全海深載人潛水器載人球殼的選材及制造技術(shù)

雷家峰，馬英杰，楊　銳，吳世軍，蔣　磊，丁　抗，李艷青

（1. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016；2. 浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3. 中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所，三亞 572000；4. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082）

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全海深載人潛水器載人球殼的選材及制造技術(shù)

雷家峰1，馬英杰1，楊銳1，吳世軍2，蔣磊3，丁抗3，李艷青4

（1. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016；2. 浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3. 中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所，三亞 572000；4. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082）

摘要:本文分析了當(dāng)前典型大潛深載人潛水器載人球殼的選材和制造技術(shù)特點(diǎn)。鈦合金是目前大潛深載人球殼所普遍采用的材料，半球整體成形以及電子束焊接代表著球殼成形的先進(jìn)水平。討論了全海深載人球殼的選材要求及成形技術(shù)。對(duì)于全海深載人球殼用鈦合金，要求具有更高的強(qiáng)度，并同時(shí)具有良好的韌性、熱成形性能以及焊接性能。最后，簡(jiǎn)要介紹了在全海深載人球殼材料和制造方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞:全海深載人潛水器；載人球殼；鈦合金

引言

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的人類賴以生存的寶貴資源，海洋資源的勘探與開發(fā)已成為當(dāng)今世界各海洋強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)奪資源權(quán)利的焦點(diǎn)，同時(shí)深淵科學(xué)為揭示生命起源、地質(zhì)變遷等提供了全新研究空間。潛水器是深?？碧脚c開發(fā)利用必不可少的裝備，在一定程度上代表著一個(gè)國(guó)家深?？辈炫c開發(fā)利用的技術(shù)水平。載人潛水器因?yàn)榭梢允谷擞H臨深?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，具備了其他潛水器無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。但是，其設(shè)計(jì)、選材、建造等方面都面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此，載人潛水器被視為海洋工程領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，各海洋強(qiáng)國(guó)皆非常重視發(fā)展載人潛水器。載人球殼是載人潛水器的核心部件，是科考人員生命安全的保障。其設(shè)計(jì)、選材與建造涉及多個(gè)學(xué)科，是研制的難點(diǎn)。美國(guó)“新阿爾文”號(hào)設(shè)計(jì)單位WHOI的工程師Anthony Tarantino說載人球殼絕對(duì)是載人潛水器項(xiàng)目中最大的技術(shù)挑戰(zhàn)（“This sphere is definitely the biggest technical challenge for the project”）［1］。

本文將分析目前載人潛水器載人球殼在選材、建造方面的主要技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要介紹中國(guó)科學(xué)院金屬研究所負(fù)責(zé)的課題組在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持下在全海深鈦合金載人球殼研制方面的初步工作，探討研制全海深鈦合金載人球殼的技術(shù)可行性。

1　大深度載人潛水器載人球殼的選材

載人潛水器的發(fā)展已經(jīng)有50多年的歷史，關(guān)于不同階段發(fā)展的載人潛水器情況可參閱文獻(xiàn)［2］。目前，具有代表性的大深度載人潛水器有法國(guó)的“鸚鵡螺”（Nautile） 號(hào)、前蘇聯(lián)的“和平 I”（MIR I） 號(hào)和“和平 II” （MIR II）號(hào)以及后來(lái)發(fā)展的“俄羅斯”（RUS）號(hào)和“領(lǐng)事”（CONSUL）號(hào)、日本的“深海6500”（Shinkai 6500）、美國(guó)的“阿爾文”（ALVIN）號(hào)和“新阿爾文”（NEW ALVIN）號(hào)以及中國(guó)的“蛟龍”號(hào)。以上潛水器的設(shè)計(jì)下潛深度為4500～7000米。當(dāng)代代表性的大深度載人潛水器球殼的選材及建造方案列示于表1。

