载人潜水器材料技术发展现状

曹福辛

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471039)

载人潜水器材料技术发展现状

曹福辛

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳471039)

载人潜水器是探索海底资源、执行多种海底任务的必要设备，载人舱球壳是载人潜水器关键部件，必须使用高比强、高韧性的材料以保证它具有足够的有效载重和良好的安全性。同其它船用金属材料相比，钛合金比强度高，非常适合用于建造潜深3 000 m以上载人潜水器载人舱球壳，而载人舱球壳用钛合金的发展必将促进我国载人潜水器的研制和国产化进程。总结了目前国内外在载人舱球壳材料方面的研究和应用进展，对国产新型Ti6321合金进行了详细介绍。

载人潜水器;载人舱球壳;钛合金

1 前言

在人类发展的4大空间(陆、海、空、天)中，海洋是第2大空间，它是生物资源、能源、水资源、金属资源的开发基地，也是现实和最有开发潜力的战略空间［1］。利用载人深海潜水器是人类开发海洋空间的重要手段。同航天运载技术一样，载人潜水器的建造是一个国家综合国力的象征，是意义深远的战略性前沿高技术。载人舱球壳在几千米大洋深处为人员和设备提供操作和生存空间，承受巨大的海水压力和上浮下潜的疲劳应力。目前载人潜水器下潜深度从上世纪70年代的2 000 m达到了如今的7 000 m水平，载人潜水器及耐压球壳部位如图1。

载人潜水器的关键技术之一是如何使用高强度材料保证耐压球壳结构具有足够的安全裕度。下潜深度加大，外海水压力随之增大，必须增加壳体厚度来保证球壳耐压能力，这将导致壳体质量剧增，减小了有效浮力和载重。从下潜深度考虑，要求壳体材料具有高比强;从安全考虑，要求高强度壳体必须同时具有足够的韧性，尤其在海水介质中的韧性，以防止发生脆性破坏。用塑性区尺寸(KI/σs)2表示韧性的大小，比较了钛合金、多种高强钢和铝合金的韧性(图2)，结果表明，钛合金断裂韧性最好，钢次之，铝合金最差［2］。研究表明，钛合金比强度高，非常适合用于建造潜深3 000 m以上载人潜水器载人舱球壳。

图1“阿尔文号”载人潜水器结构及载人舱球壳部位Fig.1 Structure of“Alvin”deep manned submersible

本文介绍了国内外载人潜水器载人舱球壳用材的发展状况和材料主要性能。

图2 钛合金、高强钢、铝合金韧性对比Fig.2 Comparison of toughness for Ti alloy，high strength steel and Al alloy

2 国外潜水器载人舱球壳材料进展

国外对载人潜水器技术及其应用十分重视，各国研发的潜水器潜深及采用的材料如表1所示。1985年法国“Nautile”号载人潜水器，潜深6 000 m，能直接考察世界海洋98%的海底;1984年日本建成“Shinkai6500”潜水器，潜深6 500 m，调查能力覆盖日本200海里水域的96%;1972年美国建成了“Alvin”号潜水器，潜深6 500 m;俄罗斯的CONSUL号潜水器潜深为6 000 m。2007年我国建成潜深7 000 m载人潜器(“蛟龙号”)，是当前国际上下潜深度最深的载人潜器。在未来深海科学研究系统中，日本认为载人潜水器是其基本工具和核心构成，并考虑将载人潜器分为5个深度级别:①11 000 m;②6 500 m;③4 000 m;④2 000 m;⑤500 m。

各国的潜水器用材经历了从高强钢向钛合金的发展过程。目前潜深超过3 000 m的载人潜水器载人舱球壳材料几乎全部采用钛合金材料。用于潜水器载人舱球壳材料的典型性能见表2［3］。

表1 世界各国潜水器潜深及采用材料Table 1 Summary of manned deep-ocean submersibles and cabin materials

