一、前言

深海装备包括深海作战军事装备、载人 / 无人潜水器、深海浚？？？？？？占湔居朐嗽仄教ā⑺禄杌⒕壬拥 [1,2]，，，，，，，，主要用于资源勘探开发、深海监测和信息网络构建、深海“硬”对抗作战、立体资源补给等。。。。。以深制海，，，，，，，，是我国践行海洋强国战略，，，，，，，，建设“海上丝绸之路”，，，，，，，，实现水师向“近海防卫、远海防御”战略转型的基础和包管。。。。。

深海条件下，，，，，，，，装备的服役工况和功效要求有许多全新特征。。。。。例如，，，，，，，，极高海水外压与装备结构应力的叠加，，，，，，，，导致耐压结构的受力工况卑劣，，，，，，，，甚至靠近于质料的屈服点，，，，，，，，而装备又需要恒久使用和重复上浮下潜 [3]；；；；；；；；深海条件下的氧含量降低，，，，，，，，对证料外貌钝化保存显著影响，，，，，，，，加速质料的侵蚀或增大开裂倾向。。。。。这些情形特征都对耐压结构质料的清静可靠性设计提出了重概略求。。。。。钛合金作为一种轻质、耐海水侵蚀性能优异的结构质料，，，，，，，，有望解决深海装备普遍保存的浮力储备缺乏、恒久水中使用时结构清静可靠性欠佳等问题 [4,5]。。。。。

钛合金质料应用于耐压结构，，，，，，，，与古板的钢材相比，，，，，，，，其弹性模量、制造工艺、失效形式都有所差别，，，，，，，，现在还保存一些共性基础问题有待突破。。。。。同时，，，，，，，，在一些工程项目中也提出了许多制约设计、制作和使用的要害手艺问题 [6]。。。。。本文针对深海钛合金装备的生长现状和保存的质料手艺问题开展梳理和探讨，，，，，，，，以期增进钛合金质料应用历程中的基础问题研究，，，，，，，，通过提升质料韧性和抗蠕变性等要害使用性能，，，，，，，，来推动深海装备设计和质料手艺的立异生长。。。。。

二、装备生长情形

（一）军事领域

近 α 钛合金和超低间隙 α 钛合金由于具有高的比强度、优异的冷热成型能力、优异的抗海水侵蚀性能和可焊性，，，，，，，，应用方面有逐渐替换船体钢、成为大潜深潜艇耐压壳体的主要结构质料的趋势。。。。。据报道 [7]，，，，，，，，苏联率先实验在潜艇耐压壳体上大宗使用钛合金，，，，，，，，先后制作了 K-162 号、“阿尔法”级、“麦克”级和“塞拉”级等全钛壳体核动力潜艇。。。。。美国虽未制作全钛壳体潜艇，，，，，，，，但将钛合金大宗应用在潜艇桅杆、紧固件等部件上，，，，，，，，以镌汰艇身重量、优化性能 [8,9]。。。。。

（二）科研和深海探测

钛合金应用于制作载人 / 无人深潜器的耐压壳体具有得天独厚的优势，，，，，，，，尤其是高比强度和抗海水侵蚀性的特征，，，，，，，，在减轻结构重量、降低侵蚀防护本钱等方面起到极着述用。。。。。现在，，，，，，，，许多国家开展了钛合金深潜器的研究和制作事情，，，，，，，，领域研究希望显著。。。。。

1. 美国

20 世纪 60 年月以前，，，，，，，，美国深潜器耐压壳体主要接纳高强钢举行制作，，，，，，，，如伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）制造的“阿尔文”号深海载人潜水器。。。。。钢铁密度显着高于钛合金，，，，，，，，极大限制了“阿尔文”号的下潜深度；；；；；；；；另外，，，，，，，，“阿尔文”号每年需举行用度高昂的侵蚀防护作业。。。。。为此，，，，，，，，从 1973 年最先，，，，，，，，WHOI 对“阿尔文”号举行重大升级，，，，，，，，制造并换用钛合金耐压舱，，，，，，，，即使用 Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo 合金替换 HY100 高强钢新建壳体，，，，，，，，同时使用 Ti-6Al-4V合金制作浮力球和高压气瓶。。。。。升级刷新后的新“阿尔文”号，，，，，，，，下潜深度抵达 6500 m，，，，，，，，作业能力笼罩全球 98% 的海域，，，，，，，，完成大宗的深海探测事情（累计下潜作业 4600 多次） [7]。。。。。