表1　典型大深度載人潛水器及其球殼材料及建造方案［2，4-7］

從表1可以看出，當(dāng)代大潛深的載人球殼除蘇聯(lián)的MIR I和MIR II采用鋼外，其他均采用了鈦合金，而且，俄羅斯隨后研制的6000米級(jí)“俄羅斯”號(hào)和“領(lǐng)事”號(hào)也采用了鈦合金。雖然各國(guó)設(shè)計(jì)的大深度載人潛水器的技術(shù)特點(diǎn)各不相同，但載人球殼材料選用鈦合金是一致的。選用的鈦合金有Ti64（Ti-6Al-4V）及Ti6211（Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo）兩種中強(qiáng)鈦合金。在美國(guó)后來(lái)放棄了Ti6211鈦合金而選用Ti64 ELI （exra-lowinterstitial）鈦合金之后，目前大深度載人球殼的材料全部是Ti64（ELI）。相比于鋼鐵材料，鈦合金具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能，包括抗靜態(tài)腐蝕及抗循環(huán)加載條件下的動(dòng)態(tài)腐蝕，更加適合于海洋應(yīng)用環(huán)境［3］。此外鈦合金還具有較高的比強(qiáng)度，作為球殼材料能大幅度降低球殼的重量，增加其有效載荷，因此鈦合金作為大深度載人球殼材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2　載人潛水器載人球殼成形技術(shù)

目前以金屬為主體材料的大深度載人球殼是通過將兩個(gè)半球連接成一個(gè)整體球殼。半球成形有3種形式：鑄造、整體沖壓和瓜瓣拼焊。兩個(gè)半球連接形式有兩種方式：螺栓連接，焊接連接。蘇聯(lián)的MIR I及MIR II號(hào)載人球殼建造是采用馬氏體鋼鑄造兩個(gè)半球而后螺栓連接的方式。據(jù)Jean-Pierre Lévêque在INMARTECH2008會(huì)議上的報(bào)告［7］，法國(guó)“鸚鵡螺”號(hào)載人球殼也是將兩個(gè)鈦合金半球采用螺栓連接而成。蘇聯(lián)在后來(lái)建造的“俄羅斯”號(hào)和“領(lǐng)事”號(hào)以及俄羅斯為我國(guó)“蛟龍”號(hào)建造的載人球殼采用鈦合金材料，鍛造成多個(gè)瓜瓣?duì)畹呐髁希瑢⒍鄠€(gè)鍛造成形的瓜瓣采用窄間隙焊接技術(shù)拼焊成兩個(gè)半球，再將兩個(gè)半球焊接成整球。瓜瓣拼焊球殼建造工藝方案只有俄羅斯采用，而美國(guó)和日本均采用大厚度板材沖壓成整體半球，兩個(gè)半球的連接采用電子束焊接技術(shù)。后者工藝能夠避免鑄造缺陷，并最大限度地減少焊縫長(zhǎng)度，減少球殼的變形和扭曲，提高球殼的安全性及可靠性。隨著大厚度板材制備水平的提高及電子束焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，采用半球整體沖壓而后電子束焊接赤道環(huán)縫逐漸成為先進(jìn)且穩(wěn)定可靠的成形方式。美國(guó)“新阿爾文”號(hào)載人球殼可以說是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的載人球殼。下面以美國(guó)的“新阿爾文”號(hào)為例，簡(jiǎn)要介紹球殼制造過程［1，8］。

“新阿爾文”號(hào)鈦合金球殼由兩個(gè)半球通過電子束焊接而成，每個(gè)半球由一個(gè)重約8噸的Ti64 ELI鑄錠制備得到。鑄錠經(jīng)多火次開坯鍛造，制備出兩個(gè)直徑3.3m、厚度100mm的餅材（圖1a），再分別將兩個(gè)餅材模鍛成兩個(gè)半球坯料（圖1b）。將半球坯料精密加工成半球（圖1c），為嚴(yán)格控制半球尺寸，防止機(jī)加工過程中發(fā)生變形，半球加工需經(jīng)過退火消應(yīng)力處理。機(jī)加工好的兩個(gè)半球通過高能電子束技術(shù)焊接成球殼（圖1d）。

