引言

鈦合金材料具有密度小、強度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，尤其在海水和海洋大氣環(huán)境中，其極好的耐腐蝕性，使其成為了擁有“海洋金屬”美譽的優(yōu)良輕質結構材料[1]。因此，在艦船、海水淡化、海洋油氣、海洋建筑、深海特種作業(yè)平臺和深潛器等領域，俄羅斯、美國、日本等發(fā)達國家都大量使用鈦合金材料。

1、國內外研究概況

1.1?潛艇

鈦合金材料在水下運載裝備的應用，可以追溯到蘇聯。1963—1993年，蘇聯（俄羅斯）先后研制了5型共計15艘鈦合金結構潛艇[2-6]，對世界潛艇技術和深海裝備的發(fā)展產生了極為重要的影響，其中包括：

（1）世界上首艘鈦合金結構潛艇——Papa級潛艇[2]。其是迄今為止航速最高的潛艇，曾創(chuàng)造了水下44.7kn的記錄。1971年，Papa級潛艇持續(xù)跟蹤以30kn航速航行的美國薩拉托加號航母，從而導致美國第3代攻擊型核潛艇研制過程中，在提高艇用舒適性的Comfort級潛艇和提高航速的洛杉磯級潛艇之間選擇了洛杉磯級。

（2）世界上潛深最大的潛艇——Mike級潛艇。該潛艇曾創(chuàng)造了1027m潛深的世界記錄，但1989年4月7日，在挪威海因發(fā)生火災而沉沒[3]。對其失事原因眾說紛紜，海軍領導層指責設計師和建造者，而設計師和建造者則認為事故系艇員錯誤操作而引起。雖然該潛艇的服役時間不到6年，但其設計經驗為其他潛艇的設計打下了重要的基礎。

（3）“超越時代的核潛艇”——Alfa級潛艇。該潛艇曾以“水下殲擊機”這一概念而被提出，以“極致的水下機動能力”為目標進行設計[4]。同時，Alfa級潛艇首次采用了一些開拓性的技術，如大功率液態(tài)金屬載熱劑反應堆技術[5]、先進信息系統(tǒng)/自動化和電力系統(tǒng)技術、漂浮式逃逸救生艙技術、整體式汽輪機組技術、雙層隔振和消聲瓦技術等，從而對蘇聯后續(xù)核潛艇的發(fā)展產生了重大影響。

（4）特種潛艇——Losos級潛艇。該潛艇采用“柴-電”混合動力，自持力為10d，主要用于沿海、淺水以及航行受限海域（10~200m水深）等大型潛艇難以或無法到達的海域，執(zhí)行特戰(zhàn)人員（6人）運送、偵察與情報收集等特種任務[6]。

1.2?深潛器

載人潛水器作為一種往返海底實現取樣作業(yè)的深潛裝備，能夠帶領科研人員直達水下環(huán)境完成深海觀察和作業(yè)任務，在深海進入、深海探測和深海開發(fā)過程中起到了重要的作用。20世紀60年代起，美國、蘇聯（俄羅斯）、日本以及歐盟等陸續(xù)研發(fā)出不同深度等級的載人潛水器，其中最具代表性的是美國Alvin號。采用HY100鋼[7]建造的Alvin號作業(yè)潛深原本為1800m[8]，當耐壓殼體材料升級為Ti6211鈦合金后，其潛深增至4500m[9]，而采用了新升級版Ti-6Al-4V鈦合金材料的新Alvin號，其工作潛深更是達到了6500米級。相較于結構鋼，鈦合金的比強度更高，同等水深下可設計出容重比更低的載人艙耐壓殼體，給增大艙內空間、提高作業(yè)效率和增加搭載人數提供了可能，并且隨著設計潛深的增加，鈦合金在降低耐壓結構容重比方面的優(yōu)勢將更為突出（見圖1）。