2. 日本

日本较早开展了钛合金载人深潜器的研制，，，，，，，，在20 世纪 80 年月和 90 年月，，，，，，，，划分使用超低间隙 Ti-6Al-4V 合金制作了下潜深度为 2000 m 和 6500 m的载人深潜器。。。。。尤其是后者，，，，，，，，下潜深度大、笼罩海域规模广，，，，，，，，完成多次深海探测使命，，，，，，，，为日本的深海浚？？？？？？⒀芯刻峁┝艘κ侄 [7]。。。。。

3. 中国

我国钛合金载人深潜器研究事情起步较晚，，，，，，，，但生长速率很快。。。。。2003 年最先制作的“蛟龙”号载人深潜器，，，，，，，，质量为 22.9 t，，，，，，，，耐压壳体内径为 2.1 m，，，，，，，，由超低间隙 TC4 合金制作而成。。。。。经由海内总体设计单位、装备制造单位、质料（尤其是钛合金）研究单位的通力相助，，，，，，，，“蛟龙”号于 2012 年乐成完成7000 m 下潜试验，，，，，，，，创立了天下同类作业型潜水器的最大下潜深度纪录。。。。。这批注，，，，，，，，我国已经掌握相关牌号钛合金的制备、成型及焊接手艺，，，，，，，，实现壳体的完全自主设计、研发与制造 [7]。。。。。我国继续实验具有完全自主知识产权的“深海勇士”号载人深潜器的研制事情，，，，，，，，于 2017 年按期完成下潜试验。。。。。这批注，，，，，，，，我国在深海用钛合金的质料研制及加工工艺开发方面取得重大突破，，，，，，，，进入天下先举行列。。。。。

别的，，，，，，，，法国的“鹦鹉螺”号和俄罗斯的两艘“清静”号载人深潜器也接纳了钛合金质料举行制作。。。。。

天下钛合金载人深潜器生长情形见表 1。。。。。

（三）油气开采

能源是人类生涯和生长所需的最主要资源。。。。。由于石化能源的日益消耗，，，，，，，，寻找新的可替换能源已经成为关注焦点。。。。。地球外貌约 70% 的区域是海洋，，，，，，，，海洋中蕴藏着富厚的油气资源，，，，，，，，因此加速勘探和开发深海资源迫在眉睫。。。。。我国也明确提出“加速建设海洋强国”的生长战略目的。。。。。

海洋开发离不开海上钻井平台、深海探测器等主要作业装备，，，，，，，，这些装备服役工况卑劣，，，，，，，，恒久遭受海水侵蚀与海浪攻击。。。。。钛合金质料因其奇异优势，，，，，，，，有望普遍应用于上述装备制造领域，，，，，，，，但本钱问题一直阻碍应用规模的扩展。。。。。随着钛合金制备手艺的成熟和提升，，，，，，，，以及低本钱钛合金的研究突破，，，，，，，，关于本钱因素的记挂显着降低。。。。。美国已将钛合金大规模应用于近海石油平台支柱、板式换热器等；；；；；；；；1991 年应用到海洋平台提升装置，，，，，，，，较好解决了海水条件下的结构侵蚀和疲劳问题；；；；；；；；经由综合评估，，，，，，，，使用钛合金件已经具有优异的本钱经济性 [10,11]。。。。。我国在西南油气开采装备研制历程中，，，，，，，，较大数目地接纳高耐H2S+CO2 介质侵蚀的钛合金质料，，，，，，，，包管耐蚀性的同时大幅减轻装备重量，，，，，，，，取得很好的综合收益。。。。。

