引言

钛合金资料拥有密度小、、强度高、、耐侵蚀机能好等利益，，尤其在海水和海洋大气环境中，，其极好的耐侵蚀性，，使其成为了占有“海洋金属”美誉的良好轻质结构资料[1]。因而，，在舰船、、海水淡化、、海洋油气、、海洋构筑、、深海特种作业平台和深潜器等领域，，俄罗斯、、美国、、日本等蓬勃国度都大量使用钛合金资料。

1、、国内外钻研概况

1.1?潜艇

钛合金资料在水下运载设备的利用，，能够追忆到苏联。1963—1993年，，苏联（俄罗斯）先后研制了5型共计15艘钛合金结构潜艇[2-6]，，对世界潜艇技术和深海设备的发展产生了极为重要的影响，，其中蕴含：：

（1）世界上首艘钛合金结构潜艇——Papa级潜艇[2]。其是迄今为止航速最高的潜艇，，曾创制了水下44.7kn的纪录。1971年，，Papa级潜艇持续跟踪以30kn航速航行的美国萨拉托加号航母，，从而导致美国第3代攻击型核潜艇研制过程中，，在提高艇用舒服性的Comfort级潜艇和提高航速的洛杉矶级潜艇之间选择了洛杉矶级。

（2）世界上潜深最大的潜艇——Mike级潜艇。该潜艇曾创制了1027m潜深的世界纪录，，但1989年4月7日，，在挪平顶山因产生火警而沉没[3]。对其出事原因众说纷繁，，水师辅导层责怪设计师和建造者，，而设计师和建造者则以为变乱系艇员谬误操作而引起。固然该潜艇的服役功夫不到6年，，但其设计经验为其他潜艇的设计打下了重要的基础。

（3）“超过时期的核潜艇”——Alfa级潜艇。该潜艇曾以“水下歼击机”这一概念而被提出，，以“极致的水下机动能力”为指标进行设计[4]。同时，，Alfa级潜艇初次选取了一些启发性的技术，，如大功率液态金属载热剂反映堆技术[5]、、先进信息系统/自动化和电力系统技术、、漂浮式逃逸救生舱技术、、整体式汽轮机组技术、、双层隔振和消声瓦技术等，，从而对苏联后续核潜艇的发展产生了重大影响。

（4）特种潜艇——Losos级潜艇。该潜艇选取“柴-电”混合动力，，矜持力为10d，，重要用于沿、、浅水以及航行受限海域（10~200m水深）等大型潜艇难以或无法达到的海域，，执行特战人员（6人）运送、、窥伺与谍报网络等特种工作[6]。

1.2?深潜器

载人潜水器作为一种往返海底实现取样作业的深潜设备，，可能携带科研人员直达水下环境实现深海观察和作业工作，，在深海进入、、深海探测和深？？⒐讨衅鸬搅酥匾淖饔。20世纪60年代起，，美国、、苏联（俄罗斯）、、日本以及欧盟等陆续研发出分歧深度等级的载人潜水器，，其中最具代表性的是美国Alvin号。选取HY100钢[7]建造的Alvin号作业潜深正本为1800m[8]，，当耐压壳体资料升级为Ti6211钛合金后，，其潜深增至4500m[9]，，而选取了新升级版Ti-6Al-4V钛合金资料的新Alvin号，，其工作潜深更是达到了6500米级。相较于结构钢，，钛合金的比强度更高，，一致水深下可设计出容重比更低的载人舱耐压壳体，，给增大舱内空间、、提高作业效能和增长搭载人数提供了可能，，并且随着设计潜深的增长，，钛合金在降低耐压结构容重譬喻面的优势将更为凸起（见图1）。