目前Ti-6Al-4V與Ti-6Al-4VELI鈦合金的應用已經比較成熟，并形成了相應的標準、產品體系和材料規(guī)范（如AMS標準、MIL標準、GOCT標準等），各國在該合金成分、性能等指標要求也漸趨一致。除美國新Alvin號以外，法國Nautile號、日本Shinkai6500號[10]，以及我國的蛟龍?zhí)?、深海勇士號等多型載人潛水器的載人艙結構都選用Ti-6Al-4V或Ti-6Al-4VELI鈦合金[11]?？傮w來看，鈦合金已成為國內外載人潛水器耐壓殼體的首選材料。表1為20世紀50年代至今國內外部分作業(yè)潛深可達2000m的載人潛水器及其載人艙殼體的統(tǒng)計[8,12-13]。

1.3?深海工作站及水下實驗室

深海工作站結合運用了大型有人裝備與智能無人技術，可突破載人潛水器、潛艇等現有深海裝備各自的局限性，實現長時間、大范圍、大功率的水下作業(yè)能力。20世紀70年代，美國開始研制具備深海隱蔽探測、試驗與作業(yè)能力的NR-1號核動力工作站[14]，其耐壓結構由HY-80鋼制成。NR-1早期主要用于執(zhí)行軍事任務，后來也在民用海洋科考任務中發(fā)揮了重要作用。21世紀初，美國就千噸級NR-2項目展開論證，并提出軍用和民用方面的任務需求，其中民用任務需求包括海洋物理學、海洋生物學和海洋考古學等，形成了多種建造方案，包括900米級和1500米級這2個設計深度等級，相應的耐壓殼體材料為HY-130鋼和HY-100鋼[15]。蘇聯（俄羅斯）同樣自20世紀70年代就起開始了深海工作站的研制，共研發(fā)了3型（共7艘）核動力深海工作站[16]，其中較為有名的是2019年發(fā)生火災的小馬駒號。該系列深海工作站的潛深為1000~3000m，耐壓殼體材料均為鈦合金[17]。與深海工作站的可移動性不同，水下原位實驗室作為海洋科考的新手段，側重于以類似潛艇的大型結構實現海底長期駐留、原位研究開發(fā)的功能，可在海洋環(huán)境、海底生物和深海礦產資源研究等方面發(fā)揮作用，是海洋裝備技術的重點發(fā)展方向。表2[18]為部分國外典型水下實驗室的統(tǒng)計，其中德國Helgoland號[19]減壓室耐壓殼體為長度2.5m、直徑2.5m的圓柱結構，工作壓力為1MPa，采用BH36型純鋼，殼體厚度為17mm。

2、國內現有基礎

2.1鈦工業(yè)現狀

我國的鈦工業(yè)自1954年起步，北京有色金屬研究總院率先從事海綿鈦生產工藝研究；1958年前后，我國首條海綿鈦和鈦材加工生產線開始建造；1965年前后開始產業(yè)化布局，籌建遵義鈦廠和寶雞有色金屬加工廠；此后不斷持續(xù)發(fā)展，積累生產經驗、應用經驗、技術成果和管理經驗，并培養(yǎng)了一大批技術骨干。直到21世紀，隨著我國經濟的騰飛，鈦工業(yè)也獲得了跨越式增長。2000年，我國海綿鈦的產量約為1905t，鈦加工材的產量約為2233t；2012年，海綿鈦的產量高達81451t，鈦加工材的產量也達到51557t，均居世界首位，這足以證明中國當時已是世界鈦工業(yè)大國。2014—2023年，由中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會統(tǒng)計的鈦錠和鈦成品材產量走勢見圖2，可見，近10年鈦錠和鈦成品材總體呈現增長趨勢[20]。

2.2海洋工程用鈦合金材料體系

海洋工程裝備用鈦屬于高技術產業(yè)，目前仍集中在俄羅斯、美國、日本、法國和中國等少數國家，其中美國、俄羅斯和中國迄今已先后開發(fā)出50種左右海洋工程用鈦合金[21]，主要應用于艦船和潛器、海上石油天然氣勘探與開發(fā)、海水淡化裝置和濱海電站、濱海建筑與設施等4個主要領域。表3給出了幾種海洋工程裝備常用鈦合金板材的成分、性能及相應的合金牌號[22-23]。

