一、前言

深海裝備包括深海作戰(zhàn)軍事裝備、載人 / 無(wú)人潛水器、深海空間站與運(yùn)載平臺(tái)、水下滑翔機(jī)、救生鐘等 [1,2]，主要用于資源勘探開(kāi)發(fā)、深海監(jiān)測(cè)和信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、深海“硬”對(duì)抗作戰(zhàn)、立體資源補(bǔ)給等。以深制海，是我國(guó)踐行海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，建設(shè)“海上絲綢之路”，實(shí)現(xiàn)海軍向“近海防衛(wèi)、遠(yuǎn)海防御”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)和保障。

深海條件下，裝備的服役工況和功能要求有很多全新特征。例如，極高海水外壓與裝備結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疊加，導(dǎo)致耐壓結(jié)構(gòu)的受力工況惡劣，甚至接近于材料的屈服點(diǎn)，而裝備又需要長(zhǎng)期使用和反復(fù)上浮下潛 [3]；深海條件下的氧含量降低，對(duì)材料表面鈍化存在顯著影響，加速材料的腐蝕或增大開(kāi)裂傾向。這些環(huán)境特征都對(duì)耐壓結(jié)構(gòu)材料的安全可靠性設(shè)計(jì)提出了重大要求。鈦合金作為一種輕質(zhì)、耐海水腐蝕性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，有望解決深海裝備普遍存在的浮力儲(chǔ)備不足、長(zhǎng)期水中使用時(shí)結(jié)構(gòu)安全可靠性欠佳等問(wèn)題 [4,5]。

鈦合金材料應(yīng)用于耐壓結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的鋼材相比，其彈性模量、制造工藝、失效形式都有所不同，目前還存在一些共性基礎(chǔ)問(wèn)題有待突破。同時(shí)，在一些工程項(xiàng)目中也提出了許多制約設(shè)計(jì)、建造和使用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 [6]。本文針對(duì)深海鈦合金裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的材料技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展梳理和探討，以期促進(jìn)鈦合金材料應(yīng)用過(guò)程中的基礎(chǔ)問(wèn)題研究，通過(guò)提升材料韌性和抗蠕變性等關(guān)鍵使用性能，來(lái)推動(dòng)深海裝備設(shè)計(jì)和材料技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

二、裝備發(fā)展情況

（一）軍事領(lǐng)域

近 α 鈦合金和超低間隙 α 鈦合金由于具有高的比強(qiáng)度、良好的冷熱成型能力、優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和可焊性，應(yīng)用方面有逐漸替代船體鋼、成為大潛深潛艇耐壓殼體的主要結(jié)構(gòu)材料的趨勢(shì)。據(jù)報(bào)道 [7]，蘇聯(lián)率先嘗試在潛艇耐壓殼體上大量使用鈦合金，先后建造了 K-162 號(hào)、“阿爾法”級(jí)、“麥克”級(jí)和“塞拉”級(jí)等全鈦殼體核動(dòng)力潛艇。美國(guó)雖未建造全鈦殼體潛艇，但將鈦合金大量應(yīng)用在潛艇桅桿、緊固件等部件上，以減少艇身重量、優(yōu)化性能 [8,9]。

（二）科研和深海探測(cè)

鈦合金應(yīng)用于建造載人 / 無(wú)人深潛器的耐壓殼體具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，尤其是高比強(qiáng)度和抗海水腐蝕性的特性，在減輕結(jié)構(gòu)重量、降低腐蝕防護(hù)成本等方面起到極大作用。目前，許多國(guó)家開(kāi)展了鈦合金深潛器的研究和建造工作，領(lǐng)域研究進(jìn)展顯著。

1. 美國(guó)