三、质料生长水平

（一）质料研究现状

钛及钛合金作为优异的海洋工程用质料，，，，，，，，各国对其研究与应用十分重视，，，，，，，，先后研制出了一系列的海洋工程用钛合金。。。。。苏联 / 俄罗斯和美国是最早专门从事海洋工程用钛合金研究的国家，，，，，，，，各自形成了海洋工程用钛合金系统。。。。。俄罗斯海洋工程用钛合金研究及现实应用水平居天下前线，，，，，，，，拥有专门的海洋工程用钛合金系列，，，，，，，，形成 490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa 等一系列强度级别的海洋工程用钛合金产品 [12]。。。。。美国于 20 世纪 60 年月最先研究海洋工程用钛合金手艺，，，，，，，，研制出钛合金质料系列，，，，，，，，建设了完整的海洋工程用钛合金应用审核系统。。。。。

（二）应对服役情形和结构特征的性能需求

深海装备恒久浸泡在海水中，，，，，，，，需要遭受极高的海水压力载荷、经受住海水侵蚀的磨练。。。。。深海装备因其恒久服役于深海与海面之间，，，，，，，，还需要同时遭受进港时的近岸海域以及出海时的浅海与深海等多种类型海洋情形的磨练，，，，，，，，进而对结构的清静可靠性、耐久性、可维修性提出更高要求。。。。。在较长的矜持条件下还需思量可能遭受的超通例工况，，，，，，，，如风暴拍击、物理撞击以致爆炸攻击等。。。。。因此，，，，，，，，全海域、全海深、全天候和长时间的运行和极端情形需求，，，，，，，，对钛合金质料的性能提出了极高要求。。。。。

深海装备的设计既要遵照结构力学、流体力学等基础原理，，，，，，，，还要团结工程手艺生长现状，，，，，，，，顺应目今的工业化质料制备手艺和造船工艺手艺。。。。。依据深海装备工况特征，，，，，，，，驻足质料手艺系统现状，，，，，，，，钛合金质料应知足如下基本要求。。。。。

（1）质料强度级别知足结构设计要求。。。。。凭证设计单位的剖析效果，，，，，，，，耐压结构质料的强度随着下潜深度的增添需要适度提高。。。。。综合思量结构制造、质料塑韧性和工艺性，，，，，，，，质料的强度不宜过高，，，，，，，，合金选材设计以近 α 型钛合金为主 [13]。。。。。

（2）质料在海洋侵蚀情形（如海水、海洋大气等）下具有优异的塑韧性和抗应力侵蚀特征，，，，，，，，抗低周疲劳性能好，，，，，，，，知足装备恒久使用的清静可靠性以及特殊工况要求。。。。。

（3）质料工艺顺应性好。。。。。匹配船体及船用装备的加工特点，，，，，，，，如铸造、铸造、冷热成型，，，，，，，，知足低本钱钛合金结构件制造工艺要求，，，，，，，，可焊性好，，，，，，，，焊后一样平常无须热处置惩罚强化。。。。。质料及工艺性能知足舰船装备大型化需求，，，，，，，，配套有成型、无损检测等手艺。。。。。

（三）质料韧性问题制约装备清静性

早期的焊接船体因脆性破损导致的灾难事故并不少见，，，，，，，，这促使设计师接纳力学和金属学等要领去剖析解决脆性问题。。。。。20 世纪 50 年月初，，，，，，，，船舶大国即开展了针对船体质料的落锤、动态撕裂、裂纹源爆炸、系列温度的攻击试验等研究，，，，，，，，剖析质料随情形转变的韧性，，，，，，，，评定能否用于制造船体 [14]。。。。。

现在评价钛合金质料断裂韧性的要领主要有：平面应变断裂韧性、J 积分、裂纹张开位移 δ、夏比攻击断裂韧性 Ak 等。。。。。通常，，，，，，，，质料的临界应力强度因子 KIc 与试样厚度 B、裂纹长度和韧带宽度有关，，，，，，，，只有试样厚度知足 B ≥ 2.5(KIc/σs)2 时，，，，，，，，才华获得稳固的 KIc。。。。。与 α+β 两相钛合金和亚稳 β 钛合金相比，，，，，，，，由于近 α 钛合金的屈服强度 σs 较低，，，，，，，，而 KIc