目前Ti-6Al-4V与Ti-6Al-4VELI钛合金的利用已经比力成熟，，并形成了相应的尺度、、产品系统和资料规范（如AMS尺度、、MIL尺度、、GOCT尺度等），，列国在该合金成分、、机能等指标要求也渐趋一致。除美国新Alvin号以外，，法国Nautile号、、日本Shinkai6500号[10]，，以及我国的蛟龙号、、深海勇士号等多型载人潜水器的载人舱结构都选用Ti-6Al-4V或Ti-6Al-4VELI钛合金[11]。总体来看，，钛合金已成为国内外载人潜水器耐压壳体的首选资料。表1为20世纪50年代至今国内外部门作业潜深可达2000m的载人潜水器及其载人舱壳体的统计[8,12-13]。

1.3?深海工作站及水下尝试室

深海工作站结合使用了大型有人设备与智能无人技术，，可突破载人潜水器、、潜艇等现有深海设备各自的局限性，，实现长功夫、、大领域、、大功率的水下作业能力。20世纪70年代，，美国起头研制具备深海荫蔽探测、、试验与作业能力的NR-1号核动力工作站[14]，，其耐压结构由HY-80钢制成。NR-1早期重要用于执行军事工作，，后来也在民用海洋科考工作中阐扬了重要作用。21世纪初，，美国就千吨级NR-2项目发展论证，，并提出军用和民用方面的工作需要，，其中民用工作需要蕴含海洋物理学、、海洋生物学和海洋考古学等，，形成了多种建造规划，，蕴含900米级和1500米级这2个设计深度等级，，相应的耐压壳体资料为HY-130钢和HY-100钢[15]。苏联（俄罗斯）同样自20世纪70年代就起起头了深海工作站的研制，，共研发了3型（共7艘）核动力深海工作站[16]，，其中较为有名的是2019年产生火警的小马驹号。该系列深海工作站的潜深为1000~3000m，，耐压壳体资料均为钛合金[17]。与深海工作站的可移动性分歧，，水下原位尝试室作为海洋科考的新伎俩，，侧重于以类似潜艇的大型结构实现海底持久驻留、、原位钻研开发的职能，，可在海洋环境、、海底生物和深？？蟛试醋暄械确矫娌镒饔，，是海洋设备技术的重点发展方向。表2[18]为部门国外典型水下尝试室的统计，，其中德国Helgoland号[19]减压室耐压壳体为长度2.5m、、直径2.5m的圆柱结构，，工作压力为1MPa，，选取BH36型纯钢，，壳体厚度为17mm。

2、、国内现有基础

2.1钛工业近况

我国的钛工业自1954年起步，，北京有色金属钻研总院率先从事海绵钛出产工艺钻研；1958年前后，，我国首条海绵钛和钛材加工出产线起头建造；1965年前后起头产业化布局，，筹建遵义钛厂和宝鸡有色金属加工厂；尔后不休持续发展，，堆集出产经验、、利用经验、、技术成就和治理经验，，并造就了一大批技术骨干。直到21世纪，，随着我国经济的腾飞，，钛工业也获得了逾越式增长。2000年，，我国海绵钛的产量约为1905t，，钛加工材的产量约为2233t；2012年，，海绵钛的产量高达81451t，，钛加工材的产量也达到51557t，，均居世界首位，，这足以证明中国其时已是世界钛工业大国。2014—2023年，，由中国有色金属工业协会钛锆铪分会统计的钛锭和钛制品材产量走势见图2，，可见，，近10年钛锭和钛制品材总体出现增长趋向[20]。

2.2海洋工程用钛合金资料系统

海洋工程设备用钛属于高技术产业，，目前仍集中在俄罗斯、、美国、、日本、、法国和中国等少数国度，，其中美国、、俄罗斯和中国迄今已先后开发出50种左右海洋工程用钛合金[21]，，重要利用于舰船和潜器、、海上石油天然气勘探与开发、、海水淡扮装置和滨海电站、、滨海构筑与设施等4个重要领域。表3给出了几种海洋工程设备常用钛合金板材的成分、、机能及相应的合金商标[22-23]。