20 世紀(jì) 60 年代以前，美國(guó)深潛器耐壓殼體主要采用高強(qiáng)鋼進(jìn)行建造，如伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）制造的“阿爾文”號(hào)深海載人潛水器。鋼鐵密度明顯高于鈦合金，極大限制了“阿爾文”號(hào)的下潛深度；另外，“阿爾文”號(hào)每年需進(jìn)行費(fèi)用高昂的腐蝕防護(hù)作業(yè)。為此，從 1973 年開(kāi)始，WHOI 對(duì)“阿爾文”號(hào)進(jìn)行重大升級(jí)，制造并換用鈦合金耐壓艙，即利用 Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo 合金替代 HY100 高強(qiáng)鋼新建殼體，同時(shí)利用 Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高壓氣瓶。升級(jí)改造后的新“阿爾文”號(hào)，下潛深度達(dá)到 6500 m，作業(yè)能力覆蓋全球 98% 的海域，完成大量的深海探測(cè)工作（累計(jì)下潛作業(yè) 4600 多次） [7]。

2. 日本

日本較早開(kāi)展了鈦合金載人深潛器的研制，在20 世紀(jì) 80 年代和 90 年代，分別利用超低間隙 Ti-6Al-4V 合金建造了下潛深度為 2000 m 和 6500 m的載人深潛器。尤其是后者，下潛深度大、覆蓋海域范圍廣，完成多次深海探測(cè)任務(wù)，為日本的深海開(kāi)發(fā)研究提供了關(guān)鍵手段 [7]。

3. 中國(guó)

我國(guó)鈦合金載人深潛器研究工作起步較晚，但發(fā)展速度很快。2003 年開(kāi)始建造的“蛟龍”號(hào)載人深潛器，質(zhì)量為 22.9 t，耐壓殼體內(nèi)徑為 2.1 m，由超低間隙 TC4 合金建造而成。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)總體設(shè)計(jì)單位、裝備制造單位、材料（尤其是鈦合金）研究單位的通力合作，“蛟龍”號(hào)于 2012 年成功完成7000 m 下潛試驗(yàn)，創(chuàng)造了世界同類(lèi)作業(yè)型潛水器的最大下潛深度紀(jì)錄。這表明，我國(guó)已經(jīng)掌握相關(guān)牌號(hào)鈦合金的制備、成型及焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)殼體的完全自主設(shè)計(jì)、研發(fā)與制造 [7]。我國(guó)繼續(xù)實(shí)施具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“深海勇士”號(hào)載人深潛器的研制工作，于 2017 年按期完成下潛試驗(yàn)。這表明，我國(guó)在深海用鈦合金的材料研制及加工工藝開(kāi)發(fā)方面取得重大突破，進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

此外，法國(guó)的“鸚鵡螺”號(hào)和俄羅斯的兩艘“和平”號(hào)載人深潛器也采用了鈦合金材料進(jìn)行建造。

世界鈦合金載人深潛器發(fā)展情況見(jiàn)表 1。

（三）油氣開(kāi)采

能源是人類(lèi)生存和發(fā)展所需的最重要資源。由于石化能源的日益消耗，尋找新的可替代能源已經(jīng)成為關(guān)注焦點(diǎn)。地球表面約 70% 的區(qū)域是海洋，海洋中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，因此加快勘探和開(kāi)發(fā)深海資源迫在眉睫。我國(guó)也明確提出“加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

海洋開(kāi)發(fā)離不開(kāi)海上鉆井平臺(tái)、深海探測(cè)器等重要作業(yè)裝備，這些裝備服役工況惡劣，長(zhǎng)期承受海水腐蝕與海浪沖擊。鈦合金材料因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望廣泛應(yīng)用于上述裝備制造領(lǐng)域，但成本問(wèn)題一直阻礙應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。隨著鈦合金制備技術(shù)的成熟和提升，以及低成本鈦合金的研究突破，關(guān)于成本因素的顧慮明顯降低。美國(guó)已將鈦合金大范圍應(yīng)用于近海石油平臺(tái)支柱、板式換熱器等；1991 年應(yīng)用到海洋平臺(tái)提升裝置，較好解決了海水條件下的結(jié)構(gòu)腐蝕和疲勞問(wèn)題；經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，使用鈦合金件已經(jīng)具有良好的成本經(jīng)濟(jì)性 [10,11]。我國(guó)在西南油氣開(kāi)采裝備研制過(guò)程中，較大數(shù)量地采用高耐H2S+CO2 介質(zhì)腐蝕的鈦合金材料，保證耐蝕性的同時(shí)大幅減輕裝備重量，取得很好的綜合收益。

