1 前言

    在人類發展的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、金屬資源的開發基地，也是現實和最有開發潛力的戰略空間。利用載人深海潛水器是人類開發海洋空間的重要手段。同航天運載技術一樣，載人潛水器的建造是一個國家綜合國力的象征，是意義深遠的戰略性前沿高技術。載人艙球殼在幾千米大洋深處為人員和設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力。目前載人潛水器下潛深度從上世紀70 年代的2000 m 達到了如今的7 000 m 水平，載人潛水器及耐壓球殼部位如圖1。

    載人潛水器的關鍵技術之一是如何使用高強度材料保證耐壓球殼結構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，這將導致殼體質量劇增，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，尤其在海水介質中的韌性，以防止發生脆性破壞。用塑性區尺寸（ 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） ，結果表明，鈦合金斷裂韌性最好，鋼次之，鋁合金最差。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。

    本文介紹了國內外載人潛水器載人艙球殼用材的發展狀況和材料主要性能。

    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及其應用十分重視，各國研發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（ “蛟龍號”） ，是當前國際上下潛深度最深的載人潛器。在未來深海科學研究系統中，日本認為載人潛水器是其基本工具和核心構成，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。

表1 世界各國潛水器潛深及采用材料

    各國的潛水器用材經歷了從高強鋼向鈦合金的發展過程。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。

表2 各種潛水器載人艙球殼用材料性能指標

    3 中國載人潛水器載人艙球殼材料發展狀況

    中國的潛水器技術研究始于20 世紀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 載人潛水器的國產化研制。載人艙球殼材料經歷了從船體鋼向鈦合金的發展，主要載人潛水器及載人艙球殼材料見表3。

表3 中國主要載人潛水器及載人艙球殼材料

    “九五”期間，我國通過對國內外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，開發出具有優良韌性和焊接性的Ti6321 合金，其名義成分是Ti-6Al-3Nb-2Zr-0. 8Mo。

    3. 1 力學性能

    Ti6321 合金和TC4ELI 合金的力學性能見表4。

表4 合金的力學性能實測

    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。

表5 Ti6321 與TC4ELI 焊接接頭性能對比

    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 表達式為：

    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 × 10－4 mm/c ） ，裂紋擴展速率與TC4ELI 相當； 而在應力強度因子Δk ＞ 46 MPa·m1 /2 時，Ti6321 合金的裂紋擴展速率比TC4ELI 合金低近1 個數量級，也就是說隨著應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 結語

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

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責任編輯：王元

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