與美、俄、日等國相比，雖然我國海綿鈦的產量位居世界首位，但在基礎研究、鈦材生產技術、應用領域、設計與應用技術等環(huán)節(jié)仍有15~30a的差距[24]。尤其是在船舶與海洋工程用鈦方面，盡管我國領海遼闊，海運事業(yè)發(fā)展也很快，但鈦在許多海岸、島嶼、船舶上的應用基本屬于空白。目前我國海洋工程高端用鈦還有許多核心技術尚未掌握，總體上還處于起步階段。圖3[20]顯示了我國在化工、航空航天、船舶與海洋工程這三大應用領域內，船舶與海洋工程用鈦的用量最低，2023年僅占總用量的4.09%，且較2022年的5.73%還略有下降。

盡管如此，我國依舊是目前世界上專門研究艦船用鈦合金的少數國家之一。我國自20世紀60年代起便開始艦船用鈦合金的研究與應用研究，早期以仿制美國和蘇聯的鈦合金為主，而后在國家科技計劃的支持下，先后完成多種艦船用鈦合金的自主研發(fā)。發(fā)展至今，我國不僅提高了艦船用鈦的研究及應用水平，也形成了自己的體系，即工業(yè)純鈦（TA1~TA4）、TA9、TA10、TA16、TA17、TA22（Ti31）、ZTA5、TA5-A、TA18、ZTi60、TA23（Ti70）、Ti-91、TA24（Ti75）、ZTC4、TC4、TC4ELI、Ti80、TC10、TC11、TiB19、TB9、TB10等，將我國的艦船用鈦合金按合金屈服強度大致分為了低強鈦合金（500MPa以下）、中強鈦合金（500~800MPa）和高強鈦合金（800MPa以上）這3個等級[25]。其中的低強和中強鈦合金是以α型和近α型低合金化鈦合金為主。低強鈦合金的塑性、耐蝕性和可焊性好，主要適于制作管材；中強鈦合金的強度、塑性與韌性匹配適中，制造工藝性好，適于制作大厚截面構件或螺旋槳等鑄件；高強鈦合金的強度高、塑性較低、冷成形性和可焊性相對較低，主要用作耐壓殼體、高壓容器、船舶特種部件等。

表4[22，25-27]給出了上述3個等級鈦合金材料的主要特點及應用?？梢?，我國艦船用鈦合金主要應用于聲吶導流罩、管路、閥門等專用結構的制造，實際用鈦量并不大。有關資料顯示，我國先進艦船用鈦量與艦船結構質量的比值遠低于俄羅斯[2]。

對于深海裝備耐壓殼體用鈦合金，考慮到強度、焊接性能、成形加工性能、耐腐蝕、抗疲勞及裂紋擴展能力等綜合因素后，可選材料包括中強度鈦合金Ti70、Ti75和高強度鈦合金TC4、Ti-B19、Ti80、Ti62A共6種。其中TC4ELI和Ti62A合金在國內載人潛水器上已有成功應用經驗[29]，Ti80合金耐壓球殼在深海勇士號研制期間也有一定建造和試驗基礎[30]。TC4ELI合金是在TC4鈦合金的基礎上經過優(yōu)選改型發(fā)展起來的一種鈦合金，其主要特點是通過控制間隙元素的含量，以提高合金的斷裂韌性和疲勞裂紋擴展抗力等損傷容限性能。TC4ELI的間隙元素碳、氮和氧控制非常嚴格，雜質含量也非常低，因此具有塑性好、抗沖擊以及疲勞性能強、疲勞裂紋擴展速率低、斷裂韌性比常規(guī)TC4合金高等特點，其退火狀態(tài)的Rp0.2為824MPa，比Ti80合金高約20%。TC4ELI應用于深海裝備上時，厚板強度雖較TC4合金略有下降，但在韌性和耐海水腐蝕性方面均更適合深海裝備耐壓殼體，故在世界先進國家載人潛水器的耐壓殼體上得到了較多應用。