三、材料發(fā)展水平

（一）材料研究現(xiàn)狀

鈦及鈦合金作為優(yōu)秀的海洋工程用材料，各國(guó)對(duì)其研究與應(yīng)用十分重視，先后研制出了一系列的海洋工程用鈦合金。蘇聯(lián) / 俄羅斯和美國(guó)是最早專門(mén)從事海洋工程用鈦合金研究的國(guó)家，各自形成了海洋工程用鈦合金體系。俄羅斯海洋工程用鈦合金研究及實(shí)際應(yīng)用水平居世界前列，擁有專門(mén)的海洋工程用鈦合金系列，形成 490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa 等一系列強(qiáng)度級(jí)別的海洋工程用鈦合金產(chǎn)品 [12]。美國(guó)于 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始研究海洋工程用鈦合金技術(shù)，研制出鈦合金材料系列，建立了完整的海洋工程用鈦合金應(yīng)用考核體系。

（二）應(yīng)對(duì)服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征的性能需求

深海裝備長(zhǎng)期浸泡在海水中，需要承受極高的海水壓力載荷、經(jīng)受住海水腐蝕的考驗(yàn)。深海裝備因其長(zhǎng)期服役于深海與海面之間，還需要同時(shí)承受進(jìn)港時(shí)的近岸海域以及出海時(shí)的淺海與深海等多種類(lèi)型海洋環(huán)境的考驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的安全可靠性、耐久性、可維修性提出更高要求。在較長(zhǎng)的自持條件下還需考慮可能承受的超常規(guī)工況，如風(fēng)暴拍擊、物理撞擊乃至爆炸沖擊等。因此，全海域、全海深、全天候和長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行和極端環(huán)境需求，對(duì)鈦合金材料的性能提出了極高要求。

深海裝備的設(shè)計(jì)既要遵循結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)原理，還要結(jié)合工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，適應(yīng)當(dāng)前的工業(yè)化材料制備技術(shù)和造船工藝技術(shù)。依據(jù)深海裝備工況特征，立足材料技術(shù)體系現(xiàn)狀，鈦合金材料應(yīng)滿足如下基本要求。

（1）材料強(qiáng)度級(jí)別滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)單位的分析結(jié)果，耐壓結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度隨著下潛深度的增加需要適度提高。綜合考慮結(jié)構(gòu)制造、材料塑韌性和工藝性，材料的強(qiáng)度不宜過(guò)高，合金選材設(shè)計(jì)以近 α 型鈦合金為主 [13]。

（2）材料在海洋腐蝕環(huán)境（如海水、海洋大氣等）下具有良好的塑韌性和抗應(yīng)力腐蝕特性，抗低周疲勞性能好，滿足裝備長(zhǎng)期使用的安全可靠性以及特殊工況要求。

（3）材料工藝適應(yīng)性好。匹配船體及船用設(shè)備的加工特點(diǎn)，如鑄造、鍛造、冷熱成型，滿足低成本鈦合金結(jié)構(gòu)件制造工藝要求，可焊性好，焊后一般無(wú)須熱處理強(qiáng)化。材料及工藝性能滿足艦船設(shè)備大型化需求，配套有成型、無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)。

（三）材料韌性問(wèn)題制約裝備安全性

早期的焊接船體因脆性破壞導(dǎo)致的災(zāi)難事故并不少見(jiàn)，這促使設(shè)計(jì)師采用力學(xué)和金屬學(xué)等方法去分析解決脆性問(wèn)題。20 世紀(jì) 50 年代初，船舶大國(guó)即開(kāi)展了針對(duì)船體材料的落錘、動(dòng)態(tài)撕裂、裂紋源爆炸、系列溫度的沖擊試驗(yàn)等研究，分析材料隨環(huán)境變化的韌性，評(píng)定能否用于制造船體 [14]。

