深海装备耐压结构用钛合金材料应用研究
深海装备耐压结构用钛合金材料应用研究
国内外钛合金深海装备的发展现状，针对深海服役环境特点对耐压结构用钛合金材料的性能要求进行了分 析，介绍了典型装备耐压结构钛合金材料研究应用中出现的应力腐蚀和蠕变等技术问题，提出需要针对钛合金材料长期服役 时存在的组织演变和性能衰减、冲击环境下的动态响应等基础科学问题开展研究，重点梳理工程应用中的大规格材料、应用 评价和高效建造等关键技术。文章建议针对深海领域钛合金装备的迫切需求，进一步加大钛合金材料基础研究和工程化应用 力度，推动创新应用，践行海洋强国战略。
深海装备包括深海作战军事装备、载人 / 无人潜水器、深海空间站与运载平台、水下滑翔机、救生钟等，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”，实现海军向“近海防卫、远海防御”战略转型的基础和保障。
深海条件下，装备的服役工况和功能要求有很多全新特征。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恶劣，甚至接近于材料的屈服点，而装备又需要长期使用和反复上浮下潜；深海条件下的氧含量降低，对材料表面钝化存在显著影响，加速材料的腐蚀或增大开裂倾向。这些环境特征都对耐压结构材料的安全可靠性设计提出了重大要求。钛合金作为一种轻质、耐海水腐蚀性能优异的结构材料，有望解决深海装备普遍存在的浮力储备不足、长期水中使用时结构安全可靠性欠佳等问题。
钛合金材料应用于耐压结构，与传统的钢材相比，其弹性模量、制造工艺、失效形式都有所不同，目前还存在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、 建造和使用的关键技术问题。本文针对深海钛合金装备的发展现状和存在的材料技术问题开展梳理和探讨，以期促进钛合金材料应用过程中的 基础问题研究，通过提升材料韧性和抗蠕变性等关键使用性能，来推动深海装备设计和材料技术的创新发展。
近 α 钛合金和超低间隙 α 钛合金由于具有高的比强度、良好的冷热成型能力、优异的抗海水腐蚀性能和可焊性，应用方面有逐渐替代船体钢、成为大潜深潜艇耐压壳体的主要结构材料的趋势。据 报道 ，苏联率先尝试在潜艇耐压壳体上大量使用钛合金，先后建造了 K-162 号、“阿尔法”级、“麦克”级和“塞拉”级等全钛壳体核动力潜艇。美国虽未建造全钛壳体潜艇，但将钛合金大量应用在潜艇桅杆、紧固件等部件上，以减少艇身重量、 优化性能。
钛合金应用于建造载人 / 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腐蚀性的特性，在减轻结构重量、降低腐蚀防护成本等方面起到极大作用。目前，许多国家开展了钛 合金深潜器的研究和建造工作，领域研究进展显著。
能源是人类生存和发展所需的最重要资源。由于石化能源的日益消耗，寻找新的可替代能源已经成为关注焦点。地球表面约 70% 的区域是海洋，海洋中蕴藏着丰富的油气资源，因此加快勘探和开发深海资源迫在眉睫。我国也明确提出“加快建设海洋强国”的发展战略目标。
海洋开发离不开海上钻井平台、深海探测器等重要作业装备，这些装备服役工况恶劣，长期承受海水腐蚀与海浪冲击。钛合金材料因其独特优势， 有望广泛应用于上述装备制造领域，但成本问题一 直阻碍应用范围的扩展。随着钛合金制备技术的成熟和提升，以及低成本钛合金的研究突破，关于成本因素的顾虑明显降低。美国已将钛合金大范围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腐蚀和疲劳问题；经过综合评估，使用钛合金件已经具有良好的成本经济性。我国在西南油气开采装备研制过程中，较大数量地采用高耐 H2S+CO2 介质腐蚀的钛合金材料，保证耐蚀性的同时大幅减轻装备重量，取得很好的综合收益。
钛及钛合金作为优秀的海洋工程用材料，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体系。俄罗斯海洋工程用钛合金研究及实际应用水平居世界前列，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。美国于 20 世纪 60 年代开始研究海洋工程用钛合金技术，研制出钛合金材料系列， 建立了完整的海洋工程用钛合金应用考核体系。
深海装备长期浸泡在海水中，需要承受极高的海水压力载荷、经受住海水腐蚀的考验。深海装备因其长期服役于深海与海面之间，还需要同时承受进港时的近岸海域以及出海时的浅海与深海等多种 类型海洋环境的考验，进而对结构的安全可靠性、 耐久性、可维修性提出更高要求。在较长的自持条件下还需考虑可能承受的超常规工况，如风暴拍击、 物理撞击乃至爆炸冲击等。因此，全海域、全海深、全天候和长时间的运行和极端环境需求，对钛合金 材料的性能提出了极高要求。
深海装备的设计既要遵循结构力学、流体力学等基础原理，还要结合工程技术发展现状，适应当前的工业化材料制备技术和造船工艺技术。依据深海装备工况特征，立足材料技术体系现状，钛合金材料应满足如下基本要求。
（1）材料强度级别满足结构设计要求。根据设计单位的分析结果，耐压结构材料的强度随着下潜深度的增加需要适度提高。综合考虑结构制造、材料塑韧性和工艺性，材料的强度不宜过高，合金选材设计以近 α 型钛合金为主。
（2）材料在海洋腐蚀环境（如海水、海洋大气等） 下具有良好的塑韧性和抗应力腐蚀特性，抗低周疲劳性能好，满足装备长期使用的安全可靠性以及特殊工况要求。
（3）材料工艺适应性好。匹配船体及船用设备的加工特点，如铸造、锻造、冷热成型，满足低成本钛合金结构件制造工艺要求，可焊性好， 焊后一般无须热处理强化。材料及工艺性能满足舰船设备大型化需求，配套有成型、无损检测等技术。
钛合金材料在以载人深潜器为代表的深海装备耐压结构上的成功使用，为深海领域的装备选材和创新应用提供了良好示范。
面对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：行业部门深化合作与科学分工，打牢钛合金材料基础研究，突破用于深海耐压结构的钛合金材料强韧化、耐腐蚀等机理 机制，优化钛合金板材大厚度焊接等工程化技术， 建立极端工况下的钛合金结构考核评价体系，化解制约应用的安全可靠性风险。通过深海装备顶层需求 – 总体设计 – 材料工艺等各个环节的共同 努力，为加速我国深海领域研究和应用创新奠定坚实基础。
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