又较高，，，，，，，，导致要求的试样厚度较大，，，，，，，，不但泯灭大宗质料，，，，，，，，还要使用大型试验装备。。。。。因此，，，，，，，，较多通过丈量质料的 J 积分临界值 JIc = K2Ic (1–ν2)/E，，，，，，，，或裂纹尖端张开位移临界值 δc = K2Ic/(Eσs)，，，，，，，，然后转换为 KIc。。。。。

通过丈量或来获得质料的试验周期长、用度高，，，，，，，，工程应用上为了快速评价质料的断裂韧性性能，，，，，，，，通常接纳夏比攻击断裂韧性 Ak，，，，，，，，或凭证履历公式由夏比吸收功

Ak = (4K2Ic + σs2)/(20σs) 

转换成 KIc 来快速评价质料的断裂韧性 [15,16]。。。。。

美国接纳这类要领评定了几种钛合金质料，，，，，，，，以审核关于船体用材的顺应性，，，，，，，，并参照钢材的破损分类要领界定了船体用钛的破损特征。。。。。现在已经建设起裂纹临界尺寸（ac）、裂纹体的断裂韧性（Xc）和断裂应力（σf）之间的关系。。。。。在平面应变条件下，，，，，，，，若裂纹面笔直于外加应力，，，，，，，，则可用张开型平面应变断裂韧性 KIc 来取代 Xc，，，，，，，，这样韧性值便可用于设计中的定量盘算。。。。。我国在 20 世纪 60 年月也开展了类似研究，，，，，，，，后因钛质料暂不必于壳体而中止。。。。。

现代船舶设计履历批注，，，，，，，，结构质料在强度知足要求时，，，，，，，，韧性越高越好。。。。。钛合金在海水条件下的应力侵蚀敏感性会增添，，，，，，，，攻击和断裂韧性显着体现出差别性。。。。。①相同强度品级、差别因素和显微组织的钛合金，，，，，，，，侵蚀疲劳裂纹扩展速率相差凌驾 1 倍，，，，，，，，应力侵蚀断裂韧性 KISCC 相差凌驾 50%，，，，，，，，两者的配相助用，，，，，，，，使得主结构局部疲劳盘算寿命相差凌驾 3 倍。。。。。②相同强度品级、差别牌号钛合金的断裂韧性、攻击韧性相差 1.5~2 倍，，，，，，，，且中、高速变形速率下的变形和断裂特征与低变形速率下的显着差别，，，，，，，，这显著影响了装备在极端工况下的破损模式。。。。。关于深海耐压结构质料的选材设计，，，，，，，，近 α 钛合金的强度是知足深海耐压结构轻量化设计的要害因素，，，，，，，，断裂韧性则是包管深海耐压结构服役清静可靠性的要害因素 [13,17]。。。。。遗憾的是，，，，，，，，钛合金的强度和断裂韧性通常泛起“此消彼长”的关系。。。。。因此，，，，，，，，怎样快速、准确地对近 α 钛合金的断裂韧性举行评价，，，，，，，，以及在包管合金强度的条件下尽可能提高其断裂韧性，，，，，，，，成为未来的重点研究偏向。。。。。

四、质料基础性问题

（一）恒久服役情形下钛合金组织演变与性能衰减纪律

在应力场和侵蚀场的恒久作用下，，，，，，，，钛合金在宏观标准上体现出损伤与断裂加速征象。。。。。关于这一征象的研究：①在介观标准上，，，，，，，，深海唬；；；；；Ｇ樾魏憔米饔孟骂押辖鸲刍ざ谟霞吐扇栽谔剿鳎唬；；；；；；②在微观标准上，，，，，，，，恒久高应力载荷作用下钛合金的微观组织结构演化及其对裂纹加速扩展的影响机制尚不明确；；；；；；；；③在宏观标准上，，，，，，，，主结构用钛合金的载荷 – 时间 – 损伤纪律缺乏足够的数据积累。。。。。因此，，，，，，，，研究并剖析钛合金的组织演变、性能衰减及其微观机制，，，，，，，，关于提升钛合金的损伤对抗能力、深海装备主结构清静性具有主要意义。。。。。