目前評(píng)價(jià)鈦合金材料斷裂韌性的方法主要有：平面應(yīng)變斷裂韌性、J 積分、裂紋張開(kāi)位移 δ、夏比沖擊斷裂韌性 Ak 等。通常，材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子 KIc 與試樣厚度 B、裂紋長(zhǎng)度和韌帶寬度有關(guān)，只有試樣厚度滿足 B ≥ 2.5(KIc/σs)2 時(shí)，才能獲得穩(wěn)定的 KIc。與 α+β 兩相鈦合金和亞穩(wěn) β 鈦合金相比，由于近 α 鈦合金的屈服強(qiáng)度 σs 較低，而 KIc

又較高，導(dǎo)致要求的試樣厚度較大，不僅耗費(fèi)大量材料，還要使用大型試驗(yàn)設(shè)備。因此，較多通過(guò)測(cè)量材料的 J 積分臨界值 JIc = K2Ic (1–ν2)/E，或裂紋尖端張開(kāi)位移臨界值 δc = K2Ic/(Eσs)，然后轉(zhuǎn)換為 KIc。

通過(guò)測(cè)量或來(lái)獲得材料的試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，工程應(yīng)用上為了快速評(píng)價(jià)材料的斷裂韌性性能，通常采用夏比沖擊斷裂韌性 Ak，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式由夏比吸收功

Ak = (4K2Ic + σs2)/(20σs) 

轉(zhuǎn)換成 KIc 來(lái)快速評(píng)價(jià)材料的斷裂韌性 [15,16]。

美國(guó)采用這類(lèi)方法評(píng)定了幾種鈦合金材料，以考查對(duì)于船體用材的適應(yīng)性，并參照鋼材的破壞分類(lèi)方法界定了船體用鈦的破壞特征。目前已經(jīng)建立起裂紋臨界尺寸（ac）、裂紋體的斷裂韌性（Xc）和斷裂應(yīng)力（σf）之間的關(guān)系。在平面應(yīng)變條件下，若裂紋面垂直于外加應(yīng)力，則可用張開(kāi)型平面應(yīng)變斷裂韌性 KIc 來(lái)代替 Xc，這樣韌性值便可用于設(shè)計(jì)中的定量計(jì)算。我國(guó)在 20 世紀(jì) 60 年代也開(kāi)展了類(lèi)似研究，后因鈦材料暫不用于殼體而中止。

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)材料在強(qiáng)度滿足要求時(shí)，韌性越高越好。鈦合金在海水條件下的應(yīng)力腐蝕敏感性會(huì)增加，沖擊和斷裂韌性明顯體現(xiàn)出差異性。①相同強(qiáng)度等級(jí)、不同成分和顯微組織的鈦合金，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率相差超過(guò) 1 倍，應(yīng)力腐蝕斷裂韌性 KISCC 相差超過(guò) 50%，兩者的共同作用，使得主結(jié)構(gòu)局部疲勞計(jì)算壽命相差超過(guò) 3 倍。②相同強(qiáng)度等級(jí)、不同牌號(hào)鈦合金的斷裂韌性、沖擊韌性相差 1.5~2 倍，且中、高速變形速率下的變形和斷裂特性與低變形速率下的明顯不同，這顯著影響了裝備在極端工況下的破壞模式。對(duì)于深海耐壓結(jié)構(gòu)材料的選材設(shè)計(jì)，近 α 鈦合金的強(qiáng)度是滿足深海耐壓結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，斷裂韌性則是保證深海耐壓結(jié)構(gòu)服役安全可靠性的關(guān)鍵因素 [13,17]。遺憾的是，鈦合金的強(qiáng)度和斷裂韌性通常呈現(xiàn)“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系。因此，如何快速、準(zhǔn)確地對(duì)近 α 鈦合金的斷裂韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及在保證合金強(qiáng)度的前提下盡可能提高其斷裂韌性，成為未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