与美、、俄、、日等国相比，，固然我国海绵钛的产量位居世界首位，，但在基础钻研、、钛材出产技术、、利用领域、、设计与利用技术等环节仍有15~30a的差距[24]。尤其是在船舶与海洋工程用钛方面，，只管我国领海开阔，，海运事业发展也很快，，但钛在很多海岸、、岛屿、、船舶上的利用根基属于空缺。目前我国海洋工程高端用钛还有很多主题技术尚未把握，，总体上还处于起步阶段。图3[20]显示了我国在化工、、航空航天、、船舶与海洋工程这三大利用领域内，，船舶与海洋工程用钛的用量最低，，2023年仅占总用量的4.09%，，且较2022年的5.73%还略有降落。

只管如此，，我国仍旧是目前世界上专门钻研舰船用钛合金的少数国度之一。我国自20世纪60年代起便起头舰船用钛合金的钻研与利用钻研，，早期以仿制美国和苏联的钛合金为主，，而后在国度科技打算的支持下，，先后实现多种舰船用钛合金的自主研发。发展至今，，我国不仅提高了舰船用钛的钻研及利用水平，，也形成了自己的系统，，即工业纯钛（TA1~TA4）、、TA9、、TA10、、TA16、、TA17、、TA22（Ti31）、、ZTA5、、TA5-A、、TA18、、ZTi60、、TA23（Ti70）、、Ti-91、、TA24（Ti75）、、ZTC4、、TC4、、TC4ELI、、Ti80、、TC10、、TC11、、TiB19、、TB9、、TB10等，，将我国的舰船用钛合金按合金屈服强度大体分为了低强钛合金（500MPa以下）、、中强钛合金（500~800MPa）和高强钛合金（800MPa以上）这3个等级[25]。其中的低强和中强钛合金是以α型和近α型低合金化钛合金为主。低强钛合金的塑性、、耐蚀性和可焊性好，，重要适于制作管材；中强钛合金的强度、、塑性与韧性匹配适中，，制作工艺性好，，适于制作大厚截面构件或螺旋桨等铸件；高强钛合金的强度高、、塑性较低、、冷成形性和可焊性相对较低，，重要用作耐压壳体、、高压容器、、船舶特种部件等。

表4[22，，25-27]给出了上述3个等级钛合金资料的重要特点及利用？？杉，，我国舰船用钛合金重要利用于声呐导流罩、、管路、、阀门等专用结构的制作，，现实用钛量并不大。有关资料显示，，我国先进舰船用钛量与舰船结构质量的比值远低于俄罗斯[2]。

对于深海设备耐压壳体用钛合金，，思考到强度、、焊接机能、、成形加工机能、、耐侵蚀、、抗委顿及裂纹扩大能力等综合成分后，，可选资料蕴含中强度钛合金Ti70、、Ti75和高强度钛合金TC4、、Ti-B19、、Ti80、、Ti62A共6种。其中TC4ELI和Ti62A合金在国内载人潜水器上已有成功利用经验[29]，，Ti80合金耐压球壳在深海勇士号研制期间也有肯定建造和试验基础[30]。TC4ELI合金是在TC4钛合金的基础上经过优选改型发展起来的一种钛合金，，其重要特点是通过节制间隙元素的含量，，以提高合金的断裂韧性和委顿裂纹扩大抗力等危险容限机能。TC4ELI的间隙元素碳、、氮和氧节制极度严格，，杂质含量也极度低，，因而拥有塑性好、、抗冲击以及委顿机能强、、委顿裂纹扩大速度低、、断裂韧性比通例TC4合金高档特点，，其退火状态的Rp0.2为824MPa，，比Ti80合金高约20%。TC4ELI利用于深海设备上时，，厚板强度虽较TC4合金略有降落，，但在韧性和耐海水侵蚀性方面均更适合深海设备耐压壳体，，故在世界先进国度载人潜水器的耐压壳体上得到了较多利用。