球殼焊接方面，美國(guó)和日本采用電子束焊接技術(shù)，而俄羅斯采用窄間隙填絲焊接技術(shù)。添加焊絲的窄間隙焊接是除電子束焊接外另一種重要的焊接方式，可通過對(duì)焊絲成分的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭性能的調(diào)控。電子束焊接與窄間隙焊接各有優(yōu)勢(shì)，電子束焊接的自動(dòng)化程度高、焊接速度快，具有工期短、工藝穩(wěn)定及效率高的特點(diǎn)，但焊縫熔合區(qū)冷卻速度較快，焊縫的韌性略低，有時(shí)受設(shè)備條件限制，復(fù)雜形狀構(gòu)件的焊縫不易實(shí)現(xiàn)；而窄間隙焊接的周期長(zhǎng)，不排除人為因素的影響，其工藝穩(wěn)定性較低，但可以通過對(duì)焊絲成分的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫力學(xué)性能的優(yōu)化?？傮w而言，在可以實(shí)現(xiàn)的情況下，電子束焊接是鈦合金載人球殼焊接的首選工藝。

圖1　“新阿爾文”號(hào)鈦合金球殼制造過程（a） 圓形板坯料；（b） 沖壓后的半球；（c） 機(jī)加后的半球；（d）焊接后的整球

3　全海深載人球殼選材的思考

如果采用Ti64鈦合金制造全海深載人球殼將顯著增加球殼重量，加之全海深浮力材料比重的增大，導(dǎo)致潛水器太重，從而也降低潛水器可操縱性和作業(yè)能力。因此采用Ti64鈦合金載人球殼的“新阿爾文”潛水器下潛深度定為6500米，而不是全海深［9］。俄羅斯為我國(guó) “蛟龍”號(hào)制造的Ti64 ELI鈦合金載人球殼設(shè)計(jì)下潛深度為7000米。由此也可推斷，由于不同國(guó)家設(shè)計(jì)理念的不同，Ti64鈦合金可以使用于6500～7000米級(jí)的下潛深度，而不能再勝任全海深（約11000米）載人球殼的需要。

隨著科學(xué)家對(duì)深淵研究的不斷深入，制造全海深載人潛水器覆蓋100％海域已被各海洋強(qiáng)國(guó)提上日程。美國(guó)DOER Marine公司、Triton公司、Hawkes Ocean Technologies公司以及日本正在加緊全海深載人潛水器的研制。從目前能夠獲得的全海深載人潛水器設(shè)計(jì)構(gòu)想資料來(lái)看，如美國(guó)Triton公司的Triton36000/3（圖2a）和日本Shinkai12000（圖2b）等，雖然他們?cè)O(shè)計(jì)的外形和尺寸各不相同，但載人艙都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即設(shè)想部分或全部采用類似玻璃的透明材料。與鈦合金材料相比，該類材料具有超高的強(qiáng)度，但塑韌性及延展性很差。目前看來(lái)，國(guó)內(nèi)滿足全海深載人艙的類玻璃的透明材料尚無(wú)成熟的制造工藝。此外，陶瓷罐在Kermadec海溝近萬(wàn)米深海中崩潰可能是造成2014年5月美國(guó)“海神”號(hào)潛水器失事原因的猜測(cè)，更增加了人們對(duì)使用超高強(qiáng)度但塑韌性很差的非金屬材料制造全海深載人球殼的擔(dān)心。如果有合適的高強(qiáng)高韌鈦合金材料，使用鈦合金建造全海深載人球殼不失為一種務(wù)實(shí)可靠的選擇。