（二）冒犯条件下钛合金动态响应及裂纹萌生扩展机制

深海装备在服役历程中面临着攻击、碰撞等无意征象，，，，，，，，研究差别应变速率下钛合金变形损伤与动态断裂特征，，，，，，，，关于质料性能提升、结构清静优化具有主要意义。。。。。在差别载荷速率下，，，，，，，，钛合金的微观变形机制以及裂纹萌生和扩展方法差别较大，，，，，，，，导致钛合金体现出较显着的宏观力学性能和损伤特征差别，，，，，，，，进而显著影响结构的断裂模式。。。。。现在，，，，，，，，针对钛合金在中、高速动载条件下动态响应及失效机制，，，，，，，，包括微观组织损伤、裂纹萌生扩展、动态断裂韧性等研究正在开展，，，，，，，，同时包括服役情形的动态断裂特征等表征要领等也在举行。。。。。

（三）钛合金在深海耐压结构上应用可能保存的蠕变问题

与结构钢相比，，，，，，，，钛合金在深海耐压结构的应用历程中保存显着的压缩蠕变效应，，，，，，，，降低了钛合金耐压结构的服役可靠性 [18,19]。。。。。蠕变效应主要归因于两方面：①钛合金的弹性模量较低，，，，，，，，约为钢的一半，，，，，，，，导致在遭受相同强度载荷下，，，，，，，，钛合金泛起的弹性应变量约是钢的 2 倍；；；；；；；；②钛合金组织中 α 相为密排六方结构，，，，，，，，保存显着的各向异性和包申格效应。。。。。现在，，，，，，，，关于钛合金蠕变行为的研究，，，，，，，，主要集中在以航空航天航行器为应用配景的高温拉伸蠕变行为方面，，，，，，，，有关深海耐压结构钛合金的压缩蠕变行为的研究较少。。。。。海内正在组织开展钛合金在海水侵蚀介质中、近屈服应力强度水平下的压缩蠕变行为研究，，，，，，，，以尽快展现深海耐压结构钛合金的压缩蠕变损伤机理。。。。。

五、质料工程化要害手艺

（一）大规格板材和配套质料手艺

深海装备耐压结构主要通过对中厚钛合金板材举行曲面成形后组焊而成，，，，，，，，对大规格钛合金板材和配套焊丝质料的制备手艺要求较高。。。。。由于钛及钛合金板坯具有热加工温度区间窄、温降快、高温吸氢吸氧、变形抗力随温度转变大、容易开裂等特点，，，，，，，，因而轧制温度控制要求很是严酷，，，，，，，，导致钛及钛合金中厚板在热轧生产线组建、稳固轧制工艺、提高产品尺寸精度等方面具有一定的难度。。。。。

现在钛及钛合金中厚板材主要使用钢铁加工装备举行生产，，，，，，，，这些轧机生产线是基于钢铁质料的特征来设计的，，，，，，，，缺乏关于钛及钛合金质料生产的针对性设计，，，，，，，，不可很好地顺应钛及钛合金的加热特征和加工特征，，，，，，，，使得制品质量不是十分理想 [20]。。。。。相关单位需要针对钛合金大规格板材性能匀称性、稳固性、批量一致性的手艺难题开展手艺攻关，，，，，，，，研究高性能大规格钛合金板材成形和组织性能优化要领，，，，，，，，增进大规格钛合金板材性能周全升级，，，，，，，，知足深海工程领域的需求并支持其生长 [21]。。。。。

（二）选材和应用审核评价

工程设计和制作要求制订科学的质料评价系统，，，，，，，，有关质料制备、制作和使用方面的质料理化指标及使用性能必需量化可审核。。。。。这方面的基础较薄弱，，，，，，，，成为制约钛合金质料在深海装备应用的主要因素之一。。。。。

