?深海工作站及水下實(shí)驗(yàn)室

深海工作站結(jié)合運(yùn)用了大型有人裝備與智能無人技術(shù)，可突破載人潛水器、潛艇等現(xiàn)有深海裝備各自的局限性，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、大范圍、大功率的水下作業(yè)能力。20世紀(jì)70年代，美國開始研制具備深海隱蔽探測、試驗(yàn)與作業(yè)能力的NR-1號核動力工作站[14]，其耐壓結(jié)構(gòu)由HY-80鋼制成。NR-1早期主要用于執(zhí)行軍事任務(wù)，后來也在民用海洋科考任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。21世紀(jì)初，美國就千噸級NR-2項(xiàng)目展開論證，并提出軍用和民用方面的任務(wù)需求，其中民用任務(wù)需求包括海洋物理學(xué)、海洋生物學(xué)和海洋考古學(xué)等，形成了多種建造方案，包括900米級和1500米級這2個(gè)設(shè)計(jì)深度等級，相應(yīng)的耐壓殼體材料為HY-130鋼和HY-100鋼[15]。蘇聯(lián)（俄羅斯）同樣自20世紀(jì)70年代就起開始了深海工作站的研制，共研發(fā)了3型（共7艘）核動力深海工作站[16]，其中較為有名的是2019年發(fā)生火災(zāi)的小馬駒號。該系列深海工作站的潛深為1000~3000m，耐壓殼體材料均為鈦合金[17]。與深海工作站的可移動性不同，水下原位實(shí)驗(yàn)室作為海洋科考的新手段，側(cè)重于以類似潛艇的大型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)海底長期駐留、原位研究開發(fā)的功能，可在海洋環(huán)境、海底生物和深海礦產(chǎn)資源研究等方面發(fā)揮作用，是海洋裝備技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。表2[18]為部分國外典型水下實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)，其中德國Helgoland號[19]減壓室耐壓殼體為長度2.5m、直徑2.5m的圓柱結(jié)構(gòu)，工作壓力為1MPa，采用BH36型純鋼，殼體厚度為17mm。

2、國內(nèi)現(xiàn)有基礎(chǔ)

2.1鈦工業(yè)現(xiàn)狀

我國的鈦工業(yè)自1954年起步，北京有色金屬研究總院率先從事海綿鈦生產(chǎn)工藝研究；1958年前后，我國首條海綿鈦和鈦材加工生產(chǎn)線開始建造；1965年前后開始產(chǎn)業(yè)化布局，籌建遵義鈦廠和寶雞有色金屬加工廠；此后不斷持續(xù)發(fā)展，積累生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)成果和管理經(jīng)驗(yàn)，并培養(yǎng)了一大批技術(shù)骨干。直到21世紀(jì)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，鈦工業(yè)也獲得了跨越式增長。2000年，我國海綿鈦的產(chǎn)量約為1905t，鈦加工材的產(chǎn)量約為2233t；2012年，海綿鈦的產(chǎn)量高達(dá)81451t，鈦加工材的產(chǎn)量也達(dá)到51557t，均居世界首位，這足以證明中國當(dāng)時(shí)已是世界鈦工業(yè)大國。2014—2023年，由中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會統(tǒng)計(jì)的鈦錠和鈦成品材產(chǎn)量走勢見圖2，可見，近10年鈦錠和鈦成品材總體呈現(xiàn)增長趨勢[20]。

2.2海洋工程用鈦合金材料體系

海洋工程裝備用鈦屬于高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，目前仍集中在俄羅斯、美國、日本、法國和中國等少數(shù)國家，其中美國、俄羅斯和中國迄今已先后開發(fā)出50種左右海洋工程用鈦合金[21]，主要應(yīng)用于艦船和潛器、海上石油天然氣勘探與開發(fā)、海水淡化裝置和濱海電站、濱海建筑與設(shè)施等4個(gè)主要領(lǐng)域。表3給出了幾種海洋工程裝備常用鈦合金板材的成分、性能及相應(yīng)的合金牌號[22-23]。