四、材料基礎(chǔ)性問(wèn)題

（一）長(zhǎng)期服役環(huán)境下鈦合金組織演變與性能衰減規(guī)律

在應(yīng)力場(chǎng)和腐蝕場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，鈦合金在宏觀尺度上表現(xiàn)出損傷與斷裂加速現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象的研究：①在介觀尺度上，深海環(huán)境長(zhǎng)期作用下鈦合金鈍化膜動(dòng)態(tài)溶解愈合規(guī)律仍在探索；②在微觀尺度上，長(zhǎng)期高應(yīng)力載荷作用下鈦合金的微觀組織結(jié)構(gòu)演化及其對(duì)裂紋加速擴(kuò)展的影響機(jī)制尚不明確；③在宏觀尺度上，主結(jié)構(gòu)用鈦合金的載荷 – 時(shí)間 – 損傷規(guī)律缺乏足夠的數(shù)據(jù)積累。因此，研究并解析鈦合金的組織演變、性能衰減及其微觀機(jī)制，對(duì)于提升鈦合金的損傷抵抗能力、深海裝備主結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義。

（二）沖撞條件下鈦合金動(dòng)態(tài)響應(yīng)及裂紋萌生擴(kuò)展機(jī)制

深海裝備在服役過(guò)程中面臨著沖擊、碰撞等偶然現(xiàn)象，研究不同應(yīng)變速率下鈦合金變形損傷與動(dòng)態(tài)斷裂特性，對(duì)于材料性能提升、結(jié)構(gòu)安全優(yōu)化具有重要意義。在不同載荷速率下，鈦合金的微觀變形機(jī)制以及裂紋萌生和擴(kuò)展方式差異較大，導(dǎo)致鈦合金表現(xiàn)出較明顯的宏觀力學(xué)性能和損傷特征差異，進(jìn)而顯著影響結(jié)構(gòu)的斷裂模式。目前，針對(duì)鈦合金在中、高速動(dòng)載條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)及失效機(jī)制，包括微觀組織損傷、裂紋萌生擴(kuò)展、動(dòng)態(tài)斷裂韌性等研究正在開(kāi)展，同時(shí)包括服役環(huán)境的動(dòng)態(tài)斷裂特性等表征方法等也在進(jìn)行。

（三）鈦合金在深海耐壓結(jié)構(gòu)上應(yīng)用可能存在的蠕變問(wèn)題

與結(jié)構(gòu)鋼相比，鈦合金在深海耐壓結(jié)構(gòu)的應(yīng)用過(guò)程中存在明顯的壓縮蠕變效應(yīng)，降低了鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)的服役可靠性 [18,19]。蠕變效應(yīng)主要?dú)w因于兩方面：①鈦合金的彈性模量較低，約為鋼的一半，導(dǎo)致在承受相同強(qiáng)度載荷下，鈦合金出現(xiàn)的彈性應(yīng)變量約是鋼的 2 倍；②鈦合金組織中 α 相為密排六方結(jié)構(gòu)，存在明顯的各向異性和包申格效應(yīng)。目前，關(guān)于鈦合金蠕變行為的研究，主要集中在以航空航天飛行器為應(yīng)用背景的高溫拉伸蠕變行為方面，有關(guān)深海耐壓結(jié)構(gòu)鈦合金的壓縮蠕變行為的研究較少。國(guó)內(nèi)正在組織開(kāi)展鈦合金在海水腐蝕介質(zhì)中、近屈服應(yīng)力強(qiáng)度水平下的壓縮蠕變行為研究，以盡快揭示深海耐壓結(jié)構(gòu)鈦合金的壓縮蠕變損傷機(jī)理。

五、材料工程化關(guān)鍵技術(shù)

（一）大規(guī)格板材和配套材料技術(shù)

深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)主要通過(guò)對(duì)中厚鈦合金板材進(jìn)行曲面成形后組焊而成，對(duì)大規(guī)格鈦合金板材和配套焊絲材料的制備技術(shù)要求較高。由于鈦及鈦合金板坯具有熱加工溫度區(qū)間窄、溫降快、高溫吸氫吸氧、變形抗力隨溫度變化大、容易開(kāi)裂等特點(diǎn)，因而軋制溫度控制要求非常嚴(yán)格，導(dǎo)致鈦及鈦合金中厚板在熱軋生產(chǎn)線組建、穩(wěn)定軋制工藝、提高產(chǎn)品尺寸精度等方面具有一定的難度。