Ti80钛合金是在综合对比分析国外载人潜水器用钛合金成分、、组织、、机能后，，以美国Ti6211钛合金为基础进行改进钻研并研制而成的近α型钛合金。其合金成分系统为Ti-6Al-3Nb-2Zr-0.8Mo，，焊接性、、塑韧性、、耐海洋环境侵蚀机能和抗委顿机能均优于国外同类合金。2008年，，Ti80合金板材进入国军标《船用钛及钛合金板材》，，商标TA31，，从而标志取Ti80合金是利用成熟的船用钛合金资料；2015年，，针对我国4500米级载人潜水器发展了Ti80合金铸锭熔炼及成分均匀性节制技术、、Ti80合金板坯铸造技术、、Ti80合金厚板铸造和轧制技术、、Ti80合金厚板机能检测及评价技术等钻研，，并实现了载人舱球壳的研制。Ti62A是中国科学院金属钻研地点Ti-62222S合金的基础上，，通过成分设计自主研发的高强高韧危险容限型钛合金，，其合金的成分系统为Ti-AlSn-Zr-Cr-Mo-V-Si系[31]。与TC4相比，，Ti62A在强度有较大提升的前提下，，断裂韧性可达到根基相当的水平[32]，，因而对裂纹扩大和危险也有肯定的抵抗能力。奋斗者号载人潜水器耐压壳体选取了Ti62A钛合金，，并实现了大尺寸超厚钛合金成形的均匀性和力学机能的不变性节制，，这对我国载人深潜技术的推动起到了显著影响。

2.3载人潜水器钛合金耐压球壳加工制作技术

蛟龙号的钛合金耐压壳为俄罗斯制作，，而国内有关钻研较少。深海勇士号研制期间，，中国船舶集团第725钻研所选取国内自主研发的Ti80钛合金和分瓣冲压、、手工窄间隙氩弧焊工艺，，遵循“由小至大”的准则，，从1/4球壳制备起头索求，，再发展至半球制备，，直到2015年实现我国首个国产4500米级钛合金耐压壳出厂；同时期，，宝鸡钛业股份有限公司选取的是TC4ELI钛合金和半球整体冲压成形工艺进行别的2个4500米级钛合金耐压壳的建造，，2个球壳别离选取了赤道缝手工窄间隙氩弧焊和电子束焊工艺。随后针对全海深载人潜水器奋斗者号，，国内团队再次实现了6个球壳模型的研制。经过多年钻研和实际，，我国在耐压球壳加工制作方面已经突破了钛合金厚板制备（图4a）、、钛合金瓜瓣冲压成形、、钛合金半球整体冲压成形（图4b）、、钛合金球壳电子束和窄间隙TIG厚板高质量焊接等多项关键技术，，添补了国内空缺；同时，，在钛合金大厚板的无损探伤、、状态丈量等技术方面，，我国也有长足进取。

表5和下页图5别离为国内部门载人潜水器耐压球壳的制作工艺和实物对比。

2.4大型深海设备用钛合金耐压结构加工制作技术

面对深远？？，，我国向海洋设备技术提出了自水面、、短时、、小功率、、小负荷、、点域作业到水下海底、、持久、、大功率、、大负荷和大领域作业发展的需要。与此同时，，深海设备的大型化也向钛合金结构的加工制作技术提出了挑战。2009年以来，，我国在载人潜水器耐压球壳加工制作技术的基础上，，进一步启动了对大型钛合金耐压结构研制技术的索求。目前，，资料制备方面，，我国已突破了钛合金宽厚板材/环材制备工艺，，研制出42mm×2500mm×12000mm（Ti80）和42mm×2000mm×11000mm（TC4）超长宽厚板材（见图6a），，以及Φ3300mm×1200mm（Ti80）、、Φ3300mm×1990mm（TC4）的大规格环材（图6b）；在结组成形方面，，把握了柱壳模压成形（图6c）及热定型工艺；在钛合金厚板焊接方面，，已根基把握了双面双弧MIG、、自动窄间隙TIG工艺（图6d）。与此同时，，我国在大型钛合金结构的状态丈量与节制、、残存应力丈量与节制、、资料机能评价等方面，，也堆集了丰硕经验。

