【扩大钛应用】钛与万米载人深潜的“奋斗者”

2021年11月02日 16:8 26624次浏览 来源:   分类: 钛应用   作者:

美国的“艾文”号

深海潜水调查船

美国海军的“艾文(Aivin)”号深海潜水调查船19657月下水,其压力壳体采用34mm高强钢Hy-100板制造,而高压容器和构架则是铝合金的,可潜深度1830m,它是一条用母船搭载的高性能自潜水调查船,载于专用专援母船“卢勒”(Lulu)号上。“艾文”号调查船还配备有4个钛合金浮力球,1968年,“艾文”号因事故沉没后,1969-1973年,用Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mn钛合金重造了“艾文”号,壳体改用近α型4.9mm钛合金板制造,外径2.1m。球形壳体由两个热压半球氩弧焊接而成。浮力球Ti-6Al-4V ELI合金制造,外径610mm,壁厚10mm,外部构架为工业纯钛型材氩弧焊的,还用了一些Ti-3Al-2.5V合金无缝管。“艾文”号潜水深度由过去的1830m上升到3600m1982年,美国把上世纪60年代造的2000m级的“海崖”号(Seacliff)改造为6100m深潜器,其耐压壳体也是用Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mn钛合金打造的。

日本Shinkai 2000”号调查船

日本Shinkai 2000”号深潜船属日本科学技术厅,交海洋科学技术中心使用,三菱重工业公司神户造船厂建造,1981年下水,用于海洋资源调查和科学考察,是一条由母船“夏岛”号搭载的自潜式调查船,可下潜2000m。在直径2.2m的球形耐压舱内,可乘坐正副操控员各1名,观察者1名。耐压舱前方装有进行精细观察和取样的窥视孔、水中投光器、水中电视摄相机、机械手、取样容器等。一次标准调查时间为8h,因为舱内的空气净化等维持生命的装置仅能提供8h。潜航动力来自高能量密度的Ag-Zn二次电池。该船装于母船上,而且小巧轻量化,以达到机动灵活。日本还制造了10000m级无人深海调查船。

法国国家海洋开发中心研制的6000m级深水调查船“SM97”号的耐压壳体也是用Ti-6AI-4V ELI合金制造的。

中国“奋斗者”号

勇闯深海10909m

建设科技强国是中华民族的伟大梦想,也是广大科技人员孜孜以求终生的奋斗目标,一代代科技人员风雨兼程,砥砺前行,以满腔热情奉献聪明才智与心血,写就了一篇又一篇攀登科技高峰的动人篇章。“奋斗者”号勇闯太平洋西北部的马里亚纳海沟,于20201110812分下潜10909m到达底部,实现了进入万米洋底的世界壮举,圆满完成了“奋斗者”号万米级载人深潜试验。

“奋斗者”号是万米级全海深载人潜水器,不仅要实现全海深进入,还要成为重要的科考平台,可乘载3人,是“十三五”期间的国之重器,必须在2020年完成,载人舱是全钛合金的,钛合金由中国科学院沈阳金属研究所(以下简称“金属所”)研发,舱的设计与制造由中科院沈阳自动化研究所、中国船舶集团第725研究所(以下简称“725所”)负责,钛合金材料生产由金属所牵头,同宝钛集团股份有限公司、725所联合攻关。各单位突破自我、精诚合作,按时、保质、保量完成了任务,在钛合金锭质量、板材宽度与厚度等技术指标均打破国内纪录,电子束焊接技术世界领先,并研发出有自主知识产权的Ti62A合金。

Ti62A合金在华夏大地面世

“奋斗者”号载人舱搭载3人,下潜万米,需要承受110MPa的水压,相当于2000头大象同时踩在一个成年人背上,因此,研发能承受这么大压力的钛合金绝非易事,而且,中国的一些钛合金研究单位及金属所钛合金研究部的工作多集中在航空航天领域,几乎没有涉及海洋工程,这项工作“前无古人”。国外的经验也少,仅美国的双人钛合金舱下潜过万米。3人舱比2人舱大,对材料性能要求也更高。近30年来,世界上几乎全部深潜器载人舱都是用Ti-6AI-4V合金制造的,它有中等强度和高的韧性,是一种很成熟的钛合金。但金属所杨锐团队通过多方计算的结论是,对建造承受万米深度海水压力的3人球舱来说,Ti-6Al-4V合金的强度是不够的,于是他们放弃了Ti-6Al-4V合金,转而研发韧性与Ti-6Al-4V合金相当的Ti 62222合金,这是一个美国合金,成型于上世纪80年代,但由于存在一些难以克服的缺陷,便不再使用了。金属所曾对此合金做过15年的研究,对它的方方面面了如指掌,于是,研究团队在Ti 62222合金基础上,淘汰了合金原有的1-2个合金化元素,换上了新的合金化元素,从而,中国原创的Ti62A合金诞生了。

通常,合金的强度与韧性是冤家对头,呈倒置关系,要研发一种既有高的强度又有不错韧性的合金绝非易事,可是,杨锐团队研发的Ti62A就是这样的一个两全其美的钛合金,中国原创的新型钛合金在金属所诞生了。“奋斗者”号可在太平洋最深处马里亚纳海沟自由行动、采样与调查,中国的又一个世界第一将永载世界海洋开发史册。

Ti62A合金的韧性和可焊性与Ti-6AI-4V合金的相当,强度提高20%Ti62A合金最大厚度宽幅板材的显微组织呈复合片层状,这是中国首创,这种显微组织的制备是团队中的马英杰研究员实现的,正是因为Ti62A合金宽厚板有了这种显微组织,用它焊接的3人承裁“奋斗者”号壳体才有了如下的性能:与传统组织的材料相比,强度提高5%,塑性提高15%,断裂韧性提高10%,裂纹扩展速率却只有传统显微组织材料的1/5-1/2,下降的幅度十分惊人。

20201128日,完成万米下潜突破的“奋斗者”号返航,证明了金属所研发的Ti62A钛合金的优越性。

责任编辑:杨一鸣

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