全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术

1、全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术? 全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术 全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术雷家峰 1 ，马英杰1，杨 锐 1，吴世军 2 ，蒋 磊 3，丁 抗 3，李艳青 4 ( 1.国科学院金属研究所，沈阳 110016 ；2. 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027 ；3.中国科学院深海科学与工程研究所，三亚 572000 ；4.中国船舶科学研究中心，无锡 214082 ) 摘 要 : 本文分析了当前典型大潜深载人潜水器载人球壳的选材和制造技术特点。钛合金是 目前大潜深载人球壳所普遍采用的材料，半球整体成形以及 电子束焊接代表着球壳成

2、形的先进水平。讨论了全海深载人 球壳的选材要求及成形技术。对于全海深载人球壳用钛合金， 要求具有更高的强度，并同时具有良好的韧性、热成形性能 以及焊接性能。最后，简要介绍了在全海深载人球壳材料和 制造方面的研究进展。 关键词 : 全海深载人潜水器； 载人球 壳；钛合金 引言 海洋中蕴藏着丰富的人类赖以生存的宝贵 资源，海洋资源的勘探与开发已成为当今世界各海洋强国争 夺资源权利的焦点，同时深渊科学为揭示生命起源、地质变 迁等提供了全新研究空间。潜水器是深海勘探与开发利用必 不可少的装备，在一定程度上代表着一个国家深海勘察与开 发利用的技术水平。载人潜水器因为可以使人亲临深海现场作业，具备了其他潜

3、水器无可替代的优势。但是，其设计、选材、建造等方面都面临更大的技术挑战，因此，载人潜水器被视为海洋工程领域的技术制高点，各海洋强国皆非常重视发展载人潜水器。载人球壳是载人潜水器的核心部件，是科考人员生命安全的保障。其设计、选材与建造涉及多个学科，是研制的难点。美国“新阿尔文”号设计单位 WHOI 的工程师 Anthony Tarantino 说载人球壳绝对是载人潜水器项目中最大的技术挑战（This spheresi definitely the biggesttechnical challenge for the project1。”本）文将分析目前载人潜水器载人球壳在选材、建造方面的主要技术

4、特点及发展趋势，简要介绍中国科学院金属研究所负责的课题组在中国科学院战略性先导科技专项支持下在全海深钛合金载人球壳研制方面的初步工作，探讨研制全海深钛合金载人球壳的技术可行性。 1 大深度载人潜水器载人球壳的选材人潜水器的发展已经有 50 多年的历史，关于不同阶段发展的载人潜水器情况可参阅文献2。目前，具有代表性的大深度载人潜水器有法国的“鹦鹉螺”（ Nautile ）号、前苏联的“和平I ” MIR I ）号和“和平II ”（MIR II ）号以及后来发展的“俄罗斯” RUS ）号和“领事” CONSUL ）号、日本的“深海6500” （Shinkai 6500 ）、美国的“阿尔文”（ALV

5、IN ）号和“新阿尔文”（NEW ALVIN ）号以及中国的“蛟龙”号。以上潜水器的设计下潜深度为 45007000米。当代代表性的大深度载人潜水器球壳的选材及建造方案列示于表1 。 表 1 典型大深度载人潜水器及其球壳材料及建造方案2，4-7 国家名称 起用时间 设计深度（米）球壳材料建造方案美国 ALVIN 1974 4500 Ti6211半球整体成形 +气体保护焊美国 New “ ALVIN” 20146500 Ti64 ELI 半球整体成形 + 电子束焊接法国Nautile1985 6000 Ti64两个半球 +螺栓连接日本 Shinkai 6500 1989 6500Ti64 ELI

6、半球整体成形 +电子束焊接苏联 MIR I 19886000 马氏体钢 铸造半球 +螺栓连接苏联MIR II 19886000 马氏体钢 铸造半球 +螺栓连接俄罗斯RUS1990 年代后期 6000 钛合金 半球瓜瓣成形+窄间隙焊接俄罗斯 CONSUL 1990 年代后期 6000钛合金球瓜瓣成形 +窄间隙焊接中国蛟龙号 20107000Ti64 ELI半球瓜瓣成形 +窄间隙焊接 从表 1 可以看出，当 代大潜深的载人球壳除苏联的 MIR I 和 MIR II 采用钢外，其 他均采用了钛合金，而且，俄罗斯随后研制的 6000 米级“俄 罗斯”号和“领事”号也采用了钛合金。虽然各国设计的大深度

