載人潛水器材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

曹福辛

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南洛陽471039)

載人潛水器材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

曹福辛

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南洛陽471039)

載人潛水器是探索海底資源、執(zhí)行多種海底任務(wù)的必要設(shè)備，載人艙球殼是載人潛水器關(guān)鍵部件，必須使用高比強、高韌性的材料以保證它具有足夠的有效載重和良好的安全性。同其它船用金屬材料相比，鈦合金比強度高，非常適合用于建造潛深3 000 m以上載人潛水器載人艙球殼，而載人艙球殼用鈦合金的發(fā)展必將促進我國載人潛水器的研制和國產(chǎn)化進程。總結(jié)了目前國內(nèi)外在載人艙球殼材料方面的研究和應(yīng)用進展，對國產(chǎn)新型Ti6321合金進行了詳細(xì)介紹。

載人潛水器;載人艙球殼;鈦合金

1 前言

在人類發(fā)展的4大空間(陸、海、空、天)中，海洋是第2大空間，它是生物資源、能源、水資源、金屬資源的開發(fā)基地，也是現(xiàn)實和最有開發(fā)潛力的戰(zhàn)略空間［1］。利用載人深海潛水器是人類開發(fā)海洋空間的重要手段。同航天運載技術(shù)一樣，載人潛水器的建造是一個國家綜合國力的象征，是意義深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略性前沿高技術(shù)。載人艙球殼在幾千米大洋深處為人員和設(shè)備提供操作和生存空間，承受巨大的海水壓力和上浮下潛的疲勞應(yīng)力。目前載人潛水器下潛深度從上世紀(jì)70年代的2 000 m達(dá)到了如今的7 000 m水平，載人潛水器及耐壓球殼部位如圖1。

載人潛水器的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何使用高強度材料保證耐壓球殼結(jié)構(gòu)具有足夠的安全裕度。下潛深度加大，外海水壓力隨之增大，必須增加殼體厚度來保證球殼耐壓能力，這將導(dǎo)致殼體質(zhì)量劇增，減小了有效浮力和載重。從下潛深度考慮，要求殼體材料具有高比強;從安全考慮，要求高強度殼體必須同時具有足夠的韌性，尤其在海水介質(zhì)中的韌性，以防止發(fā)生脆性破壞。用塑性區(qū)尺寸(KI/σs)2表示韌性的大小，比較了鈦合金、多種高強鋼和鋁合金的韌性(圖2)，結(jié)果表明，鈦合金斷裂韌性最好，鋼次之，鋁合金最差［2］。研究表明，鈦合金比強度高，非常適合用于建造潛深3 000 m以上載人潛水器載人艙球殼。

圖1“阿爾文號”載人潛水器結(jié)構(gòu)及載人艙球殼部位Fig.1 Structure of“Alvin”deep manned submersible

本文介紹了國內(nèi)外載人潛水器載人艙球殼用材的發(fā)展?fàn)顩r和材料主要性能。

圖2 鈦合金、高強鋼、鋁合金韌性對比Fig.2 Comparison of toughness for Ti alloy，high strength steel and Al alloy

2 國外潛水器載人艙球殼材料進展

國外對載人潛水器技術(shù)及其應(yīng)用十分重視，各國研發(fā)的潛水器潛深及采用的材料如表1所示。1985年法國“Nautile”號載人潛水器，潛深6 000 m，能直接考察世界海洋98%的海底;1984年日本建成“Shinkai6500”潛水器，潛深6 500 m，調(diào)查能力覆蓋日本200海里水域的96%;1972年美國建成了“Alvin”號潛水器，潛深6 500 m;俄羅斯的CONSUL號潛水器潛深為6 000 m。2007年我國建成潛深7 000 m載人潛器(“蛟龍?zhí)枴?，是當(dāng)前國際上下潛深度最深的載人潛器。在未來深海科學(xué)研究系統(tǒng)中，日本認(rèn)為載人潛水器是其基本工具和核心構(gòu)成，并考慮將載人潛器分為5個深度級別:①11 000 m;②6 500 m;③4 000 m;④2 000 m;⑤500 m。

各國的潛水器用材經(jīng)歷了從高強鋼向鈦合金的發(fā)展過程。目前潛深超過3 000 m的載人潛水器載人艙球殼材料幾乎全部采用鈦合金材料。用于潛水器載人艙球殼材料的典型性能見表2［3］。

表1 世界各國潛水器潛深及采用材料Table 1 Summary of manned deep-ocean submersibles and cabin materials

