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(tái)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(duì)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(jí)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(jí)潛艇持續(xù)跟蹤以30kn航速航行的美國薩拉托加號(hào)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(jí)潛艇和提高航速的洛杉磯級(jí)潛艇之間選擇了洛杉磯級(jí)。

（2）世界上潛深最大的潛艇——Mike級(jí)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(duì)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(jí)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(dòng)能力”為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。同時(shí)，Alfa級(jí)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(dòng)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(duì)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(jí)潛艇。該潛艇采用“柴-電”混合動(dòng)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(cè)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(jí)的載人潛水器，其中最具代表性的是美國Alvin號(hào)。采用HY100鋼[7]建造的Alvin號(hào)作業(yè)潛深原本為1800m[8]，當(dāng)耐壓殼體材料升級(jí)為Ti6211鈦合金后，其潛深增至4500m[9]，而采用了新升級(jí)版Ti-6Al-4V鈦合金材料的新Alvin號(hào)，其工作潛深更是達(dá)到了6500米級(jí)。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(shì)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(hào)以外，法國Nautile號(hào)、日本Shinkai6500號(hào)[10]，以及我國的蛟龍?zhí)枴⑸詈Ｓ率刻?hào)等多型載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(cè)、試驗(yàn)與作業(yè)能力的NR-1號(hào)核動(dòng)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(jí)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(jí)和1500米級(jí)這2個(gè)設(shè)計(jì)深度等級(jí)，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(dòng)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(hào)。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(dòng)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(hào)[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(huì)鈦鋯鉿分會(huì)統(tǒng)計(jì)的鈦錠和鈦成品材產(chǎn)量走勢(shì)見圖2，可見，近10年鈦錠和鈦成品材總體呈現(xiàn)增長趨勢(shì)[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(hào)[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(jí)[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(duì)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(jí)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(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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(duì)我國4500米級(jí)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(cè)及評(píng)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(duì)裂紋擴(kuò)展和損傷也有一定的抵抗能力。奮斗者號(hào)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(duì)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(hào)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(jí)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(jí)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(duì)全海深載人潛水器奮斗者號(hào)，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(cè)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(duì)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(duì)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(dòng)了對(duì)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(dòng)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(cè)量與控制、殘余應(yīng)力測(cè)量與控制、材料性能評(píng)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(duì)載人潛水器耐壓球殼，通過對(duì)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(jí)社2018版《潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)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(duì)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(hào)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(píng)估技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了鈦合金球殼200兆帕級(jí)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(cè)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(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)其合金成分進(jìn)行優(yōu)化，研究合金成分對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)其沖擊韌性和低周疲勞性能產(chǎn)生影響，因此針對(duì)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(duì)大型鈦合金結(jié)構(gòu)已形成了多種成形工藝，如何通過對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(cè)，以及高強(qiáng)韌焊絲研制等技術(shù)的系統(tǒng)性研究、評(píng)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(huì)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(huì)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(píng)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(duì)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(chǎng)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?hào)和奮斗者號(hào)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(cè)、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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