鈦合金在新型水下航行器上的應用研究進展

顏家杰,高德峰，廖宇辰,盧泰佑,李夢莎, 楊文吒,賈晉軍，姜大鵬

(1.中山大學 海洋工程與技術學院， 廣東 珠海 519082； 2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室， 廣東 珠海 519080；3.中國船舶工業綜合技術經濟研究院， 北京 100081；4.中國科學院深?？茖W與工程研究所， 海南 三亞 572000)

1 引言

水中兵器、水下機器人、水下(蛙人)輸送器、載人深潛器等新型水下航行器可以用于探測水下環境、布放水中兵器、進行水下爆破以及追蹤敵方艦艇、航母、潛艇等目標，具有重大應用價值。鈦作為一種金屬元素，雖然早在18世紀就以含鈦礦物的形式在英格蘭康沃爾郡被發現，但其早期的工業化進程卻相對緩慢。進入20世紀，從1908年，美國和挪威用硫酸法生產鈦白，到1910年，鈉法制海綿鈦首次在實驗室得到應用并獲得成功，都只是鈦的小批量制取。而到了1948年，成噸生產海綿鈦的鎂法制鈦工藝首次在美國杜邦公司得到應用，這才標志著鈦工業化生產的開始。鈦的密度為4.51 g/cm，僅為鐵的57.4%。以Ti-6Al- 4V為代表的常用鈦合金強度很高，能夠達到普通高強度鋼的水平，還有其他類型鈦合金具備更高的強度。鈦及其合金由于密度小、強度高、具有較高的比強度以及其兼具耐腐蝕、無磁、透聲、低溫性能好、抗沖擊振動、可加工性好等綜合性能特點，受到了世界各國材料界和軍方的關注，在航空、航天、船舶、汽車等行業已經開始得到了應用。憑借其優異的綜合性能，鈦合金在水中兵器、水下機器人、水下深潛器、水下直升機等新型水下航行器上也有著較好的應用前景，特別是在大潛深時，鈦合金的優勢更加明顯。本文基于水下航行器用鈦合金的物理力學特性，概述了國內外水下航行器用鈦合金的研究和應用進展，討論了今后水下航行器應用鈦合金的技術發展方向，為鈦合金在新型水下航行器上的應用提供理論和技術參考。

2 水下航行器用鈦合金發展歷程和現狀

水下航行器用鈦合金主要是從艦船(艇)用鈦合金發展而來，到目前為止，世界上只有美國、俄羅斯等少數海洋大國，以及中國進行專門的水下、水面航行器用鈦合金研究，并各自形成鈦合金體系。俄羅斯憑借前蘇聯時期的金屬材料工業基礎，在艦船(艇)用鈦合金方面的研究、應用水平穩居世界前列，擁有785 MPa、686 MPa、580 MPa、490 MPa強度等級的系列船用鈦合金。為便于標準化設計，俄羅斯按用途進行了分類，如船(艇)體用鈦合金 ПТ-1M、船舶機械鈦合金ПТ3、3M、37、ПТ-7M以及船舶動力工程鈦合金23、37、ПТ-3B、40、5B等。美國海軍于20世紀50年代開始注意到鈦及鈦合金用于艦船(艇)工業的可能性，1963年開始進行大量的工程化研究，并成功地將鈦用于各類動力的航母、水面艇、潛艇、民用船。美國主要應用的鈦材有：純鈦、Ti-3Al- 4V ELI、Ti-6Al- 4V、Ti-3Al- 4V、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-6Al- 4V-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo- 4Zr等，這些材料主要用于艦艇的耐壓殼體、海水管路系統、冷凝器和熱交換器、排風扇的葉片、推進器軸、彈簧、航母上的消防設備等。我國艦船(艇)用鈦合金的研究和應用始于20世紀60年代，經過長期的摸索和發展，鈦合金的研究和應用水平都有了長足進步，已經形成了較為完整的艦用鈦合金系列，能滿足各類型水面、水下艦船(艇)及其相應部位對不同強度等級的需求。在我國水面、水下艦船(艇)用鈦合金系列中，屈服強度從320～1 100 MPa形成了低、中、高強度的不同等級，如表1所示。除了常規艦船(艇)用鈦合金研究，我國還將針對航空、航天等領域研制的鈦合金推廣到艦船(艇)和水下航行器上的應用研究，同時在新型鈦合金的創新研制等方面取得了突破，部分新研鈦合金已開始陸續在各種艦船(艇)、潛航器等裝備上服役，這為擴大鈦合金在新型水下航行器方面的應用奠定了基礎。在實際工程應用研究方面，近年來，我國在一些聲吶導流罩、螺旋槳、聲吶掃雷具等裝備上，采用鈦合金制造的最終產品應用效果較好。此外我國鈦合金也廣泛應用于潛望鏡、雷達支座、泵、管、閥、冷卻器、熱交換器等部位，極大提升了艦船綜合性能。我國研制的新型鈦合金球鼻艏也已經得到了應用，具有剛性好、強度高、質量可靠、內部噪音低、透聲性能優異、維修費用少等優勢，填補了我國高性能鈦合金球鼻艏關鍵技術空白。為滿足不斷發展的應用需求，當前我國新型鈦合金的研制也非?；钴S，其中水下航行器用鈦合金是我國鈦合金研究和發展的重要方向之一。