目前鈦及鈦合金中厚板材主要使用鋼鐵加工設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，這些軋機(jī)生產(chǎn)線是基于鋼鐵材料的特性來(lái)設(shè)計(jì)的，缺乏對(duì)于鈦及鈦合金材料生產(chǎn)的針對(duì)性設(shè)計(jì)，不能很好地適應(yīng)鈦及鈦合金的加熱特性和加工特性，使得成品質(zhì)量不是十分理想 [20]。相關(guān)單位需要針對(duì)鈦合金大規(guī)格板材性能均勻性、穩(wěn)定性、批量一致性的技術(shù)難題開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，研究高性能大規(guī)格鈦合金板材成形和組織性能優(yōu)化方法，促進(jìn)大規(guī)格鈦合金板材性能全面升級(jí)，滿足深海工程領(lǐng)域的需求并支撐其發(fā)展 [21]。

（二）選材和應(yīng)用考核評(píng)價(jià)

工程設(shè)計(jì)和建造要求制定科學(xué)的材料評(píng)價(jià)體系，有關(guān)材料制備、建造和使用方面的材料理化指標(biāo)及使用性能必須量化可考核。這方面的基礎(chǔ)較薄弱，成為制約鈦合金材料在深海裝備應(yīng)用的重要因素之一。

考慮承壓要求，深海耐壓結(jié)構(gòu)的選材設(shè)計(jì)傾向于更高強(qiáng)度的鈦合金材料；而從載人球殼結(jié)構(gòu)安全性考慮，要求鈦合金材料既具有足夠的強(qiáng)度，還要有適當(dāng)斷裂韌性。許多海難事故都與建造材料斷裂韌性儲(chǔ)備不足有關(guān)，例如“泰坦尼克號(hào)”海難就是由于所用鋼的低溫沖擊斷裂韌性太低所導(dǎo)致的。由于深海耐壓結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在海水中使用，還需要計(jì)及材料在海水介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子。從建造工藝角度出發(fā)，鈦合金材料應(yīng)具有良好的沖壓成形性能和焊接性。

整體而言，在材料制備和工藝研究階段，需要建立完整的用于耐壓結(jié)構(gòu)的鈦合金材料評(píng)價(jià)體系，明確在材料制備和建造過(guò)程中的材料基本性能指標(biāo)和應(yīng)用性能考核方式，確保鈦合金材料在建造過(guò)程中的質(zhì)量穩(wěn)定性，據(jù)此滿足裝備在長(zhǎng)期使用工況和極限條件下的可靠性要求。

（三）高效優(yōu)質(zhì)建造技術(shù)

深海耐壓結(jié)構(gòu)形式主要是環(huán)肋圓柱殼體和球形封頭結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、尺寸精度要求高等突出特點(diǎn)，而現(xiàn)有鈦合金工藝尚無(wú)法完全滿足要求。

大型船體結(jié)構(gòu)的焊接工作量占到船廠總裝工作量的一半以上，這充分體現(xiàn)了突破鈦合金高效建造技術(shù)的必要性。

鈦合金大厚板焊接方法分為電子束焊接、窄間隙填絲焊接。電子束焊接自動(dòng)化程度高、焊接速度快，具有工期短、工藝穩(wěn)定、效率高的特點(diǎn)；但鈦合金材料焊縫熔合區(qū)冷卻速度較快，焊縫的韌性略低；受設(shè)備條件限制，大型和復(fù)雜形狀構(gòu)件的焊縫不易實(shí)現(xiàn)。窄間隙填絲焊接周期長(zhǎng)，對(duì)焊接技術(shù)人員的綜合素質(zhì)要求較高，工藝影響因素多。現(xiàn)有的工程化技術(shù)效率較低、建造適應(yīng)性差 [22]，需要開(kāi)發(fā)效率更高、更為穩(wěn)定的高適應(yīng)性和智能化鈦合金材料焊接技術(shù)。