與美、俄、日等國相比，雖然我國海綿鈦的產(chǎn)量位居世界首位，但在基礎(chǔ)研究、鈦材生產(chǎn)技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)等環(huán)節(jié)仍有15~30a的差距[24]。尤其是在船舶與海洋工程用鈦方面，盡管我國領(lǐng)海遼闊，海運(yùn)事業(yè)發(fā)展也很快，但鈦在許多海岸、島嶼、船舶上的應(yīng)用基本屬于空白。目前我國海洋工程高端用鈦還有許多核心技術(shù)尚未掌握，總體上還處于起步階段。圖3[20]顯示了我國在化工、航空航天、船舶與海洋工程這三大應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，船舶與海洋工程用鈦的用量最低，2023年僅占總用量的4.09%，且較2022年的5.73%還略有下降。

盡管如此，我國依舊是目前世界上專門研究艦船用鈦合金的少數(shù)國家之一。我國自20世紀(jì)60年代起便開始艦船用鈦合金的研究與應(yīng)用研究，早期以仿制美國和蘇聯(lián)的鈦合金為主，而后在國家科技計(jì)劃的支持下，先后完成多種艦船用鈦合金的自主研發(fā)。發(fā)展至今，我國不僅提高了艦船用鈦的研究及應(yīng)用水平，也形成了自己的體系，即工業(yè)純鈦（TA1~TA4）、TA9、TA10、TA16、TA17、TA22（Ti31）、ZTA5、TA5-A、TA18、ZTi60、TA23（Ti70）、Ti-91、TA24（Ti75）、ZTC4、TC4、TC4ELI、Ti80、TC10、TC11、TiB19、TB9、TB10等，將我國的艦船用鈦合金按合金屈服強(qiáng)度大致分為了低強(qiáng)鈦合金（500MPa以下）、中強(qiáng)鈦合金（500~800MPa）和高強(qiáng)鈦合金（800MPa以上）這3個(gè)等級[25]。其中的低強(qiáng)和中強(qiáng)鈦合金是以α型和近α型低合金化鈦合金為主。低強(qiáng)鈦合金的塑性、耐蝕性和可焊性好，主要適于制作管材；中強(qiáng)鈦合金的強(qiáng)度、塑性與韌性匹配適中，制造工藝性好，適于制作大厚截面構(gòu)件或螺旋槳等鑄件；高強(qiáng)鈦合金的強(qiáng)度高、塑性較低、冷成形性和可焊性相對較低，主要用作耐壓殼體、高壓容器、船舶特種部件等。

表4[22，25-27]給出了上述3個(gè)等級鈦合金材料的主要特點(diǎn)及應(yīng)用。可見，我國艦船用鈦合金主要應(yīng)用于聲吶導(dǎo)流罩、管路、閥門等專用結(jié)構(gòu)的制造，實(shí)際用鈦量并不大。有關(guān)資料顯示，我國先進(jìn)艦船用鈦量與艦船結(jié)構(gòu)質(zhì)量的比值遠(yuǎn)低于俄羅斯[2]。

對于深海裝備耐壓殼體用鈦合金，考慮到強(qiáng)度、焊接性能、成形加工性能、耐腐蝕、抗疲勞及裂紋擴(kuò)展能力等綜合因素后，可選材料包括中強(qiáng)度鈦合金Ti70、Ti75和高強(qiáng)度鈦合金TC4、Ti-B19、Ti80、Ti62A共6種。其中TC4ELI和Ti62A合金在國內(nèi)載人潛水器上已有成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[29]，Ti80合金耐壓球殼在深海勇士號研制期間也有一定建造和試驗(yàn)基礎(chǔ)[30]。TC4ELI合金是在TC4鈦合金的基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)選改型發(fā)展起來的一種鈦合金，其主要特點(diǎn)是通過控制間隙元素的含量，以提高合金的斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展抗力等損傷容限性能。TC4ELI的間隙元素碳、氮和氧控制非常嚴(yán)格，雜質(zhì)含量也非常低，因此具有塑性好、抗沖擊以及疲勞性能強(qiáng)、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低、斷裂韌性比常規(guī)TC4合金高等特點(diǎn)，其退火狀態(tài)的Rp0.2為824MPa，比Ti80合金高約20%。TC4ELI應(yīng)用于深海裝備上時(shí)，厚板強(qiáng)度雖較TC4合金略有下降，但在韌性和耐海水腐蝕性方面均更適合深海裝備耐壓殼體，故在世界先進(jìn)國家載人潛水器的耐壓殼體上得到了較多應(yīng)用。