Ti80鈦合金是在綜合對比分析國外載人潛水器用鈦合金成分、組織、性能后，以美國Ti6211鈦合金為基礎進行改進研究并研制而成的近α型鈦合金。其合金成分體系為Ti-6Al-3Nb-2Zr-0.8Mo，焊接性、塑韌性、耐海洋環(huán)境腐蝕性能和抗疲勞性能均優(yōu)于國外同類合金。2008年，Ti80合金板材進入國軍標《船用鈦及鈦合金板材》，牌號TA31，從而標志著Ti80合金是應用成熟的船用鈦合金材料；2015年，針對我國4500米級載人潛水器開展了Ti80合金鑄錠熔煉及成分均勻性控制技術、Ti80合金板坯鍛造技術、Ti80合金厚板鍛造和軋制技術、Ti80合金厚板性能檢測及評價技術等研究，并完成了載人艙球殼的研制。Ti62A是中國科學院金屬研究所在Ti-62222S合金的基礎上，通過成分設計自主研發(fā)的高強高韌損傷容限型鈦合金，其合金的成分體系為Ti-AlSn-Zr-Cr-Mo-V-Si系[31]。與TC4相比，Ti62A在強度有較大提升的前提下，斷裂韌性可達到基本相當的水平[32]，因此對裂紋擴展和損傷也有一定的抵抗能力。奮斗者號載人潛水器耐壓殼體采用了Ti62A鈦合金，并實現了大尺寸超厚鈦合金成形的均勻性和力學性能的穩(wěn)定性控制，這對我國載人深潛技術的推進起到了顯著影響。

2.3載人潛水器鈦合金耐壓球殼加工制造技術

蛟龍?zhí)柕拟伜辖鹉蛪簹槎砹_斯制造，而國內相關研究較少。深海勇士號研制期間，中國船舶集團第725研究所采用國內自主研發(fā)的Ti80鈦合金和分瓣沖壓、手工窄間隙氬弧焊工藝，遵循“由小至大”的原則，從1/4球殼制備開始探索，再發(fā)展至半球制備，直到2015年實現我國首個國產4500米級鈦合金耐壓殼出廠；同時期，寶雞鈦業(yè)股份有限公司采用的是TC4ELI鈦合金和半球整體沖壓成形工藝進行另外2個4500米級鈦合金耐壓殼的建造，2個球殼分別采用了赤道縫手工窄間隙氬弧焊和電子束焊工藝。隨后針對全海深載人潛水器奮斗者號，國內團隊再次完成了6個球殼模型的研制。經過多年研究和實踐，我國在耐壓球殼加工制造方面已經突破了鈦合金厚板制備（圖4a）、鈦合金瓜瓣沖壓成形、鈦合金半球整體沖壓成形（圖4b）、鈦合金球殼電子束和窄間隙TIG厚板高質量焊接等多項關鍵技術，填補了國內空白；同時，在鈦合金大厚板的無損探傷、形狀測量等技術方面，我國也有長足進步。

表5和下頁圖5分別為國內部分載人潛水器耐壓球殼的制造工藝和實物對比。

2.4大型深海裝備用鈦合金耐壓結構加工制造技術

面對深遠海開發(fā)，我國向海洋裝備技術提出了自水面、短時、小功率、小負荷、點域作業(yè)到水下海底、長期、大功率、大負荷和大范圍作業(yè)發(fā)展的需求。與此同時，深海裝備的大型化也向鈦合金結構的加工制造技術提出了挑戰(zhàn)。2009年以來，我國在載人潛水器耐壓球殼加工制造技術的基礎上，進一步啟動了對大型鈦合金耐壓結構研制技術的探索。目前，材料制備方面，我國已突破了鈦合金寬厚板材/環(huán)材制備工藝，研制出42mm×2500mm×12000mm（Ti80）和42mm×2000mm×11000mm（TC4）超長寬厚板材（見圖6a），以及Φ3300mm×1200mm（Ti80）、Φ3300mm×1990mm（TC4）的大規(guī)格環(huán)材（圖6b）；在結構成形方面，掌握了柱殼模壓成形（圖6c）及熱定型工藝；在鈦合金厚板焊接方面，已基本掌握了雙面雙弧MIG、自動窄間隙TIG工藝（圖6d）。與此同時，我國在大型鈦合金結構的形狀測量與控制、殘余應力測量與控制、材料性能評價等方面，也積累了豐富經驗。

2.5鈦合金耐壓結構設計與試驗研究

在鈦合金耐壓結構設計方面，中國船舶科學研究中心針對載人潛水器耐壓球殼，通過對國外現有深海載人潛水器載人艙球殼設計特性的分析和設計規(guī)范的比較，建立了載人艙球殼的設計方法并完成試驗驗證，該計算方法現已編入中國船級社2018版《潛水系統(tǒng)和潛水器入級規(guī)范》。在此基礎上，繼續(xù)發(fā)展環(huán)肋圓柱殼、串聯球殼等形式的大型鈦合金結構設計計算方法，目前在殼體表面應力水平預報精度方面已取得了較大進展。

