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海洋观测金属材料应用现状
来源:宝鸡启成有色金属有限公司 | 点击:36 | 发布日期:2022年7月30日

金属结构材料实现从钢到钛合金转变

目前海洋装备结构以钢、钛等金属材料为主,并以钢的应用最早。以载人深潜耐压壳体为例,20 世纪 60 年代,美国研制的 Sea Cliff 和 Alvin 潜水器的载人壳体均采用钢建造。随着潜水器下潜深度增加导致海水压力增大,以及长期服役导致累积海水腐蚀的破坏作用增大,钢的比强度(强度/密度的比值)和耐腐蚀性能逐渐不适应结构设计的要求。


钛及钛合金具有较高的比强度和优异的耐腐蚀性能,被称为“海洋金属”,是海洋工程制造领域理想的结构材料。美国 Sea Cliff 和Alvin 潜水器的载人舱体在后期被逐步替换为钛合金。目前国际上主流载人潜水器载人舱基本采用 800 MPa 强度级别的 Ti-6Al-4V 钛合金,包括我国在“十一五”“十二五”期间研制的“蛟龙”号和“深海勇士”号载人潜水器。


蛟龙

与航空、航天对结构减重的要求一致,深海装备的结构减重效益明显,减重后可增大海洋探测装备的航行敏捷度、减少浮力材料用量、降低能源消耗、提升装备作业周期。


结构减重设计要求采用更高强度钛合金,然而结构材料普遍存在强度-韧性“倒置”现象,提升强度后往往导致韧性降低,引发脆性断裂并降低结构的可靠性及服役寿命,因此兼具高强度、高韧性的钛合金往往成为装备研制的瓶颈问题。


美国 Limiting Factor 全海深载人潜水器在 2019 年完成了海试,其载人舱一反常态地选择搭载 2 人而非以往 3 人的设计方案,同时其载人舱采用了 800 MPa Ti-6Al-4V 钛合金。“十三五”期间,中国科学院金属研究所自主研发了 950 MPa 级别高强韧钛合金,组建载人舱技术攻关“国家队”,研制了国际上首个载 3 人全海深钛合金球舱,使“奋斗者”号深海载人潜水器在 2020 年创造了 10909 m 的我国载人深潜纪录。自 2021 年起,“奋斗者”号开展了系列常规科考作业,使我国成为国际上万米深潜次数和人数最多的国家。


奋斗者


高强韧钛合金

以往我国高性能钛合金的研发及应用主要围绕航空、航天两大领域,钛合金的材料体系、性能及制造技术均以满足航空、航天要求为主。而海洋服役环境迥异于航空航天,对钛合金材料性能及制造技术具有特色鲜明的要求,结合海洋观测探测技术的发展趋势,目前制约我国未来海洋装备的钛合金材料瓶颈问题主要体现在 3 个方面:


① 高强韧钛合金缺乏系统化、规模化应用。


高强韧钛合金应用虽然可以带来显著的减重效益,但受制于制备技术难度、配套的工艺及规模应用成本等综合因素,尚未在我国深海装备上实现系统化、规模化应用。“奋斗者”号载人舱是高强韧钛合金在深海装备核心部件上的典型应用,我国在国际上率先突破的领先技术只有通过发挥“以点带面”的引领作用才能产生更大效应。


② 缺乏宽幅超厚钛合金板材制备能力,制约海洋装备的大型化、整体化建造。


海洋装备大型化、整体化建造对结构材料的规格尺寸具有较高要求。以钢为例,大潜深装备采用的钢板宽度可超过 4 m、厚度可达 200 mm,单张板材质量达到 20 t。“十三五”期间,我国研制了宽度 3 m、厚度 120 mm、质量约 8 t 的钛合金板材,应用于“奋斗者”号潜水器。然而,我国目前尚未突破与海洋用钢规格相当的宽幅超厚钛合金板材制备技术,成为海洋工程“钛替代钢”过程中的关键技术瓶颈之一。


③ 焊接技术及配套装备无法满足深海大型钛合金耐压壳体建造需求。


焊接是制造深海大型钛合金耐压壳体必不可少的工艺方法,通常包括气体保护窄间隙焊接、真空高能束如电子束焊接。对于制造直径 3 m、厚度 50 mm 的大型钛合金耐压壳体,采用逐层堆积的窄间隙焊接施工周期漫长,单个环缝焊接花费数月。真空电子束焊接效率大幅度提升,但对焊接真空环境要求苛刻,目前超大规格结构采用真空电子束焊接工程化实施难度极高,将成为未来制约超大规格钛合金耐压结构制造的另一项瓶颈技术。

最后更新:2022-7-30
点击次数:36

 

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