思量承压要求，，，，，，，，深海耐压结构的选材设计倾向于更高强度的钛合金质料；；；；；；；；而从载人球壳结构清静性思量，，，，，，，，要求钛合金质料既具有足够的强度，，，，，，，，还要有适当断裂韧性。。。。。许多海难事故都与制作质料断裂韧性储备缺乏有关，，，，，，，，例如“泰坦尼克号”海难就是由于所用钢的低温攻击断裂韧性太低所导致的。。。。。由于深海耐压结构恒久在海水中使用，，，，，，，，还需要计及质料在海水介质中的应力侵蚀临界强度因子。。。。。从制作工艺角度出发，，，，，，，，钛合金质料应具有优异的冲压成形性能和焊接性。。。。。

整体而言，，，，，，，，在质料制备和工艺研究阶段，，，，，，，，需要建设完整的用于耐压结构的钛合金质料评价系统，，，，，，，，明确在质料制备和制作历程中的质料基天性能指标和应用性能审核方法，，，，，，，，确保钛合金质料在制作历程中的质量稳固性，，，，，，，，据此知足装备在恒久使用工况和极限条件下的可靠性要求。。。。。

（三）高效优质制作手艺

深海耐压结构形式主要是环肋圆柱壳体和球形封头结构，，，，，，，，具有结构尺寸大、尺寸精度要求高等突出特点，，，，，，，，而现有钛合金工艺尚无法完全知足要求。。。。。

大型船体结构的焊接事情量占到船厂总装事情量的一半以上，，，，，，，，这充分体现了突破钛合金高效制作手艺的须要性。。。。。

钛合金大厚板焊接要领分为电子束焊接、窄间隙填丝焊接。。。。。电子束焊接自动化水平高、焊接速率快，，，，，，，，具有工期短、工艺稳固、效率高的特点；；；；；；；；但钛合金质料焊缝熔合区冷却速率较快，，，，，，，，焊缝的韧性略低；；；；；；；；受装备条件限制，，，，，，，，大型和重大形状构件的焊缝不易实现。。。。。窄间隙填丝焊接周期长，，，，，，，，对焊接手艺职员的综合素质要求较高，，，，，，，，工艺影响因素多。。。。。现有的工程化手艺效率较低、制作顺应性差 [22]，，，，，，，，需要开发效率更高、更为稳固的高顺应性和智能化钛合金质料焊接手艺。。。。。

海洋情形中的钛合金装备需要配套的其他手艺也需要尽快开展研究。。。。。船体各部件和装备、管路之间的毗连由于质料牌号差别，，，，，，，，不可阻止地保存异种金属的电化学侵蚀问题；；；；；；；；接纳有用的电绝缘或赔偿步伐是工程应用中必需思量的手艺问题。。。。。钛合金质料生物相容性好，，，，，，，，海洋情形中的海生物附着和生长征象会导致管路梗塞、重量增添以及其他不良影响，，，，，，，，需要具有解决长效防污问题的适用手段。。。。。

六、结语

钛合金质料在以载人深潜器为代表的深海装备耐压结构上的乐成使用，，，，，，，，为深海领域的装备选材和立异应用提供了优异树模。。。。。

面临我国未来海洋强国建设需要更多类型钛合金深海装备的趋势，，，，，，，，我们建议：行业部分深化相助与科学分工，，，，，，，，打牢钛合金质料基础研究，，，，，，，，突破用于深海耐压结构的钛合金质料强韧化、耐侵蚀等机理机制，，，，，，，，优化钛合金板材大厚度焊接等工程化手艺，，，，，，，，建设极端工况下的钛合金结构审核评价系统，，，，，，，，化解制约应用的清静可靠性危害。。。。。通过深海装备顶层需求 – 总体设计 – 质料工艺等各个环节的配合起劲，，，，，，，，为加速我国深海领域研究和应用立异涤讪坚实基础。。。。。

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