在鈦合金耐壓結構試驗方面，中國船舶科學研究中心針對載人潛水器耐壓球殼，已完成了不低于10個模型的極限承載能力試驗或疲勞強度考核試驗。奮斗者號的成功研制，也說明我國已基本掌握了鈦合金載人球殼設計和安全性評估技術，并且實現了鈦合金球殼200兆帕級超高壓靜水壓力試驗技術的突破。在此基礎上，為滿足大型深海裝備的發(fā)展需求，進一步開展了多個耐壓結構模型的靜水壓力破壞試驗（圖7a、b）和長時壓縮蠕變測試（圖7c）。

3、大型深海裝備鈦合金應用需求

3.1技術特點

與用于潛艇、載人潛水器、航空航天、壓力容器等的鈦合金材料相比，用于大型深海裝備的鈦合金在使用環(huán)境、結構形式、應力狀態(tài)和建造工藝等方面都各有不同，由此也帶來了極大的技術挑戰(zhàn)，基于現有研究，可初步歸納大型深海裝備鈦合金結構的主要技術特點如下：

（1）使用環(huán)境美國NR-1深海作業(yè)平臺自持力可達30d，德國的Helgoland水下實驗室自持力也有14d?？梢姡笮蜕詈Ｑb備的水下工作時間長，需承受海水高壓作用，且載荷循環(huán)周期較長，需要關注其常溫高壓蠕變和低周疲勞等問題。而載人潛水器的水下工作時間僅有數小時，雖然壓力大，但從使用上規(guī)避了鈦合金材料的蠕變問題，鋼結構材料也沒有蠕變問題。在航空航天、壓力容器等領域，主要解決的是高溫拉伸蠕變問題，涉及常溫高應力壓縮蠕變的研究不多。

（2）應力狀態(tài)在航天航空領域，鈦合金材料的應用偏重于小型結構件、機加工件，結構件的受力狀態(tài)多為低應力拉伸、高頻率、高溫等工況。大型深海裝備的耐壓結構雖然與載人潛水器一樣需要長期承受接近屈服極限的較高壓縮應力，但前者的結構形式與球殼結構不同，其局部結構的應力狀態(tài)也更為復雜。

（3）建造工藝與潛艇類似，大型深海裝備的制造加工包括寬厚板制備、成形、焊接、形狀和殘余應力控制等多個環(huán)節(jié)，但兩者采用的材料不同，鋼材的成熟制造工藝往往無法直接應用于鈦材。而在承受外壓時，耐壓結構的主要極限破壞形式為失穩(wěn)，因此對形狀偏差和殘余應力較為敏感，這又與因承受內壓而對幾何形狀偏差不敏感的大型壓力容器有所不同。除此之外，大型深海裝備由于結構尺度、形式不同于載人潛水器，難以采用真空電子束焊接、內外機加工、整體熱處理等制造加工工藝，因此對大型寬厚板焊接鈦合金結構的制造加工工藝，以及配套的殘余應力消除和焊接變形控制技術的進一步發(fā)展還有迫切需求。

3.2關鍵科學技術問題

自20世紀50年代起，經過多年的發(fā)展，我國的鈦合金材料、技術、工業(yè)體系已有了長足進步，但為更好地滿足大型深海裝備研制與應用需求，目前在耐壓結構用鈦合金方面仍有一系列科學問題和關鍵技術的研究工作有待開展：

