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 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. 中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 sphere is definitely the biggest technical challenge for the project”）［1］。 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 载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”（ALVIN）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4500～7000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” 2014 6500 Ti64 ELI 半球整体成形+电子束焊接法国 Nautile 1985 6000 Ti64 两个半球+螺栓连接日本 Shinkai 6500 1989 6500 Ti64 ELI 半球整体成形+电子束焊接苏联 MIR I 1988 6000 马氏体钢 铸造半球+螺栓连接苏联 MIR II 1988 6000 马氏体钢 铸造半球+螺栓连接俄罗斯 RUS 1990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 半球瓜瓣成形+窄间隙焊接中国 蛟龙号 2010 7000 Ti64 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Ti6211（Ti-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）钛合金之后，目前大深度载人球壳的材料全部是Ti64（ELI）。

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载人球壳材料具有得天独厚的优势。 2 载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 Lévêque在

INMARTECH2008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