2.5钛合金耐压结构设计与试验钻研

在钛合金耐压结构设计方面，，中国船舶科学钻研中心针对载人潜水器耐压球壳，，通过对国外现有深海载人潜水器载人舱球壳设计个性的分析和设计规范的比力，，成立了载人舱球壳的设计步骤并实现试验验证，，该推算步骤现已编入中国船级社2018版《潜水系统和潜水器入级规范》。在此基础上，，持续发展环肋圆柱壳、、串联球壳等大局的大型钛合金结构设计推算步骤，，目前在壳体理论应力水平预报精度方面已获得了较猛进展。

在钛合金耐压结构试验方面，，中国船舶科学钻研中心针对载人潜水器耐压球壳，，已实现了不低于10个模型的极限承载能力试验或委顿强度查核试验。奋斗者号的成功研制，，也注明我国已根基把握了钛合金载人球壳设计和安全性评估技术，，并且实现了钛合金球壳200兆帕级超高压静水压力试验技术的突破。在此基础上，，为满足大型深海设备的发展需要，，进一步发展了多个耐压结构模型的静水压力粉碎试验（图7a、、b）和长时压缩蠕变测试（图7c）。

3、、大型深海设备钛合金利用需要

3.1技术特点

与用于潜艇、、载人潜水器、、航空航天、、压力容器等的钛合金资料相比，，用于大型深海设备的钛合金在使用环境、、结构大局、、应力状态和建造工艺等方面都各有分歧，，由此也带来了极大的技术挑战，，基于现有钻研，，可初步综合大型深海设备钛合金结构的重要技术特点如下：：

（1）使用环境美国NR-1深海作业平台矜持力可达30d，，德国的Helgoland水下尝试室矜持力也有14d？？杉，，大型深海设备的水下工作功夫长，，需接受海水高压作用，，且载荷循环周期较长，，必要关注其常温高压蠕变和低周委顿等问题。而载人潜水器的水下工作功夫仅罕见小时，，固然压力大，，但从使用上躲避了钛合金资料的蠕变问题，，钢结构资料也没有蠕变问题。在航空航天、、压力容器等领域，，重要解决的是高温拉伸蠕变问题，，涉及常温高应力压缩蠕变的钻研不多。

（2）应力状态在航天航空领域，，钛合金资料的利用侧重于小型结构件、、机加工件，，结构件的受力状态多为低应力拉伸、、高频率、、高温等工况。大型深海设备的耐压结构固然与载人潜水器一样必要持久接受靠近屈服极限的较高压缩应力，，但前者的结构大局与球壳结构分歧，，其部门结构的应力状态也更为复杂。

（3）建造工艺与潜艇类似，，大型深海设备的制作加工蕴含宽厚板制备、、成形、、焊接、、状态和残存应力节制等多个环节，，但两者选取的资料分歧，，钢材的成熟制作工艺往往无法直接利用于钛材。而在接受外压时，，耐压结构的重要极限粉碎大局为失稳，，因而对状态误差和残存应力较为敏感，，这又与因接受内压而对几何状态误差不敏感的大型压力容器有所分歧。除此之外，，大型深海设备由于结构尺度、、大局分歧于载人潜水器，，难以选取真空电子束焊接、、内外机加工、、整体热处置等制作加工工艺，，因而对大型宽厚板焊接钛合金结构的制作加工工艺，，以及配套的残存应力解除和焊接变形节制技术的进一步发展还有火急需要。

3.2关键科学技术问题

自20世纪50年代起，，经过多年的发展，，我国的钛合金资料、、技术、、工业系统已有了长足进取，，但为更好地满足大型深海设备研制与利用需要，，目前在耐压结构用钛合金方面仍有一系列科学问题和关键技术的钻研工作有待发展：：