Ti80鈦合金是在綜合對比分析國外載人潛水器用鈦合金成分、組織、性能后，以美國Ti6211鈦合金為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)研究并研制而成的近α型鈦合金。其合金成分體系為Ti-6Al-3Nb-2Zr-0.8Mo，焊接性、塑韌性、耐海洋環(huán)境腐蝕性能和抗疲勞性能均優(yōu)于國外同類合金。2008年，Ti80合金板材進(jìn)入國軍標(biāo)《船用鈦及鈦合金板材》，牌號TA31，從而標(biāo)志著Ti80合金是應(yīng)用成熟的船用鈦合金材料；2015年，針對我國4500米級載人潛水器開展了Ti80合金鑄錠熔煉及成分均勻性控制技術(shù)、Ti80合金板坯鍛造技術(shù)、Ti80合金厚板鍛造和軋制技術(shù)、Ti80合金厚板性能檢測及評價(jià)技術(shù)等研究，并完成了載人艙球殼的研制。Ti62A是中國科學(xué)院金屬研究所在Ti-62222S合金的基礎(chǔ)上，通過成分設(shè)計(jì)自主研發(fā)的高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，其合金的成分體系為Ti-AlSn-Zr-Cr-Mo-V-Si系[31]。與TC4相比，Ti62A在強(qiáng)度有較大提升的前提下，斷裂韌性可達(dá)到基本相當(dāng)?shù)乃絒32]，因此對裂紋擴(kuò)展和損傷也有一定的抵抗能力。奮斗者號載人潛水器耐壓殼體采用了Ti62A鈦合金，并實(shí)現(xiàn)了大尺寸超厚鈦合金成形的均勻性和力學(xué)性能的穩(wěn)定性控制，這對我國載人深潛技術(shù)的推進(jìn)起到了顯著影響。

2.3載人潛水器鈦合金耐壓球殼加工制造技術(shù)

蛟龍?zhí)柕拟伜辖鹉蛪簹槎砹_斯制造，而國內(nèi)相關(guān)研究較少。深海勇士號研制期間，中國船舶集團(tuán)第725研究所采用國內(nèi)自主研發(fā)的Ti80鈦合金和分瓣沖壓、手工窄間隙氬弧焊工藝，遵循“由小至大”的原則，從1/4球殼制備開始探索，再發(fā)展至半球制備，直到2015年實(shí)現(xiàn)我國首個(gè)國產(chǎn)4500米級鈦合金耐壓殼出廠；同時(shí)期，寶雞鈦業(yè)股份有限公司采用的是TC4ELI鈦合金和半球整體沖壓成形工藝進(jìn)行另外2個(gè)4500米級鈦合金耐壓殼的建造，2個(gè)球殼分別采用了赤道縫手工窄間隙氬弧焊和電子束焊工藝。隨后針對全海深載人潛水器奮斗者號，國內(nèi)團(tuán)隊(duì)再次完成了6個(gè)球殼模型的研制。經(jīng)過多年研究和實(shí)踐，我國在耐壓球殼加工制造方面已經(jīng)突破了鈦合金厚板制備（圖4a）、鈦合金瓜瓣沖壓成形、鈦合金半球整體沖壓成形（圖4b）、鈦合金球殼電子束和窄間隙TIG厚板高質(zhì)量焊接等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白；同時(shí)，在鈦合金大厚板的無損探傷、形狀測量等技術(shù)方面，我國也有長足進(jìn)步。