海洋環(huán)境中的鈦合金裝備需要配套的其他技術(shù)也需要盡快開(kāi)展研究。船體各部件和設(shè)備、管路之間的連接因?yàn)椴牧吓铺?hào)不同，不可避免地存在異種金屬的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題；采取有效的電絕緣或補(bǔ)償措施是工程應(yīng)用中必須考慮的技術(shù)問(wèn)題。鈦合金材料生物相容性好，海洋環(huán)境中的海生物附著和生長(zhǎng)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致管路堵塞、重量增加以及其他不良影響，需要具有解決長(zhǎng)效防污問(wèn)題的實(shí)用手段。

六、結(jié)語(yǔ)

鈦合金材料在以載人深潛器為代表的深海裝備耐壓結(jié)構(gòu)上的成功使用，為深海領(lǐng)域的裝備選材和創(chuàng)新應(yīng)用提供了良好示范。

面對(duì)我國(guó)未來(lái)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)需要更多類(lèi)型鈦合金深海裝備的趨勢(shì)，我們建議：行業(yè)部門(mén)深化合作與科學(xué)分工，打牢鈦合金材料基礎(chǔ)研究，突破用于深海耐壓結(jié)構(gòu)的鈦合金材料強(qiáng)韌化、耐腐蝕等機(jī)理機(jī)制，優(yōu)化鈦合金板材大厚度焊接等工程化技術(shù)，建立極端工況下的鈦合金結(jié)構(gòu)考核評(píng)價(jià)體系，化解制約應(yīng)用的安全可靠性風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)深海裝備頂層需求 – 總體設(shè)計(jì) – 材料工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)的共同努力，為加速我國(guó)深海領(lǐng)域研究和應(yīng)用創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊磊, 杜志元, 陳云賽, 等. 我國(guó)三類(lèi)典型深海運(yùn)載裝備應(yīng)用技術(shù)研究 [J]. 海洋開(kāi)發(fā)與管理, 2018, 35(9): 100–106.

Yang L, Du Z Y, Chen Y S, et al. The operation and application technology of China’s three typical deep-sea submersibles [J].Ocean Development and Management, 2018, 35(9): 100–106.

[2]趙羿羽, 曾曉光, 郎舒妍. 深海裝備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析 [J]. 船舶物資與市場(chǎng), 2016 (5): 42–45.

Zhao Y Y, Zeng X G, Lang S Y. Analysis of the development trend of deep-sea equipment technology [J]. Marine Equipment/Materials & Marketing, 2016 (5): 42–45.

[3]屈平. 深海鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)蠕變特性探索研究 [D]. 北京: 中國(guó)艦船研究院 (碩士學(xué)位論文), 2015.

Qu P. Exploratory study of the creep characteristic for titanium deep-sea pressure shell [D]. Beijing: China Ship Research Institute (Master’s thesis), 2015.

[4]李獻(xiàn)軍, 王鎬, 馮軍寧, 等. 鈦在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) [J]. 世界有色金屬, 2014 (9): 30–32.

Li X J, Wang G, Feng J N, et al. Application status and development trend of titanium in ocean engineering [J]. World Nonferrous Metals, 2014 (9): 30–32.

[5]王鎬, 李獻(xiàn)軍. 鈦在海洋工程應(yīng)用的最新進(jìn)展 [J]. 中國(guó)鈦業(yè),2012 (1): 11–14.

Wang G, Li X J. New developments of titanium in ocean engineering application [J]. Chinese Titanium Industry, 2012 (1): 11–14.

[6]田非, 楊雄輝. 艦艇用鈦合金技術(shù)應(yīng)用分析 [J]. 中國(guó)艦船研究,2009, 4(3): 77–80.

Tian F, Yang X H. Application of titanium alloys in ship building [J]. Chinese Journal of Ship Research, 2009, 4(3): 77–80.

[7]于宇, 李嘉琪. 國(guó)內(nèi)外鈦合金在海洋工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2018, 33(3): 111–116.

Yu Y, Li J Q. Current application and prospect of titanium alloys in marine engineering [J]. Development and Application of Materials, 2018, 33(3), 111–116.

[8]雷家峰, 馬英杰, 楊銳, 等. 全海深載人潛水器載人球殼的選材及制造技術(shù) [J]. 工程研究, 2016, 8(2): 179–184.