表2 各种潜水器载人舱球壳用材料性能指标Table 2 Properties of different cabin materials

3 中国载人潜水器载人舱球壳材料发展状况

中国的潜水器技术研究始于20世纪60年代中期，目前已成功研制出1 000，6 000 m的无人无缆潜水器和7B8军用潜水器，7 000 m“和谐”号载人潜水器，鱼鹰1号、2号载人潜水器，QSZ-Ⅱ担任常压潜水装具等，目前正在开展4 500 m载人潜水器的国产化研制［4］。载人舱球壳材料经历了从船体钢向钛合金的发展，主要载人潜水器及载人舱球壳材料见表3。

“九五”期间，我国通过对国内外TC4ELI，Ti6211等潜水器载人舱球壳用钛合金材料的对比选材研究，对材料的抗冲击ak值，断裂韧性KIC，KISCC和焊接性能提出了更高的要求，开发出具有优良韧性和焊接性的Ti6321合金，其名义成分是Ti-6Al-3Nb-2Zr-0.8Mo。

表3 中国主要载人潜水器及载人舱球壳材料Table 3 Manned deep-ocean submersible and cabin materials in China

3.1 力学性能

Ti6321合金和TC4ELI合金的力学性能见表4［1，5－6］。

3.2 焊接性能

载人舱球壳上有许多大孔(观察窗、密封舱口、贯通连接件)，需要进行焊接，要求材料焊接性能好。表5是Ti6321合金和TC4ELI合金的焊接接头性能，可以看出Ti6321合金接头强度低于TC4ELI，而冷弯、冲 击和韧性均比TC4ELI好［5－10］。

表5 Ti6321与TC4ELI焊接接头性能对比Table 5 Comparison of mechanical properties of Ti6231 and TC4ELI joints

3.3 疲劳裂纹扩展性能

疲劳裂纹扩展速率试验按GB6393－86进行，试样材料为Ti6321合金板(22 mm)，试样形式为CT试样。试验仪器为INSTRON1343型电液伺服万能试验机，试验环境为大气，试验温度是22～26℃，控制方式为载荷控制，载荷波形为正弦波，载荷比为:r=0.1，加载频率10 Hz。da/dN-Δk表达式为:

Ⅰ段:da/dN=1.783 6 ×10－11Δk5.1107

Ⅱ段:da/dN=3.531 0 ×10－6Δk1.3269

其中da/dN为疲劳裂纹扩展速率，Δk为疲劳裂纹扩展门槛值。

与日本的TC4ELI合金板材(30 mm)扩展速率进行比较，Ti6321合金疲劳裂纹扩展速率在Δk＜46 MPam1/2时(da/dN=5 ×10－4mm/c)，裂纹扩展速率与TC4ELI相当;而在应力强度因子Δk＞46 MPa·m1/2时，Ti6321合金的裂纹扩展速率比TC4ELI合金低近1个数量级，也就是说随着应力场强度因子的增大，Ti6321合金抗裂纹扩展力较强，这从Ti6321合金断裂韧性明显高于TC4ELI合金也可得到印证。

4 结语

我国虽是一个海洋大国，但人均资源很少。随着社会经济的发展，迫切需要对海洋矿产资源、生物资源、生态环境等进行调查，并且在海洋开发技术、探测技术方面在世界上占有一席之地，赶上日本、美国、法国等发达国家。过去20多年来，我国在持续开展大洋勘察工作的同时，深海科学研究和技术开发也得到了快速发展，我国已经初步建立了深海勘察、深海多金属结核矿物开采、运载和冶炼等高技术平台，形成了一定的技术储备。载人球壳用钛合金厚板材料技术的发展必将促进我国载人潜水器的研制和国产化进程。

References

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［4］Cui Weicheng(崔维成)，Xu Qinan(徐芑南)，Liu Tao(刘涛)，etal.“和谐”载人深潜器的研制［J］.Ship Science and Technology(舰船科学技术)，2008，30:17－25.

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［6］Yu Wei(余 巍).Annual Summary Report of the Research on Shell of4 500m Manned Deep-Ocean Submersibles20(4500米深潜器载人球壳研制年度总结报告)［R］.Luoyang:Luoyang Ship Material Research Institute 2010.

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［9］Wu Shidong.Titanium Shell of HOV［J］.Mitsubishi Heavy In-dustries Technical Review(三菱重工技报)，1986，23(4):440－444.

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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，研究员