表5和下頁圖5分別為國內(nèi)部分載人潛水器耐壓球殼的制造工藝和實(shí)物對比。

2.4大型深海裝備用鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)加工制造技術(shù)

面對深遠(yuǎn)海開發(fā)，我國向海洋裝備技術(shù)提出了自水面、短時(shí)、小功率、小負(fù)荷、點(diǎn)域作業(yè)到水下海底、長期、大功率、大負(fù)荷和大范圍作業(yè)發(fā)展的需求。與此同時(shí)，深海裝備的大型化也向鈦合金結(jié)構(gòu)的加工制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。2009年以來，我國在載人潛水器耐壓球殼加工制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步啟動了對大型鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)研制技術(shù)的探索。目前，材料制備方面，我國已突破了鈦合金寬厚板材/環(huán)材制備工藝，研制出42mm×2500mm×12000mm（Ti80）和42mm×2000mm×11000mm（TC4）超長寬厚板材（見圖6a），以及Φ3300mm×1200mm（Ti80）、Φ3300mm×1990mm（TC4）的大規(guī)格環(huán)材（圖6b）；在結(jié)構(gòu)成形方面，掌握了柱殼模壓成形（圖6c）及熱定型工藝；在鈦合金厚板焊接方面，已基本掌握了雙面雙弧MIG、自動窄間隙TIG工藝（圖6d）。與此同時(shí)，我國在大型鈦合金結(jié)構(gòu)的形狀測量與控制、殘余應(yīng)力測量與控制、材料性能評價(jià)等方面，也積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

2.5鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

在鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，中國船舶科學(xué)研究中心針對載人潛水器耐壓球殼，通過對國外現(xiàn)有深海載人潛水器載人艙球殼設(shè)計(jì)特性的分析和設(shè)計(jì)規(guī)范的比較，建立了載人艙球殼的設(shè)計(jì)方法并完成試驗(yàn)驗(yàn)證，該計(jì)算方法現(xiàn)已編入中國船級社2018版《潛水系統(tǒng)和潛水器入級規(guī)范》。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)展環(huán)肋圓柱殼、串聯(lián)球殼等形式的大型鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，目前在殼體表面應(yīng)力水平預(yù)報(bào)精度方面已取得了較大進(jìn)展。

在鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方面，中國船舶科學(xué)研究中心針對載人潛水器耐壓球殼，已完成了不低于10個(gè)模型的極限承載能力試驗(yàn)或疲勞強(qiáng)度考核試驗(yàn)。奮斗者號的成功研制，也說明我國已基本掌握了鈦合金載人球殼設(shè)計(jì)和安全性評估技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了鈦合金球殼200兆帕級超高壓靜水壓力試驗(yàn)技術(shù)的突破。在此基礎(chǔ)上，為滿足大型深海裝備的發(fā)展需求，進(jìn)一步開展了多個(gè)耐壓結(jié)構(gòu)模型的靜水壓力破壞試驗(yàn)（圖7a、b）和長時(shí)壓縮蠕變測試（圖7c）。

3、大型深海裝備鈦合金應(yīng)用需求

3.1技術(shù)特點(diǎn)

與用于潛艇、載人潛水器、航空航天、壓力容器等的鈦合金材料相比，用于大型深海裝備的鈦合金在使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)和建造工藝等方面都各有不同，由此也帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，基于現(xiàn)有研究，可初步歸納大型深海裝備鈦合金結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）使用環(huán)境美國NR-1深海作業(yè)平臺自持力可達(dá)30d，德國的Helgoland水下實(shí)驗(yàn)室自持力也有14d。可見，大型深海裝備的水下工作時(shí)間長，需承受海水高壓作用，且載荷循環(huán)周期較長，需要關(guān)注其常溫高壓蠕變和低周疲勞等問題。而載人潛水器的水下工作時(shí)間僅有數(shù)小時(shí)，雖然壓力大，但從使用上規(guī)避了鈦合金材料的蠕變問題，鋼結(jié)構(gòu)材料也沒有蠕變問題。在航空航天、壓力容器等領(lǐng)域，主要解決的是高溫拉伸蠕變問題，涉及常溫高應(yīng)力壓縮蠕變的研究不多。