（1）资料制备技术以国内较成熟的Ti80、、TC4ELI等钛合金为基础，，对其合金成分进行优化，，钻研合金成分对机能的影响法规，，合理节制合金元素领域，，降低杂质元素的含量，，研制出适合大型深海设备结构使用的钛合金资料。通过发展元素增长方式、、熔炼工艺优化设计、、合金凝固行为节制等方面的钻研，，解决大型钛合金铸锭熔炼及成分均匀性节制技术；持续发展钛合金宽厚板和环件在加工过程中的组织均匀及组织细化节制技术钻研，，在选取铸造、、轧制、、热处置等传统工艺的基础上，，通过新工艺的钻研，，在两全效能和成本的前提下，，研制出满足深海工作站等大型深海设备耐压结构需要的、、组织均匀细化的、、资料机能不变的钛合金宽厚板材/环材。对于大型焊接结构，，其焊缝的质量备受关注，，因而还必要从焊丝的强度、、塑性、、韧性和损失容限机能启程，，结合钛合金母材的资料个性和可焊接性，，钻研与母材配套的焊丝资料和对应的高效不变的焊接工艺。

（2）资料机能钻研高压作用下，，钛合金即便在室温环境中也存在蠕变景象，，这可能导致结构变形及对应力情况的推算产生误差，，甚至引发强度或不变性不及等危险情况。因而应在现有钻研基础上，，持续发展常温下钛合金的蠕变本构关系、、蠕变参数、、蠕变极限、、蠕变导致的资料机械机能变动与耐压结构的蠕变推算，，以及寿命预测等方面的钻研。钛合金的低周委顿个性与钢材存在显著差距，，热处置工艺和微观组织等多种成分均对其冲击韧性和低周委顿机能产生影响，，因而针对大规格钛合金宽厚板的冲击韧性和低周委顿机能的钻研也需不休美满。别的，，大型耐压结构所需的厚板规格较大，，其由于轧制设备和工艺导致的各向异性问题还未能齐全解决，，相应的资料数据信息也不够全面。

（3）加工制作技术目前针对大型钛合金结构已形成了多种成形工艺，，若何通过对钛合金耐压结构铸造、、锻压、、热轧等成形步骤及热处置工艺的钻研，，对比分歧工艺的优弊端并成立钛合金圆柱壳和球壳的最优成形工艺，，已成为关键问题之一。而在钛合金焊接方面，，由于钛合金拥有化学活性强、、热导率低、、弹性模量低等特点，，焊接时会出现相变脆性较大、、过热偏差高、、冷裂偏差高和焊接变形大的问题。对于钛合金厚板高效焊接工艺、、钛合金焊缝缺点修补、、钛合金焊缝质量无损检测，，以及高强韧焊丝研制等技术的系统性钻研、、评定与查核验证工作也有待深刻发展。除此之外，，思考到大型钛合金结构的焊接、、加工和装配等制作过程，，还必要发展关于残存应力、、初挠度状态节制等方面的钻研。

（4）设计推算步骤和节制尺度由于资料的差距，，钛合金耐压结构的粉碎模式、、机理与钢制耐压结构可能存在差距。传统钢制耐压结构的粉碎模式通常为失稳或愚笨，，即就是高强度钢，，粉碎通常也不会导致结构本体分裂，，而试验景象批注，，钛合金球壳在极限承载能力试验时会出现分裂的景象。此外，，现有的潜器与潜艇结构设计推算规范均无法满足将来大型深海设备钛合金耐压结构的设计推算、、安全性评估的要求。因而，，必要从安全系数和强度节制尺度、、变形和刚度节制尺度、、设计推算步骤、、多耐压体及其非耐压结构变形协调节制尺度和相应的模型试验验证步骤等方面发展全面钻研。

（5）除上述关键科学技术问题之外，，大型钛合金结构的配套前提保险也对深海设备的研制至关重要，，重要蕴含资料的制备与供货能力、、加工成形与焊接设备、、建造场地与技术人员前提保险等。

4、、结语

蛟龙号、、深海勇士号和奋斗者号的成功研制及海试，，体现了我国在深水、、绿色、、安全的海洋高技术领域的综合实力。而面向深海进入、、深海探测、、深？？⒌确矫，，我国仍亟待把握有关关键技术，，建议在载人潜水器技术基础上尽快发展深海工作站、、水下尝试室等大型深海设备技术。

钛合金资料作为深海设备结构用的首选资料之一，，其主题技术的突破必将为将来深海设备的研制和深？？蒲Я煊虻某中⒄固峁┲匾С。

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