（1）材料制備技術以國內較成熟的Ti80、TC4ELI等鈦合金為基礎，對其合金成分進行優(yōu)化，研究合金成分對性能的影響規(guī)律，合理控制合金元素范圍，降低雜質元素的含量，研制出適合大型深海裝備結構使用的鈦合金材料。通過開展元素添加方式、熔煉工藝優(yōu)化設計、合金凝固行為控制等方面的研究，解決大型鈦合金鑄錠熔煉及成分均勻性控制技術；繼續(xù)開展鈦合金寬厚板和環(huán)件在加工過程中的組織均勻及組織細化控制技術研究，在采用鍛造、軋制、熱處理等傳統(tǒng)工藝的基礎上，通過新工藝的研究，在兼顧效率和成本的前提下，研制出滿足深海工作站等大型深海裝備耐壓結構需求的、組織均勻細化的、材料性能穩(wěn)定的鈦合金寬厚板材/環(huán)材。對于大型焊接結構，其焊縫的質量備受關注，因此還需要從焊絲的強度、塑性、韌性和損失容限性能出發(fā)，結合鈦合金母材的材料特性和可焊接性，研究與母材配套的焊絲材料和對應的高效穩(wěn)定的焊接工藝。

（2）材料性能研究高壓作用下，鈦合金即使在室溫環(huán)境中也存在蠕變現象，這可能導致結構變形及對應力情況的計算產生偏差，甚至引發(fā)強度或穩(wěn)定性不足等危險狀況。因此應在現有研究基礎上，持續(xù)開展常溫下鈦合金的蠕變本構關系、蠕變參數、蠕變極限、蠕變導致的材料機械性能變化與耐壓結構的蠕變計算，以及壽命預測等方面的研究。鈦合金的低周疲勞特性與鋼材存在明顯差異，熱處理工藝和微觀組織等多種因素均對其沖擊韌性和低周疲勞性能產生影響，因此針對大規(guī)格鈦合金寬厚板的沖擊韌性和低周疲勞性能的研究也需不斷完善。另外，大型耐壓結構所需的厚板規(guī)格較大，其由于軋制設備和工藝導致的各向異性問題還未能完全解決，相應的材料數據信息也不夠全面。

（3）加工制造技術目前針對大型鈦合金結構已形成了多種成形工藝，如何通過對鈦合金耐壓結構鑄造、鍛壓、熱軋等成形方法及熱處理工藝的研究，對比不同工藝的優(yōu)缺點并建立鈦合金圓柱殼和球殼的最優(yōu)成形工藝，已成為關鍵問題之一。而在鈦合金焊接方面，由于鈦合金具有化學活性強、熱導率低、彈性模量低等特點，焊接時會出現相變脆性較大、過熱傾向高、冷裂傾向高和焊接變形大的問題。對于鈦合金厚板高效焊接工藝、鈦合金焊縫缺陷修補、鈦合金焊縫質量無損檢測，以及高強韌焊絲研制等技術的系統(tǒng)性研究、評定與考核驗證工作也有待深入開展。除此之外，考慮到大型鈦合金結構的焊接、加工和裝配等制造過程，還需要開展關于殘余應力、初撓度形狀控制等方面的研究。

（4）設計計算方法和控制標準由于材料的差別，鈦合金耐壓結構的破壞模式、機理與鋼制耐壓結構可能存在差異。傳統(tǒng)鋼制耐壓結構的破壞模式一般為失穩(wěn)或屈曲，即便是高強度鋼，破壞一般也不會導致結構本體破裂，而試驗現象表明，鈦合金球殼在極限承載能力試驗時會出現破裂的現象。此外，現有的潛器與潛艇結構設計計算規(guī)范均無法滿足未來大型深海裝備鈦合金耐壓結構的設計計算、安全性評估的要求。因此，需要從安全系數和強度控制標準、變形和剛度控制標準、設計計算方法、多耐壓體及其非耐壓結構變形協(xié)調控制標準和相應的模型試驗驗證方法等方面開展全面研究。

（5）除上述關鍵科學技術問題之外，大型鈦合金結構的配套條件保障也對深海裝備的研制至關重要，主要包括材料的制備與供貨能力、加工成形與焊接設備、建造場地與技術人員條件保障等。

4、結語

蛟龍?zhí)?、深海勇士號和奮斗者號的成功研制及海試，體現了我國在深水、綠色、安全的海洋高技術領域的綜合實力。而面向深海進入、深海探測、深海開發(fā)等方面，我國仍亟待掌握相關關鍵技術，建議在載人潛水器技術基礎上盡快發(fā)展深海工作站、水下實驗室等大型深海裝備技術。

鈦合金材料作為深海裝備結構用的首選材料之一，其核心技術的突破必將為未來深海裝備的研制和深?？茖W領域的持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。

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