表1 我國艦船用鈦合金系列規格

工藝制造能力方面，因其具有高比強度、抗腐蝕、耐高溫、可焊接等良好的性能，鈦合金最早用于制造潛艇的外殼、耐壓艙、內部管道系統等。以俄羅斯臺風級核潛艇為例，一艘潛艇的雙層外殼用9 000 t鈦合金制造，這使其具有了無磁性、大潛深、航速快、噪音小、維修次數少等優良性能。目前，我國可以自主生產出鈦合金板、環、餅、棒、管、絲和鑄件等產品，這些原材料為水下航行器用鈦合金的工業化應用提供有力支撐，其中由我國研制的鈦合金TC4ELI(名義成分：Ti-6Al- 4V，低間隙)，抗拉強度可達1 100 MPa，彈性模量為110 GPa，已成功應用于大直徑大潛深載人艙，其需要的板材厚度已經超過世界大多數國家的軋制工藝水平。圖1 為我國研制的TC4ELI鈦合金主要技術參數。

圖1 TC4ELI鈦合金主要技術參數

3 新型水下航行器用鈦合金力學性能分析

水中兵器、水下機器人、水下滑翔機、載人深潛器等新型水下航行器一般都處于高壓強的海水中，需要克服深海高壓帶來的不利影響。隨著作業深度的增加，水下工作環境條件對航行器所承受載荷和壓力的性能要求不斷提升，一旦航行器密封結構出現破損、泄露，將會引發不可估量的后果，所以有必要對水下航行器密封結構材料的力學性能進行分析。TC4ELI鈦合金與常用金屬工程材料的主要力學參數如表2所示。

表2 常用金屬工程材料與鈦合金力學參數

在這些表征材料特性的參數中，密度是材料的基本屬性之一，可以衡量其單位體積的質量大??；另一個主要參數是屈服極限，它是材料的一個主要力學特性，體現了其彈性變形范圍內承受載荷的能力。圖2是以上幾種材料的密度和屈服極限對比柱狀圖。

圖2 常用金屬工程材料與鈦合金密度及屈服極限柱狀圖

從圖2(a)可以看出6061鋁合金密度最低，Q235碳素結構鋼和06Cr19Ni10不銹鋼密度最高，說明在同樣的結構或體積條件下，以6061為代表的鋁合金質量最輕，而以Q235為代表的碳素結構鋼和以06Cr19Ni10為代表的不銹鋼質量最重，單從密度屬性來看，以TC4ELI為代表的鈦合金對應減輕結構質量方面不具明顯優勢；然而從幾種材料的屈服極限對比圖2(b)可以看出，以TC4ELI為代表的鈦合金在幾種材料中表現更好。

表2中還有一個表征材料屬性的重要參數比強度，它是材料抗拉強度與密度之比，比強度越高表明達到相應強度所用的材料質量越輕。優質的結構材料應具有較高的比強度，才能盡量以較小的截面滿足強度要求，同時可以大幅度減小結構體本身的自重。圖3是以上幾種材料比強度曲線。

圖3 常用金屬工程材料與鈦合金比強度曲線

從圖3中可以看出，以TC4ELI為代表的鈦合金有優于其他常用工程金屬材料的比強度，有利于減輕水下航行器的整體質量，并提升綜合力學性能。此外鈦合金兼具有較好的韌性，現有技術條件下，其斷裂韌性K1C值在50 MPa·m以上，有研究表明結構材料在滿足強度要求的前提下，韌性越高越好。

4 新型鈦合金水下航行器應用研究進展

很長一段時間，我國海軍服役艦艇的耐壓殼體聲納導流罩以及管路系統所采用的材料基本上是碳鋼、鋁合金、不銹鋼。值得注意的是，俄羅斯(前蘇聯)曾經也選用過這些常規材料，但之后大多轉為用鈦合金，且最終應用效果良好。例如，1968年底建成的K166號核潛艇，其殼體、管路系統以及其他大量裝置和機器設備都用鈦合金制造。以及在20世紀70年代初曾引起世界廣泛關注的A級攻擊型核潛艇，是當時國際上核潛艇中噸位最小(水下排水量3 120 t)、航行速度最快(水下最大航速41 kn)、下潛最深(下潛深度700 m，極限下潛深度為750 m)的最先進的核潛艇，也是采用鈦合金為主要材料完成建造。

