中国工程院院刊系列：深海装备耐压结构用钛合

来源：金属功能材料 【在线投稿】栏目：综合新闻时间：2021-03-13

摘要：

本文概述了国内外钛合金深海装备的发展现状，针对深海服役环境特点对耐压结构用钛合金材料的性能要求进行了分析，介绍了典型装备耐压结构钛合金材料研究应用中出现的应力腐蚀和蠕变等技术问题，提出需要针对钛合金材料长期服役时存在的组织演变和性能衰减、冲击环境下的动态响应等基础科学问题开展研究，重点梳理工程应用中的大规格材料、应用评价和高效建造等关键技术。文章建议针对深海领域钛合金装备的迫切需求，进一步加大钛合金材料基础研究和工程化应用力度，推动创新应用，践行海洋强国战略。

前沿

深海装备包括深海作战军事装备、载人/无人潜水器、深海空间站与运载平台、水下滑翔机、救生钟等，主要用于资源勘探开发、深海监测和信息网络构建、深海“硬”对抗作战、立体资源补给等。以深制海，是我国践行海洋强国战略，建设“海上丝绸之路”，实现海军向“近海防卫、远海防御”战略转型的基础和保障。

深海条件下，装备的服役工况和功能要求有很多全新特征。例如，极高海水外压与装备结构应力的叠加，导致耐压结构的受力工况恶劣，甚至接近于材料的屈服点，而装备又需要长期使用和反复上浮下潜；深海条件下的氧含量降低，对材料表面钝化存在显著影响，加速材料的腐蚀或增大开裂倾向。这些环境特征都对耐压结构材料的安全可靠性设计提出了重大要求。钛合金作为一种轻质、耐海水腐蚀性能优异的结构材料，有望解决深海装备普遍存在的浮力储备不足、长期水中使用时结构安全可靠性欠佳等问题.

钛合金材料应用于耐压结构，与传统的钢材相比，其弹性模量、制造工艺、失效形式都有所不同，目前还存在一些共性基础问题有待突破。同时，在一些工程项目中也提出了许多制约设计、建造和使用的关键技术问题。本文针对深海钛合金装备的发展现状和存在的材料技术问题开展梳理和探讨，以期促进钛合金材料应用过程中的基础问题研究，通过提升材料韧性和抗蠕变性等关键使用性能，来推动深海装备设计和材料技术的创新发展。

装备发展情况

（一）军事领域

近α钛合金和超低间隙α钛合金由于具有高的比强度、良好的冷热成型能力、优异的抗海水腐蚀性能和可焊性，应用方面有逐渐替代船体钢、成为大潜深潜艇耐压壳体的主要结构材料的趋势。据报道，苏联率先尝试在潜艇耐压壳体上大量使用钛合金，先后建造了K-162号、“阿尔法”级、“麦克”级和“塞拉”级等全钛壳体核动力潜艇。美国虽未建造全钛壳体潜艇，但将钛合金大量应用在潜艇桅杆、紧固件等部件上，以减少艇身重量、优化性能。

（二）科研和深海探测

钛合金应用于建造载人/无人深潜器的耐压壳体具有得天独厚的优势，尤其是高比强度和抗海水腐蚀性的特性，在减轻结构重量、降低腐蚀防护成本等方面起到极大作用。目前，许多国家开展了钛合金深潜器的研究和建造工作，领域研究进展显著。

1. 美国

20世纪60年代以前，美国深潜器耐压壳体主要采用高强钢进行建造，如伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）制造的“阿尔文”号深海载人潜水器。钢铁密度明显高于钛合金，极大限制了“阿尔文”号的下潜深度；另外，“阿尔文”号每年需进行费用高昂的腐蚀防护作业。为此，从1973年开始，WHOI对“阿尔文”号进行重大升级，制造并换用钛合金耐压舱，即利用合金替代HY100高强钢新建壳体，同时利用Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高压气瓶。升级改造后的新“阿尔文”号，下潜深度达到6500 m，作业能力覆盖全球98%的海域，完成大量的深海探测工作（累计下潜作业4600多次）。

2. 日本

日本较早开展了钛合金载人深潜器的研制，在20世纪80年代和90年代，分别利用超低间隙Ti-6Al-4V合金建造了下潜深度为2000 m和6500 m的载人深潜器。尤其是后者，下潜深度大、覆盖海域范围广，完成多次深海探测任务，为日本的深海开发研究提供了关键手段。

3. 中国

我国钛合金载人深潜器研究工作起步较晚，但发展速度很快。2003年开始建造的“蛟龙”号载人深潜器，质量为22.9 t，耐压壳体内径为2.1 m，由超低间隙TC4合金建造而成。经过国内总体设计单位、装备制造单位、材料（尤其是钛合金）研究单位的通力合作，“蛟龙”号于2012年成功完成7000 m下潜试验，创造了世界同类作业型潜水器的最大下潜深度纪录。这表明，我国已经掌握相关牌号钛合金的制备、成型及焊接技术，实现壳体的完全自主设计、研发与制造。我国继续实施具有完全自主知识产权的“深海勇士”号载人深潜器的研制工作，于2017年按期完成下潜试验。这表明，我国在深海用钛合金的材料研制及加工工艺开发方面取得重大突破，进入世界先进行列。