7、载人潜水器的技术特点各不相同，但载人球壳材料选用钛合 金是一致的。选用的钛合金有 Ti64 （Ti-6Al-4V ）及 Ti6211Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo ）两种中强钛合金。在美国后来放弃了 Ti6211 钛合金而选用 Ti64 ELI ( exra-lowinterstitial ) 相比于钢铁材料，钛合金具有优异的抗海水腐蚀性能，包括 抗静态腐蚀及抗循环加载条件下的动态腐蚀，更加适合于海 洋应用环境 3。此外钛合金还具有较高的比强度，作为球钛合金之后， 目前大深度载人球壳的材料全部是Ti64(ELI )。壳材料能大幅度降低球壳的重量，增加其有效载荷，因此钛 合金作为大深度

8、载人球壳材料具有得天独厚的优势。人潜水器载人球壳成形技术 目前以金属为主体材料的大深 度载人球壳是通过将两个半球连接成一个整体球壳。半球成 形有 3 种形式：铸造、整体冲压和瓜瓣拼焊。两个半球连接 形式有两种方式：螺栓连接，焊接连接。苏联的 MIR I 及MIR II 号载人球壳建造是采用马氏体钢铸造两个半球而后螺 栓连接的方式。据 Jean- Pierre L e v e q在eINMARTECH2008 会议上的报告 7，法国“鹦鹉螺”号载人球壳也是将两个钛合金半球采用螺栓连接而成。苏联在后来 建造的“俄罗斯”号和“领事”号以及俄罗斯为我国“蛟龙”号建 造的载人球壳采用钛合金材料，锻造成多

9、个瓜瓣状的坯料， 将多个锻造成形的瓜瓣采用窄间隙焊接技术拼焊成两个半 球，再将两个半球焊接成整球。瓜瓣拼焊球壳建造工艺方案 只有俄罗斯采用，而美国和日本均采用大厚度板材冲压成整 体半球，两个半球的连接采用电子束焊接技术。后者工艺能 够避免铸造缺陷，并最大限度地减少焊缝长度，减少球壳的 变形和扭曲，提高球壳的安全性及可靠性。随着大厚度板材 制备水平的提高及电子束焊接技术的不断发展，采用半球整体冲压而后电子束焊接赤道环缝逐渐成为先进且稳定可靠的成形方式。美国“新阿尔文”号载人球壳可以说是当今世界上最先进的载人球壳。下面以美国的“新阿尔文”号为例，简要介绍球壳制造过程 1 ， 8。 “新阿尔文”号钛

10、合金球壳由 两个半球通过电子束焊接而成，每个半球由一个重约 8 吨的Ti64 ELI 铸锭制备得到。铸锭经多火次开坯锻造，制备出两 个直径 3.3m 、厚度 100mm 的饼材（图 1a ），再分别将两个 饼材模锻成两个半球坯料（图 1b ）。将半球坯料精密加工成 半球（图 1c ），为严格控制半球尺寸，防止机加工过程中发 生变形，半球加工需经过退火消应力处理。机加工好的两个 半球通过高能电子束技术焊接成球壳 （图 1d ）。 球壳焊接方 面，美国和日本采用电子束焊接技术，而俄罗斯采用窄间隙 填丝焊接技术。添加焊丝的窄间隙焊接是除电子束焊接外另种重要的焊接方式，可通过对焊丝成分的调整，实现对焊

