全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术

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一种重要的焊接方式，可通过对焊丝成分的调整，实现对焊接接头性能的调控。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，而不是全海深［9］。俄罗斯为我国 “蛟龙”号制造的Ti64 ELI钛合金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 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，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/σs）应大于一定值，反映了对材料具有足够塑韧性的要求。（KIC/σs）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［10，11］。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“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。事实上，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钛