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)國爭奪資源權(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。

    潛水器是深海勘探與開發(fā)利用必不可少的裝備，在一定程度上代表著一個(gè)國家深海勘察與開發(fā)利用的技術(shù)水平。載人潛水器因?yàn)榭梢允谷擞H臨深海現(xiàn)場作業(yè)， 具備了其他潛水器無可替代的優(yōu)勢。

    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“新阿爾文” 號設(shè)計(jì)單位WHOI的工程師Anthony Tarantino說載人球殼絕對是載人潛水器項(xiàng)目中最大的技術(shù)挑戰(zhàn)（ “This sphere is definitely the biggest technicalchallenge for the project”）。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，簡要介紹中國科學(xué)院金屬研究所負(fù)責(zé)的課題組在中國科學(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)。目前，具有代表性的大深度載人潛水器有法國的“鸚鵡螺”（Nautile） 號、前蘇聯(lián)的“和平 I”（MIR I） 號和“和平 II” （MIR II）號以及后來發(fā)展的“俄羅斯”（RUS）號和“領(lǐng)事”（CONSUL）號、日本的“深海 6500”（Shinkai 6500）、美國的“阿爾文”（ALVIN）號和“新阿爾文” （NEW ALVIN）號以及中國的“蛟龍”號。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。

    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“俄羅斯”號和“領(lǐng)事”號也采用了鈦合金。雖然各國設(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。在美國后來放棄了 Ti6211 鈦合金而選用 Ti64 ELI （exra-low-interstitial）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)加載條件下的動態(tài)腐蝕，更加適合于海洋應(yīng)用環(huán)境。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。

    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 會議上的報(bào)告，法國“鸚鵡螺”號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)在后來建造的“俄羅斯”號和“領(lǐng)事”號以及俄羅斯為我國“蛟龍”號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“新阿爾文”號載人球殼可以說是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的載人球殼。下面以美國的“新阿爾文”號為例，簡要介紹球殼制造過程。

    “新阿爾文”號鈦合金球殼由兩個(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 Ti64ELI 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，可通過對焊絲成分的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對焊接接頭性能的調(diào)控。電子束焊接與窄間隙焊接各有優(yōu)勢，電子束焊接的自動化程度高、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，不排除人為因素的影響，其工藝穩(wěn)定性較低，但可以通過對焊絲成分的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)焊縫力學(xué)性能的優(yōu)化。總體而言，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。俄羅斯為我國 “蛟龍”號制造的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，由于不同國家設(shè)計(jì)理念的不同，Ti64 鈦合金可以使用于 6500~7000 米級的下潛深度，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)國提上日程。美國 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)想資料來看，如美國Triton 公司的 Triton36000/3（圖 2a）和日本Shinkai12000（圖 2b）等，雖然他們設(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，國內(nèi)滿足全海深載人艙的類玻璃的透明材料尚無成熟的制造工藝。此外，陶瓷罐在 Kermadec 海溝近萬米深海中崩潰可能是造成 2014 年 5 月美國“海神”號潛水器失事原因的猜測，更增加了人們對使用超高強(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，對球殼的承壓能力絕對是嚴(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（K _IC /σ _s ）應(yīng)大于一定值，反映了對材料具有足夠塑韌性的要求。 （K _IC /σ _s ）代表著材料的臨界塑性區(qū)尺寸（a _c ）， 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。因此對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（K _ISCC ） 。

公式（1）

    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”號和“領(lǐng)事”號載人球殼以及俄羅斯為我國制造的“蛟龍”號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？梢姡m然我國“蛟龍”號保持著國際上同類作業(yè)型載人潛水器下潛深度最大的記錄，但是，我國載人球殼的制造技術(shù)尚屬空白。在我國科學(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，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

    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 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，鞏固我國載人深潛的領(lǐng)先地位。

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責(zé)任編輯：王元

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