圖2　兩個(gè)全海深載人潛水器結(jié)構(gòu)示意圖（a）美國(guó)Triton36000/3；（b）日本深海12000

從7000米到11000米全海深，壓力陡增60％以上，對(duì)球殼的承壓能力絕對(duì)是嚴(yán)酷的考驗(yàn)，也是選材的最大難點(diǎn)。因此，從承壓要求考慮，全海深球殼的選材一定需要更高強(qiáng)度的鈦合金材料。

從載人球殼結(jié)構(gòu)安全性考慮，要求鈦合金材料具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)，還要有適當(dāng)塑韌性。拉伸延伸率、平面應(yīng)變斷裂韌性等是反映金屬材料塑韌性的重要參數(shù)。為了提高安全可靠性，航空、船舶結(jié)構(gòu)件選材時(shí)，規(guī)定材料的平面應(yīng)變斷裂韌性與屈服強(qiáng)度的比值（KIC/σs）應(yīng)大于一定值，反映了對(duì)材料具有足夠塑韌性的要求。（KIC/σs）代表著材料的臨界塑性區(qū)尺寸（ac），公式（1）為材料的臨界塑性區(qū)尺寸的表達(dá)式。較大的塑性區(qū)范圍將提高材料吸收外界做功的能力，并避免塑性區(qū)范圍較小導(dǎo)致的脆性斷裂。此外較大的塑性區(qū)范圍還能夠提高裂紋閉合程度，從而提高材料的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力［10，11］。因此對(duì)于載人球殼材料的選擇除應(yīng)考慮其強(qiáng)度外，塑韌性特別是斷裂韌性也是重要的參考值。對(duì)于海水中使用的材料，還要考慮材料在海水介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕界限強(qiáng)度因子（KISCC）。

從載人球殼建造工藝考慮，還需要鈦合金材料具有良好的沖壓成形性能和焊接性能等。

總之，全海深載人球殼選用鈦合金需要高強(qiáng)、高韌、良好沖壓成形及焊接性能等綜合性能。

4　全海深鈦合金載人球殼研制的探索

全海深載人球殼的研制關(guān)鍵點(diǎn)有材料、設(shè)計(jì)及制造工藝。如前文所述，美、日等國(guó)的載人球殼采用半球整體沖壓成形，而后電子束焊接兩個(gè)半球?qū)拥某嗟拉h(huán)縫。俄羅斯的“俄羅斯”號(hào)和“領(lǐng)事”號(hào)載人球殼以及俄羅斯為我國(guó)制造的“蛟龍”號(hào)載人球殼采用了瓜瓣拼焊方式制造成半球，而后兩個(gè)半球?qū)赋汕驓ぁ？梢?，雖然我國(guó)“蛟龍”號(hào)保持著國(guó)際上同類作業(yè)型載人潛水器下潛深度最大的記錄，但是，我國(guó)載人球殼的制造技術(shù)尚屬空白。在我國(guó)科學(xué)家的努力和政府的大力支持下，4500米載人潛水器載人球殼研制項(xiàng)目立項(xiàng)。項(xiàng)目在載人球殼加工與焊接技術(shù)等方面獲得重大突破，全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，為全海深載人球殼研制打通了工藝路線。事實(shí)上，中國(guó)科學(xué)院部署的全海深載人球殼的研制工作正是以該項(xiàng)目的工藝路線為基礎(chǔ)開展的。

載人球殼制備工藝路線打通后，滿足全海深壓力的鈦合金球殼材料就成為全海深載人球殼研制的關(guān)鍵。眾所周知，金屬的強(qiáng)度與塑韌性通常是一對(duì)矛盾因素。強(qiáng)度的提升通常伴隨著塑韌性降低，甚至成形性能和焊接性能也相應(yīng)降低。這對(duì)全海深載人球殼用鈦合金材料研究提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，《全海深載人球殼材料、設(shè)計(jì)與制造工藝關(guān)鍵技術(shù)》攻關(guān)課題組在前期工作基礎(chǔ)上，經(jīng)過近兩年的努力，在全厚度板材制備、半球沖壓成形、電子束焊接等方面開展了大量的研究工作。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，所研制的鈦合金材料具有高強(qiáng)、高韌、良好沖壓成形和焊接性能。

