一、深海工程材料國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 深潛器載人耐壓殼體材料

深潛器（又稱為潛水器）是深海探測、開發(fā)必不可少的裝備。其中，載人潛水器因為可以使科考人員親臨深海現(xiàn)場作業(yè)，具備其他潛水器無可替代的作業(yè)特點。與無人潛水器相比，載人潛水器在設(shè)計、選材、建造等方面都面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，被視為深海工程領(lǐng)域的技術(shù)制高點。載人球殼是潛航員生命安全的保障，其設(shè)計、選材與制備涉及多個學科，是載人潛水器的核心部件。圖1中列出了世界上不同時期研制的主要載人潛水器及其載人艙殼體特征，包括載人艙乘員人數(shù)、材料屈服強度級別和材料類別。

國際上（a）及中國（b）在不同時期研制的主要載人潛水器及其載人艙殼體特征

1.2 深潛器設(shè)備儀器耐壓殼體材料

深潛器攜帶的觀測探測儀器要通過耐壓殼體來抵抗巨大的靜水壓力。相比于載人耐壓殼體，設(shè)備儀器耐壓殼體材料更強調(diào)成本及結(jié)構(gòu)減重，因此鈦合金、鋁合金以及具有更高抗壓強度的陶瓷均被應(yīng)用于設(shè)備儀器耐壓殼體。鋁合金、鈦合金等金屬的比強度低于陶瓷，但金屬材料基本不會發(fā)生類似陶瓷的脆性斷裂，因此金屬結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)于陶瓷殼體。當耐壓艙體使用深度較小并且使用周期不超過6個月時，低密度、低成本鋁合金具有一定應(yīng)用優(yōu)勢。反之，當使用周期較長、深度較大時，具有更高比強度及耐腐蝕性能的鈦合金成為必選。

二、深海工程材料技術(shù)發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)

一代材料，一代裝備，材料是裝備的基石。新材料技術(shù)的發(fā)展主要以裝備的應(yīng)用需求為牽引。深海裝備總體向著大型化、大深度、長周期、全海域、多功能、無人化等方向加快發(fā)展，對材料的核心性能、大規(guī)格制備、長壽命服役、寬溫域適應(yīng)性、多功能特性等提出了更高的綜合要求。

2.1 深潛器耐壓殼體材料

與航空航天裝備類似，深潛器對結(jié)構(gòu)減重的需求是永恒的。減重帶來的效益顯著，可增大海洋探測裝備的航行靈活度、增大下潛深度、減少浮力材料用量、降低能源消耗、提升裝備作業(yè)周期，為此高強度鈦合金、輕量化復合材料殼體具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。相比于金屬耐壓殼體，有機玻璃殼體在顯著擴大觀測視角方面具有明顯的優(yōu)勢。深海工程新材料的核心性能優(yōu)化、大規(guī)格低缺陷制備、應(yīng)用技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計等均面臨相應(yīng)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

鈦合金殼體

目前鈦合金仍然是深海耐壓殼體的主體材料。深海裝備的大型化、大深度等技術(shù)水平不斷提升，對鈦合金性能及制造工藝提出了更高的要求，鈦合金材料面臨的機遇及挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下4個方面。

（1）高強鈦合金逐漸獲得應(yīng)用，強度韌性匹配是瓶頸。耐壓殼體的結(jié)構(gòu)減重設(shè)計要求采用更高強度鈦合金，然而強度升高往往導致韌性降低、降低結(jié)構(gòu)的可靠性及服役壽命，優(yōu)化鈦合金強度、韌性匹配是關(guān)鍵。以往中國高性能鈦合金的研發(fā)及應(yīng)用主要圍繞航空、航天兩大領(lǐng)域，鈦合金的材料體系、性能及制造技術(shù)均以滿足航空、航天要求為主，而海洋服役環(huán)境對鈦合金材料性能及制造技術(shù)提出了特色鮮明的要求，特別是對沖擊韌性要求更高。中國科學院金屬研究所近期研發(fā)了屈服強度1000、1200 MPa強度級別的高強高韌鈦合金，小批量制備了深淵原位科學實驗站用鈦合金殼體、深淵滑翔機鈦合金殼體，基本替代了800 MPa的Ti64合金，如圖所示。值得一提的是，1200 MPa基本上與目前航空鈦合金大型承載結(jié)構(gòu)的屈服強度的zui高水平相當，進一步提升深海工程鈦合金的強度韌性匹配難度較大。雖然高強韌鈦合金應(yīng)用可以帶來顯著的減重效益，但受制于制備技術(shù)難度、配套的制造工藝以及規(guī)模應(yīng)用成本等綜合因素，尚未在中國深海裝備上實現(xiàn)系統(tǒng)化、規(guī)?；瘧?yīng)用。