（2）應(yīng)力狀態(tài)在航天航空領(lǐng)域，鈦合金材料的應(yīng)用偏重于小型結(jié)構(gòu)件、機(jī)加工件，結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)多為低應(yīng)力拉伸、高頻率、高溫等工況。大型深海裝備的耐壓結(jié)構(gòu)雖然與載人潛水器一樣需要長期承受接近屈服極限的較高壓縮應(yīng)力，但前者的結(jié)構(gòu)形式與球殼結(jié)構(gòu)不同，其局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)也更為復(fù)雜。

（3）建造工藝與潛艇類似，大型深海裝備的制造加工包括寬厚板制備、成形、焊接、形狀和殘余應(yīng)力控制等多個(gè)環(huán)節(jié)，但兩者采用的材料不同，鋼材的成熟制造工藝往往無法直接應(yīng)用于鈦材。而在承受外壓時(shí)，耐壓結(jié)構(gòu)的主要極限破壞形式為失穩(wěn)，因此對形狀偏差和殘余應(yīng)力較為敏感，這又與因承受內(nèi)壓而對幾何形狀偏差不敏感的大型壓力容器有所不同。除此之外，大型深海裝備由于結(jié)構(gòu)尺度、形式不同于載人潛水器，難以采用真空電子束焊接、內(nèi)外機(jī)加工、整體熱處理等制造加工工藝，因此對大型寬厚板焊接鈦合金結(jié)構(gòu)的制造加工工藝，以及配套的殘余應(yīng)力消除和焊接變形控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展還有迫切需求。

3.2關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

自20世紀(jì)50年代起，經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的鈦合金材料、技術(shù)、工業(yè)體系已有了長足進(jìn)步，但為更好地滿足大型深海裝備研制與應(yīng)用需求，目前在耐壓結(jié)構(gòu)用鈦合金方面仍有一系列科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)的研究工作有待開展：

（1）材料制備技術(shù)以國內(nèi)較成熟的Ti80、TC4ELI等鈦合金為基礎(chǔ)，對其合金成分進(jìn)行優(yōu)化，研究合金成分對性能的影響規(guī)律，合理控制合金元素范圍，降低雜質(zhì)元素的含量，研制出適合大型深海裝備結(jié)構(gòu)使用的鈦合金材料。通過開展元素添加方式、熔煉工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、合金凝固行為控制等方面的研究，解決大型鈦合金鑄錠熔煉及成分均勻性控制技術(shù)；繼續(xù)開展鈦合金寬厚板和環(huán)件在加工過程中的組織均勻及組織細(xì)化控制技術(shù)研究，在采用鍛造、軋制、熱處理等傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，通過新工藝的研究，在兼顧效率和成本的前提下，研制出滿足深海工作站等大型深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)需求的、組織均勻細(xì)化的、材料性能穩(wěn)定的鈦合金寬厚板材/環(huán)材。對于大型焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫的質(zhì)量備受關(guān)注，因此還需要從焊絲的強(qiáng)度、塑性、韌性和損失容限性能出發(fā)，結(jié)合鈦合金母材的材料特性和可焊接性，研究與母材配套的焊絲材料和對應(yīng)的高效穩(wěn)定的焊接工藝。