課題組根據(jù)縮比球殼設(shè)計(jì)結(jié)果，利用自主研發(fā)的鈦合金材料、半球整體沖壓成形以及電子束焊接技術(shù)制備了全海深（11000米）的載人艙縮比球殼。按照中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第702研究所主編的《全海深載人潛水器載人艙球殼縮比模型試驗(yàn)大綱》，在中國(guó)科學(xué)院深海工程與技術(shù)研究所新建的200MPa壓力筒內(nèi)進(jìn)行了靜水外壓試驗(yàn)（圖3），通過了全海深壓力的考核，表明了該材料球殼可滿足全海深壓力條件。

圖3　靜水外壓試驗(yàn)完成后全海深縮比球殼出筒

對(duì)于全海深載人球殼而言，縮比球殼的水壓試驗(yàn)成功僅僅是個(gè)開端，后面的路還很長(zhǎng)，更大的挑戰(zhàn)還有很多。盡管這些難關(guān)仍需攻克，縮比球殼的水壓試驗(yàn)結(jié)果表明我們已經(jīng)在全海深載人球殼研制道路上邁出了堅(jiān)實(shí)而重要的一步。

5　結(jié)束語(yǔ)

作為大深度載人潛水器的核心部件，載人球殼的設(shè)計(jì)、選材和制造代表著一個(gè)國(guó)家載人潛水器的技術(shù)水平。全海深載人球殼制造更是一項(xiàng)涵蓋材料設(shè)計(jì)、超大厚度板材制備、球殼整體沖壓、大厚度鈦合金電子束焊接等跨領(lǐng)域的系統(tǒng)性工程，具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。我國(guó)4500米載人潛水器項(xiàng)目突破了載人球殼半球整體沖壓成形、窄間隙焊接和電子束焊接等關(guān)鍵技術(shù)，為全海深載人球殼研制打通了工藝技術(shù)路線。中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)在全海深載人球殼材料研究方面取得了重要進(jìn)展，在國(guó)家的大力支持下，我們有理由有信心期待全海深載人潛水器研制成功，助力深淵科學(xué)研究，鞏固我國(guó)載人深潛的領(lǐng)先地位。

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Material and Fabrication of the Personnel Hull for Full Ocean Depth Submersible

Lei Jiafeng1， Ma Yingjie1， Yang Rui1， Wu Shijun2， Jiang Lei3，Ding Kang3， Li Yanqing4
（1. Institute of Metal Reaserch， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China； 2. State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China； 3. Institute of Deep-sea Science and Engineering，Chinese Academy of Sciences， Sanya 572000， China； 4. China Ship Scientific Research Center， Wuxi 214082， China）

Abstract:In this paper， the personnel hulls of current typical deep manned submersibles were characterized by analyzing the hull materials and fabrication technologies. Owing to their good corrosion resistance and high strength-to-weight ratio， titanium alloys were commonly chosen to make the personnel hull for deep manned submersibles. At present whole hemisphere forging and electron-beam welding represent the advanced manufacturing technologies of the personnel hull fabrication. Based on the above analysis， the material requirement and fabrication technologies for the full ocean depth personnel hull were discussed. Higher strength is required for titanium alloy applied in the full ocean depth personnel hull， while the performance including toughness， thermal forming ability and welding properties of the alloy should also be taken into consideration. Finally， the research progress on titanium alloy and fabrication of the full ocean depth hull were briefly summarized.

Keywords:full ocean depth manned submersible； personnel hull； titanium alloy

中圖分類號(hào)：P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-4969（2016）02-0179-06

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00179

收稿日期：2015-12-01； 修回日期： 2016-12-20

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)課題（XDB06050100）

作者簡(jiǎn)介：雷家峰（1969-），男，研究員，研究方向是結(jié)構(gòu)鈦合金材料與工程。Email：jflei@imr.ac.cn