11、 接接头性能的调控。电子束焊接与窄间隙焊接各有优势，电 子束焊接的自动化程度高、焊接速度快，具有工期短、工艺 稳定及效率高的特点，但焊缝熔合区冷却速度较快，焊缝的 韧性略低，有时受设备条件限制，复杂形状构件的焊缝不易 实现；而窄间隙焊接的周期长，不排除人为因素的影响，其 工艺稳定性较低，但可以通过对焊丝成分的调控来实现焊缝力学性能的优化。总体而言，在可以实现的情况下，电子束焊接是钛合金载人球壳焊接的首选工艺。图 1 “新阿尔文”号钛合金球壳制造过程a） 圆形板坯料；（ b） 冲压后的半球；c ） 机加后的半球；（d）焊接后的整球 3全海深载人球壳选材的思考如 果采用 Ti64 钛合金制造全海深

12、载人球壳将显著增加球壳重 量，加之全海深浮力材料比重的增大，导致潜水器太重，从 而也降低潜水器可操纵性和作业能力。 因此采用 Ti64 钛合金载人球壳的“新阿尔文”潜水器下潜深度定为 6500 米，而不是 载人球壳设计下潜深度为 7000 米。由此也可推断，由于不 同国家设计理念的不同， Ti64 钛合金可以使用于 6500 7000 米级的下潜深度， 而不能再胜任全海深 （约 11000 米） 载人球壳的需要。 随着科学家对深渊研究的不断深入，制 造全海深载人潜水器覆盖 100 海域已被各海洋强国提上日 程。美国 DOER Marine 公司、 Triton 公司、 Hawkes Ocean

13、全海深9。俄罗斯为我国蛟龙”号制造的Ti64 ELI钛合金Technologies 公司以及日本正在加紧全海深载人潜水器的 研制。从目前能够获得的全海深载人潜水器设计构想资料来 看，如美国 Triton 公司的 Triton36000/3 （图 2a ）和日本Shinkai12000 （图 2b ）等，虽然他们设计的外形和尺寸各不 相同，但载人舱都有一个共同特点，即设想部分或全部采用 类似玻璃的透明材料。与钛合金材料相比，该类材料具有超 高的强度，但塑韧性及延展性很差。目前看来，国内满足全 海深载人舱的类玻璃的透明材料尚无成熟的制造工艺。此外，陶瓷罐在 Kermadec 海沟近万米深海中崩溃可

14、能是造成2014 年 5 月美国“海神”号潜水器失事原因的猜测， 更增加了 人们对使用超高强度但塑韧性很差的非金属材料制造全海 深载人球壳的担心。如果有合适的高强高韧钛合金材料，使 用钛合金建造全海深载人球壳不失为一种务实可靠的选择。图 2 两个全海深载人潜水器结构示意图(a)美国 Triton36000/3 ; (b)日本深海 12000 从 7000 米 到 11000 米全海深，压力陡增 60 以上，对球壳的承压能 力绝对是严酷的考验，也是选材的最大难点。因此，从承压 要求考虑，全海深球壳的选材一定需要更高强度的钛合金材 料。 从载人球壳结构安全性考虑，要求钛合金材料具有足 够强度的同时

15、，还要有适当塑韧性。拉伸延伸率、平面应变 断裂韧性等是反映金属材料塑韧性的重要参数。为了提高安 全可靠性，航空、船舶结构件选材时，规定材料的平面应变断裂韧性与屈服强度的比值(KIC/ a s)应大于一定值，反映了对材料具有足够塑韧性的要求。(KIC/ a s)代表着材料的临界塑性区尺寸(ac)，公式(1)为材料的临界塑性区尺寸 的表达式。较大的塑性区范围将提高材料吸收外界做功的能 力，并避免塑性区范围较小导致的脆性断裂。此外较大的塑 性区范围还能够提高裂纹闭合程度，从而提高材料的抗疲劳 裂纹扩展能力 10， 1 1 。因此对于载人球壳材料的选择除 应考虑其强度外，塑韧性特别是断裂韧性也是重要的