（2）材料性能研究高壓作用下，鈦合金即使在室溫環(huán)境中也存在蠕變現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形及對應(yīng)力情況的計(jì)算產(chǎn)生偏差，甚至引發(fā)強(qiáng)度或穩(wěn)定性不足等危險(xiǎn)狀況。因此應(yīng)在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，持續(xù)開展常溫下鈦合金的蠕變本構(gòu)關(guān)系、蠕變參數(shù)、蠕變極限、蠕變導(dǎo)致的材料機(jī)械性能變化與耐壓結(jié)構(gòu)的蠕變計(jì)算，以及壽命預(yù)測等方面的研究。鈦合金的低周疲勞特性與鋼材存在明顯差異，熱處理工藝和微觀組織等多種因素均對其沖擊韌性和低周疲勞性能產(chǎn)生影響，因此針對大規(guī)格鈦合金寬厚板的沖擊韌性和低周疲勞性能的研究也需不斷完善。另外，大型耐壓結(jié)構(gòu)所需的厚板規(guī)格較大，其由于軋制設(shè)備和工藝導(dǎo)致的各向異性問題還未能完全解決，相應(yīng)的材料數(shù)據(jù)信息也不夠全面。

（3）加工制造技術(shù)目前針對大型鈦合金結(jié)構(gòu)已形成了多種成形工藝，如何通過對鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)鑄造、鍛壓、熱軋等成形方法及熱處理工藝的研究，對比不同工藝的優(yōu)缺點(diǎn)并建立鈦合金圓柱殼和球殼的最優(yōu)成形工藝，已成為關(guān)鍵問題之一。而在鈦合金焊接方面，由于鈦合金具有化學(xué)活性強(qiáng)、熱導(dǎo)率低、彈性模量低等特點(diǎn)，焊接時(shí)會出現(xiàn)相變脆性較大、過熱傾向高、冷裂傾向高和焊接變形大的問題。對于鈦合金厚板高效焊接工藝、鈦合金焊縫缺陷修補(bǔ)、鈦合金焊縫質(zhì)量無損檢測，以及高強(qiáng)韌焊絲研制等技術(shù)的系統(tǒng)性研究、評定與考核驗(yàn)證工作也有待深入開展。除此之外，考慮到大型鈦合金結(jié)構(gòu)的焊接、加工和裝配等制造過程，還需要開展關(guān)于殘余應(yīng)力、初撓度形狀控制等方面的研究。

（4）設(shè)計(jì)計(jì)算方法和控制標(biāo)準(zhǔn)由于材料的差別，鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)的破壞模式、機(jī)理與鋼制耐壓結(jié)構(gòu)可能存在差異。傳統(tǒng)鋼制耐壓結(jié)構(gòu)的破壞模式一般為失穩(wěn)或屈曲，即便是高強(qiáng)度鋼，破壞一般也不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本體破裂，而試驗(yàn)現(xiàn)象表明，鈦合金球殼在極限承載能力試驗(yàn)時(shí)會出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象。此外，現(xiàn)有的潛器與潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范均無法滿足未來大型深海裝備鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算、安全性評估的要求。因此，需要從安全系數(shù)和強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)、變形和剛度控制標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、多耐壓體及其非耐壓結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)控制標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的模型試驗(yàn)驗(yàn)證方法等方面開展全面研究。

（5）除上述關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題之外，大型鈦合金結(jié)構(gòu)的配套條件保障也對深海裝備的研制至關(guān)重要，主要包括材料的制備與供貨能力、加工成形與焊接設(shè)備、建造場地與技術(shù)人員條件保障等。

4、結(jié)語

蛟龍?zhí)枴⑸詈Ｓ率刻柡蛫^斗者號的成功研制及海試，體現(xiàn)了我國在深水、綠色、安全的海洋高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實(shí)力。而面向深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)等方面，我國仍亟待掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，建議在載人潛水器技術(shù)基礎(chǔ)上盡快發(fā)展深海工作站、水下實(shí)驗(yàn)室等大型深海裝備技術(shù)。

鈦合金材料作為深海裝備結(jié)構(gòu)用的首選材料之一，其核心技術(shù)的突破必將為未來深海裝備的研制和深海科學(xué)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。

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