表2 各種潛水器載人艙球殼用材料性能指標(biāo)Table 2 Properties of different cabin materials

3 中國載人潛水器載人艙球殼材料發(fā)展?fàn)顩r

中國的潛水器技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代中期，目前已成功研制出1 000，6 000 m的無人無纜潛水器和7B8軍用潛水器，7 000 m“和諧”號載人潛水器，魚鷹1號、2號載人潛水器，QSZ-Ⅱ擔(dān)任常壓潛水裝具等，目前正在開展4 500 m載人潛水器的國產(chǎn)化研制［4］。載人艙球殼材料經(jīng)歷了從船體鋼向鈦合金的發(fā)展，主要載人潛水器及載人艙球殼材料見表3。

“九五”期間，我國通過對國內(nèi)外TC4ELI，Ti6211等潛水器載人艙球殼用鈦合金材料的對比選材研究，對材料的抗沖擊ak值，斷裂韌性KIC，KISCC和焊接性能提出了更高的要求，開發(fā)出具有優(yōu)良韌性和焊接性的Ti6321合金，其名義成分是Ti-6Al-3Nb-2Zr-0.8Mo。

表3 中國主要載人潛水器及載人艙球殼材料Table 3 Manned deep-ocean submersible and cabin materials in China

3.1 力學(xué)性能

Ti6321合金和TC4ELI合金的力學(xué)性能見表4［1，5－6］。

3.2 焊接性能

載人艙球殼上有許多大孔(觀察窗、密封艙口、貫通連接件)，需要進行焊接，要求材料焊接性能好。表5是Ti6321合金和TC4ELI合金的焊接接頭性能，可以看出Ti6321合金接頭強度低于TC4ELI，而冷彎、沖 擊和韌性均比TC4ELI好［5－10］。

表5 Ti6321與TC4ELI焊接接頭性能對比Table 5 Comparison of mechanical properties of Ti6231 and TC4ELI joints

3.3 疲勞裂紋擴展性能

疲勞裂紋擴展速率試驗按GB6393－86進行，試樣材料為Ti6321合金板(22 mm)，試樣形式為CT試樣。試驗儀器為INSTRON1343型電液伺服萬能試驗機，試驗環(huán)境為大氣，試驗溫度是22～26℃，控制方式為載荷控制，載荷波形為正弦波，載荷比為:r=0.1，加載頻率10 Hz。da/dN-Δk表達(dá)式為:

Ⅰ段:da/dN=1.783 6 ×10－11Δk5.1107

Ⅱ段:da/dN=3.531 0 ×10－6Δk1.3269

其中da/dN為疲勞裂紋擴展速率，Δk為疲勞裂紋擴展門檻值。

與日本的TC4ELI合金板材(30 mm)擴展速率進行比較，Ti6321合金疲勞裂紋擴展速率在Δk＜46 MPam1/2時(da/dN=5 ×10－4mm/c)，裂紋擴展速率與TC4ELI相當(dāng);而在應(yīng)力強度因子Δk＞46 MPa·m1/2時，Ti6321合金的裂紋擴展速率比TC4ELI合金低近1個數(shù)量級，也就是說隨著應(yīng)力場強度因子的增大，Ti6321合金抗裂紋擴展力較強，這從Ti6321合金斷裂韌性明顯高于TC4ELI合金也可得到印證。

4 結(jié)語

我國雖是一個海洋大國，但人均資源很少。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，迫切需要對海洋礦產(chǎn)資源、生物資源、生態(tài)環(huán)境等進行調(diào)查，并且在海洋開發(fā)技術(shù)、探測技術(shù)方面在世界上占有一席之地，趕上日本、美國、法國等發(fā)達(dá)國家。過去20多年來，我國在持續(xù)開展大洋勘察工作的同時，深海科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)也得到了快速發(fā)展，我國已經(jīng)初步建立了深海勘察、深海多金屬結(jié)核礦物開采、運載和冶煉等高技術(shù)平臺，形成了一定的技術(shù)儲備。載人球殼用鈦合金厚板材料技術(shù)的發(fā)展必將促進我國載人潛水器的研制和國產(chǎn)化進程。

References

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Development of Materials for Manned Deep-Ocean Submersible

CAO Fuxin
(CSIC No.725 Research Institute，Luoyang 471039，China)

Manned deep-ocean submersible is the necessary equipment for searching resources in seabed and performing benthonic tasks.The manned cabin is the key component of manned deep-ocean submersibles.It is necessary to develop new materials with high strength/density ratio and enough plasticity in order to manufacture high performance manned cabin.Titanium alloys are very suitable as manned cabin materials because of their good properties.Domestic and international progress in research and application of cabin material is summarized;and the newly developed Ti6231 alloy is introduced in particular.

manned deep-ocean submersible;manned cabin;titanium alloy

P754.3

A

1674－3962(2011)06－0033－04

2011－04－26

曹福辛，男，1965年生，研究員