1 前言

    在人類發(fā)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(fā)基地，也是現(xiàn)實和最有開發(fā)潛力的戰(zhàn)略空間。利用載人深海潛水器是人類開發(fā)海洋空間的重要手段。同航天運載技術(shù)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(yuǎn)的戰(zhàn)略性前沿高技術(shù)。載人艙球殼在幾千米大洋深處為人員和設(shè)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(yīng)力。目前載人潛水器下潛深度從上世紀(jì)70 年代的2000 m 達(dá)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(guān)鍵技術(shù)之一是如何使用高強度材料保證耐壓球殼結(jié)構(gòu)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(dǎo)致殼體質(zhì)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(zhì)中的韌性，以防止發(fā)生脆性破壞。用塑性區(qū)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(jié)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(nèi)外載人潛水器載人艙球殼用材的發(fā)展?fàn)顩r和材料主要性能。

    2 國外潛水器載人艙球殼材料進(jìn)展

    國外對載人潛水器技術(shù)及其應(yīng)用十分重視，各國研發(fā)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(diào)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?zhí)?rdquo;） ，是當(dāng)前國際上下潛深度最深的載人潛器。在未來深海科學(xué)研究系統(tǒng)中，日本認(rèn)為載人潛水器是其基本工具和核心構(gòu)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(jīng)歷了從高強鋼向鈦合金的發(fā)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(biāo)

    3 中國載人潛水器載人艙球殼材料發(fā)展?fàn)顩r

    中國的潛水器技術(shù)研究始于20 世紀(jì)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(dān)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(chǎn)化研制。載人艙球殼材料經(jīng)歷了從船體鋼向鈦合金的發(fā)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(nèi)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(fā)出具有優(yōu)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(xué)性能

    Ti6321 合金和TC4ELI 合金的力學(xué)性能見表4。

表4 合金的力學(xué)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(jìn)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(kuò)展性能

    疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗按GB6393 － 86 進(jìn)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(huán)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(dá)式為：

    其中da /dN 為疲勞裂紋擴(kuò)展速率，Δk 為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。

    與日本的TC4ELI 合金板材（ 30 mm） 擴(kuò)展速率進(jìn)行比較，Ti6321 合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率在Δk ＜ 46 MPam1 /2 時（ da /dN = 5 × 10－4 mm/c ） ，裂紋擴(kuò)展速率與TC4ELI 相當(dāng)； 而在應(yīng)力強度因子Δk ＞ 46 MPa·m1 /2 時，Ti6321 合金的裂紋擴(kuò)展速率比TC4ELI 合金低近1 個數(shù)量級，也就是說隨著應(yīng)力場強度因子的增大，Ti6321 合金抗裂紋擴(kuò)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(jié)語

    我國雖是一個海洋大國，但人均資源很少。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，迫切需要對海洋礦產(chǎn)資源、生物資源、生態(tài)環(huán)境等進(jìn)行調(diào)查，并且在海洋開發(fā)技術(shù)、探測技術(shù)方面在世界上占有一席之地，趕上日本、美國、法國等發(fā)達(dá)國家。過去20 多年來，我國在持續(xù)開展大洋勘察工作的同時，深海科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)也得到了快速發(fā)展，我國已經(jīng)初步建立了深海勘察、深海多金屬結(jié)核礦物開采、運載和冶煉等高技術(shù)平臺，形成了一定的技術(shù)儲備。載人球殼用鈦合金厚板材料技術(shù)的發(fā)展必將促進(jìn)我國載人潛水器的研制和國產(chǎn)化進(jìn)程。

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