Lei J F, Ma Y J, Yang R, et al. Material and fabrication of the personnel hull for full ocean depth submersible [J]. Journal of Engineering Studies, 2016, 8(2): 179–184.

[9]石佳睿, 唐文勇. 載人深潛器鈦合金耐壓球殼極限強(qiáng)度可靠性分析 [J]. 船海工程, 2014, 43(2): 114–118.

Shi J R, Tang W Y. Ultimate strength reliability analysis of titanium alloy spherical pressure shell in HOV [J]. Ship & Ocean Engineering, 2014, 43(2): 114–118.

[10] 劉強(qiáng), 惠松驍, 宋生印, 等. 油氣開(kāi)發(fā)用鈦合金油井管選材及工況適用性研究進(jìn)展 [J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2019, 33(5): 841–853.

Liu Q, Hui S X, Song S Y, et al. Materials selection of titanium alloy OCTG used for oil and gas exploration and their applicability [J]. Materials Review, 2019, 33(5): 841–853.

[11] 吳欣袁, 張恒, 徐學(xué)軍, 等. 鈦合金在石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用 [J]. 石油化工應(yīng)用, 2016, 35(11): 105–108, 113.

Wu X Y, Zhang H, Xu X J, et al. Application of titanium alloy in oil & gas exploration and development [J]. Petrochemical Industry Application, 2016, 35(11): 105–108, 113.

[12] 馮雅奇, 賈栓孝, 王韋琪, 等. 深潛器載人艙用TC4 ELI鈦合金半球殼的研制 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2016, 33(1): 19–22.

Feng Y Q, Jia S X, Wang W Q, et al. Development of TC4 ELI titanium alloy hemisphere shell for manned submersible [J]. Titanium Industry Progress, 2016, 33(1): 19–22.

[13] Goode R J, Huber R W. Fracture toughness characteristics of some titanium alloy for deep-diving vehicles [R]. Washington, DC: The US Naval Research Laboratory, 1965.

[14] Duan Q Q, Qu R T, Zhang P, et al. Intrinsic impact toughness of relatively high strength alloys [J]. Acta Materialia, 2018, 142(1):226–235.

[15] Pellini W S. Principles of structural integrity technology [R].Arlington: Office of Naval Research, 1976.

[16] Loss F J. Ductile fracture test methods [R]. Washington, DC: US Nuclear Regulatory Commission, 1985.

[17] Tran J. Titanium by design: TRIP titanium alloy [D]. Evanston:Northwestern University (Doctoral dissertation), 2009.

[18] Omprakash C M, Satyanarayana D V V, Kumar V. Effect of microstructure on creep and creep crack growth behaviour of titanium alloy [J]. Transactions of the Indian Institute of Metals,2010, 63(2–3): 457–459.

[19] Jaworski A, Ankem P S. Influence of the second phase on the room-temperature tensile and creep deformation mechanisms of α-β titanium alloys, part II: Creep deformation [J]. Metallur

[20] 胡付立, 劉建良, 陳敬超. 鈦及鈦合金熱軋中厚板軋機(jī)選擇及高效使用 [J]. 云南冶金, 2012, 41(33): 52–55.

Hu F L, Liu J L, Chen J C. Rolling mill selection for hot-rolled medium and heavy plate of titanium and titanium alloy and its efficient use [J]. Yunnan Metallurgy, 2012, 41(33): 52–55.

[21] 吳文琥, 高文超, 劉璇, 等. 大規(guī)格TC4鈦合金板坯的制備 [J]. 熱加工工藝, 2017, 46(7): 183–185.

Wu W H, Gao W C, Liu X, et al. Preparation of large size TC4 alloy slab [J]. Hot Working Technology, 2017, 46(7): 183–185.

[22] 肖偉星. 船用鈦合金材料焊接中的常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策 [J]. 中國(guó)設(shè)備工程, 2019 (2): 188–189.

Xiao W X. Common problems and countermeasures in welding of marine titanium alloy materials [J]. China Plant Engineering, 2019(2): 188–189.

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