深淵原位科學實驗站用體系化結(jié)構(gòu)鈦合金材料

（2）深海工程寬幅超厚鈦合金板材、超大尺寸環(huán)形件的需求日益突出，配套技術(shù)與裝備瓶頸凸顯。海洋裝備大型化、整體化建造對結(jié)構(gòu)材料的規(guī)格尺寸具有較高要求。以鋼為例，大潛深裝備采用的鋼板其寬度可超過4 m、厚度可達200 mm，單張板材重量達到20 t。“十三五”期間，中國研制了寬度3 m、厚度120 mm、單重約8 t的鈦合金板材，應(yīng)用于“奮斗者”號潛水器。然而，目前中國尚未突破與海洋用鋼規(guī)格相當?shù)膶挿疋伜辖鸢宀幕虺蟪叽玮伜辖瓠h(huán)形件制備技術(shù)，同時，也缺乏與大規(guī)格鈦合金坯料制備配套的工程硬件裝備，這些技術(shù)與裝備“短板”成為海洋工程“鈦替代鋼”過程中的關(guān)鍵瓶頸。

（3）大型鈦合金耐壓殼體建造迫切需求高質(zhì)量、高效率、全自動焊接技術(shù)。焊接是制造深海大型鈦合金耐壓殼體必不可少的工藝方法，通常包括氣體保護窄間隙焊接、真空高能束如電子束焊接。對于制造直徑3 m、厚度50 mm的大型鈦合金耐壓殼體，采用逐層堆積的窄間隙焊接施工周期漫長，單個環(huán)縫焊接花費數(shù)月。真空電子束焊接效率大幅度提升，但對焊接真空環(huán)境要求苛刻。目前超大規(guī)格結(jié)構(gòu)采用真空電子束焊接工程化實施難度極高，將成為下一步制約超大規(guī)格鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)制造的瓶頸技術(shù)。激光焊接具有更為靈活的操作性，并且對真空度要求低，隨著大功率激光器技術(shù)的快速發(fā)展，激光焊接在大厚度鈦合金高效率焊接方面具有應(yīng)用潛力，然而目前尚未系統(tǒng)建立大厚度鈦合金激光焊接方法及配套裝備。

（4）粉末熱等靜壓、增材制造為深海工程復雜鈦合金結(jié)構(gòu)提供了新的工藝途徑。除鍛造成型外，為了滿足復雜結(jié)構(gòu)部件高質(zhì)量、高效率、高可靠性的制備需求，中國科學院金屬研究所聯(lián)合上?？萍即髮W采用增材制造（3D打印）、粉末熱等靜壓工藝研制了多種深海工程鈦合金部件，如圖所示。其中，基于高過冷度成分設(shè)計思路及高強鈦合金強韌化方法，研發(fā)了適于3D打印工藝的弱織構(gòu)、等軸晶鈦合金成分體系，實現(xiàn)了3D打印鈦合金優(yōu)異的強度、塑性匹配及力學性能各向同性，進一步利用3D打印技術(shù)制備了深海機械手、補償器耐壓殼體，相關(guān)部件將應(yīng)用于深淵原位科學實驗站的集成及海試。粉末熱等靜壓技術(shù)可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)部件無焊縫一體化成型，避免了焊接結(jié)構(gòu)力學性能短板。通過優(yōu)化等靜壓模具及熱等靜壓工藝參數(shù)，進一步制備了高強鈦合金耐壓殼體，通過了設(shè)計的靜水外壓試驗，也將應(yīng)用于深淵原位科學實驗站的集成及海試。

深淵原位科學實驗站用體系化鈦合金部件制備技術(shù)

三、結(jié)束語

在“蛟龍”號、“深海勇士”號載人潛水器的基礎(chǔ)上，通過“奮斗者”號載人潛水器研制的總體牽引，中國深海工程材料研究及應(yīng)用取得了突破性、系統(tǒng)性進展。隨著海洋強國戰(zhàn)略的加快實施，深海觀測探測裝備水平將不斷提升，以滿足常態(tài)化、多功能深海作業(yè)需求。深海工程材料作為裝備基石，其核心基礎(chǔ)作用將進一步得到體現(xiàn)。隨著國家重點研發(fā)計劃“深海和極地關(guān)鍵技術(shù)與裝備”等重大項目的實施，中國深海工程材料將再上新臺階，進而推動中國深?？茖W和工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，促進具有國際影響力科學研究成果的產(chǎn)出，保障深海安全核心技術(shù)的自主可控，為國家深海探測、保護、開發(fā)提供利器。

致謝：作者與中國科學院理化技術(shù)研究所張敬杰、中國科學院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心王功、中國船舶科學研究中心姜旭胤進行了有益的討論，在此一并致謝。（本文轉(zhuǎn)載）