俄羅斯以及烏克蘭具有熟練的勞動力和精密的試驗裝置，并且生產了多個類型的水下航行器，例如MIR2、URAN-1、MASK-2等，其中，源于太空船的鈦合金等先進殼體材料技術是他們的強項。除了俄羅斯和烏克蘭，其他國家也相繼在鈦合金應用領域開展研究。美國從20世紀60年代開始了鈦合金潛器的研究和應用，1981年和1982年建造的“海崖”號深潛器，就裝備了鈦合金制造的觀察艙和操縱艙。法國1985年研制的“鸚鵡螺”號潛水器、日本“深海6500”調查深潛器、我國自主研制的“蛟龍”號載人深潛器和“橙鯊”號自主水下航行器的主要結構部件都采用鈦合金制造。

鈦合金在我國大尺度、大潛深航行器研究領域中也取得了新的突破。由于力學性能好、服役壽命長、維護成本少，鈦合金在潛航器上的應用具有明顯的優勢，特別是大潛深裝備殼體材料，不僅需要兼具極高的強度和較好的韌性，而且需要有較好的防腐、透聲、無磁等綜合特性，因此高性能鈦合金材料的研究和應用是主要的發展趨勢，并且已經有了一定的技術突破。大連理工大學王雷等提出一種應用于水下機器人的筒式同步型永磁推進器的隔離套就是使用鈦合金材料，浙江大學胡任通過對不同材料耐壓性能的分析確定鈦合金作為水下滑翔機耐壓外殼材料，中國科學院先導專項支持下的7 000 m級深?；铏C密封頭部端蓋也是使用鈦合金材料。鈦合金在載人深潛領域的表現突出，由我國自主研制的“深海勇士”號載人潛水器工作深度最大為 4 500 m，“蛟龍號”載人潛水器下潛深度成功突破7 000 m，“奮斗者號”載人潛水器(見圖4)在馬里亞納海溝成功問鼎“地球第四極”，坐底深度10 909 m。這幾型潛器的耐壓殼均使用了高強度的鈦合金材料，其他主要結構也采用鈦合金材料制造?？梢哉f鈦合金在當前我國新型水下航行器領域發揮了巨大作用，后續也將對高性能航行器的研發起到積極作用。

圖4 “奮斗者”號載人潛水器圖

5 展望

近年來，鈦合金在新型水下航行器上的應用已引起各國軍民領域的重視。鈦合金的應用有助于減輕結構質量、改善載荷聲學、力學、電磁環境，延長裝備使用壽命。經過半個多世紀的研究，我國已經開發并形成了較為完整的鈦合金系列，并具有較強的工藝制造能力。但是鈦合金在我國水中兵器、水下機器人、水下直升機、水下(蛙人)運輸器、載人深潛器等新型航行器上的應用研究尚處于起步階段，還具有相當大的發展潛力，特別是在大尺度、耐腐蝕、超潛深、可靜默等功能屬性的實現上還存在一定的技術挑戰。未來可在新型鈦合金材料研制，鈦合金鍛壓、軋制、鑄造、焊接等傳統制造工藝創新，3D打印、快速成型等增材制造技術研究，鈦合金材料評價體系創新，新型水下航行器數字化仿真及其結構優化方面，推動鈦合金在水下航行器應用領域取得持續的技術突破。

1) 材料研制方面，可以從材料組份元素調整、制法流程優化等方面促成新型鈦合金的譜系完善。

2) 傳統工藝方面，應注重鈦合金成型過程中微觀組織控制，鍛壓、軋制、鑄造、焊接等關鍵工藝參數的確定，熱變形工藝的精確控制，以及工藝裝備的革新等。

3) 增材制造是近年來材料成型技術研究的一個熱點，這種先進制造技術顛覆了人們對機械制造的傳統認識，鈦合金打印母材的制備、專用成型設備的研發、打印參數的確定、水下航行器部件打印的拓撲排列，以及最終零件的拼接等方面技術需要進一步研究突破。

4) 評價體系方面，應該健全成熟的選材指導準則，特別是應當建立供新型水下航行器應用方面的鈦材指導評價準則，如可以按照潛深、防腐等級、透聲要求等指標，對應選取的鈦合金系列類型進行標準化評定。

5) 結構優化方面，利用航空航天、兵器裝備、車輛工程等領域的先進設計方法，以現有鈦合金為工程材料，對新型水下航行器主體結構進行力學優化和預報仿真，充分發揮鈦合金的力學特性，從質量功能上確保航行器機械結構的可靠性。