16、参考值。对于海水中使用的材料，还要考虑材料在海水介质中的应力 腐蚀界限强度因子 （KISCC ）。 从载人球壳建造工艺考虑， 还需要钛合金材料具有良好的冲压成形性能和焊接性能等。总之，全海深载人球壳选用钛合金需要高强、高韧、良好冲 压成形及焊接性能等综合性能。 4 全海深钛合金载人球壳 研制的探索 全海深载人球壳的研制关键点有材料、设计及 制造工艺。如前文所述，美、日等国的载人球壳采用半球整 体冲压成形，而后电子束焊接两个半球对接的赤道环缝。俄 罗斯的“俄罗斯”号和“领事”号载人球壳以及俄罗斯为我国制 造的“蛟龙”号载人球壳采用了瓜瓣拼焊方式制造成半球，而 后两个半球对焊成球壳。可见，虽然我国

17、“蛟龙”号保持着国 际上同类作业型载人潜水器下潜深度最大的记录，但是，我 国载人球壳的制造技术尚属空白。在我国科学家的努力和政 府的大力支持下， 4500 米载人潜水器载人球壳研制项目立 项。项目在载人球壳加工与焊接技术等方面获得重大突破， 全部实现国产化，为全海深载人球壳研制打通了工艺路线。中国科学院部署的全海深载人球壳的研制工作正是以该项目的工艺路线为基础开展的。载人球壳制备工艺路线打通后，满足全海深压力的钛合金球壳材料就成为全海深 载人球壳研制的关键。众所周知，金属的强度与塑韧性通常 是一对矛盾因素。强度的提升通常伴随着塑韧性降低，甚至 成形性能和焊接性能也相应降低。这对全海深载人球壳用

18、钛合金材料研究提出了严苛的挑战。在中国科学院战略性先导科技专项的支持下， 全海深载人球壳材料、设计与制造 工艺关键技术攻关课题组在前期工作基础上，经过近两年 的努力，在全厚度板材制备、半球冲压成形、电子束焊接等方面开展了大量的研究工作。试验数据表明，所研制的钛合金材料具有高强、高韧、良好冲压成形和焊接性能。课题组根据缩比球壳设计结果，利用自主研发的钛合金材料、半球整体冲压成形以及电子束焊接技术制备了全海深（11000米）的载人舱缩比球壳。按照中国船舶重工集团公司第702研究所主编的全海深载人潜水器载人舱球壳缩比模型试验大纲，在中国科学院深海工程与技术研究所新建的200MPa压力筒内进行了静水外

19、压试验 （图 3），通过了全海深压力的考核，表明了该材料球壳可满足全海深压力条件。水外压试验完成后全海深缩比球壳出筒 对于全海深载人球 壳而言，缩比球壳的水压试验成功仅仅是个开端，后面的路 还很长，更大的挑战还有很多。尽管这些难关仍需攻克，缩比球壳的水压试验结果表明我们已经在全海深载人球壳研 度载人潜水器的核心部件，载人球壳的设计、选材和制造代 表着一个国家载人潜水器的技术水平。全海深载人球壳制造 更是一项涵盖材料设计、 超大厚度板材制备、 球壳整体冲压、 大厚度钛合金电子束焊接等跨领域的系统性工程，具有很大 的技术挑战性。我国 4500 米载人潜水器项目突破了载人球制道路上迈出了坚实而重要的

20、f匕步。5 结束语 作为大深壳半球整体冲压成形、窄间隙焊接和电子束焊接等关键技术，为全海深载人球壳研制打通了工艺技术路线。中国科学院战略性先导科技专项在全海深载人球壳材料研究方面取得了 重要进展，在国家的大力支持下，我们有理由有信心期待全 海深载人潜水器研制成功，助力深渊科学研究，巩固我国载 人深潜的领先地位。 参考文献 1 Woods HoleThe Nation ' s deepestOceanographic Institution. ALVINdiving research submarinePast ， Present ， and FutureN . 2 崔维成，胡震，叶聪，

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26、id Power and Mechatronic SystemsZhejiang University ， Hangzhou 310027 ， China ； 3.Academy of Sciences ， Sanya 572000 ， China ； 4. ChinaShip Scientific Research Center， Wuxi 214082 ， China )Abstract: In this paper ， the personnel hulls of current typical deep manned submersibles were characterized by analyzing the hull materials and fabrication technologies.Owing to their good corrosion resistance and highstrength-to-weight ratiotitanium alloys were commonlychosen to make the personnel hull for deep manned sub