全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术

雷家峰，马英杰，杨　锐，吴世军，蒋　磊，丁　抗，李艳青

（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）



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］

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合金材料研究提出了严苛的挑战。

在中国科学院战略性先导科技专项的支持下，《全海深载人球壳材料、设计与制造工艺关键技术》攻关课题组在前期工作基础上，经过近两年的努力，在全厚度板材制备、半球冲压成形、电子束焊接等方面开展了大量的研究工作。试验数据表明，所研制的钛合金材料具有高强、高韧、良好冲压成形和焊接性能。

课题组根据缩比球壳设计结果，利用自主研发的钛合金材料、半球整体冲压成形以及电子束焊接技术制备了全海深（11000米）的载人舱缩比球壳。按照中国船舶重工集团公司第702研究所主编的《全海深载人潜水器载人舱球壳缩比模型试验大纲》，在中国科学院深海工程与技术研究所新建的200MPa压力筒内进行了静水外压试验（图3），通过了全海深压力的考核，表明了该材料球壳可满足全海深压力条件。

图3　静水外压试验完成后全海深缩比球壳出筒

对于全海深载人球壳而言，缩比球壳的水压试验成功仅仅是个开端，后面的路还很长，更大的挑战还有很多。尽管这些难关仍需攻克，缩比球壳的水压试验结果表明我们已经在全海深载人球壳研制道路上迈出了坚实而重要的一步。

5　结束语

作为大深度载人潜水器的核心部件，载人球壳的设计、选材和制造代表着一个国家载人潜水器的技术水平。全海深载人球壳制造更是一项涵盖材料设计、超大厚度板材制备、球壳整体冲压、大厚度钛合金电子束焊接等跨领域的系统性工程，具有很大的技术挑战性。我国4500米载人潜水器项目突破了载人球壳半球整体冲压成形、窄间隙焊接和电子束焊接等关键技术，为全海深载人球壳研制打通了工艺技术路线。中国科学院战略性先导科技专项在全海深载人球壳材料研究方面取得了重要进展，在国家的大力支持下，我们有理由有信心期待全海深载人潜水器研制成功，助力深渊科学研究，巩固我国载人深潜的领先地位。

参考文献

［1］ Woods Hole Oceanographic Institution. ALVIN， The Nation’s deepest diving research submarine， Past， Present，and Future ［N］.

［2］ 崔维成，胡震，叶聪，潘彬彬. 深海载人潜水器技术的发展现状与趋势［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2011，42（Suppl.2）: 13-20.

［3］ Gorynin I.V. Titanium alloys for marine application ［J］. Materials Science and Engineering A， 1999， （263）: 112-116.

［4］ Henkener， J.， Goland， L.， Miller， B. K.， King， R.， Glauser，R.. Concept Development for an Improved 6，500-Meter Alvin Submersible［R］. San Antonio， Texas: Southwest Research Institute， 2004: 31-32.

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［7］ Jean-Pierre Lévêque， Nautile status and trends［C］. Inmartech 2008 proceedings， Toulon， France， 2008.

［8］ Woods Hole Oceanographic Institution ［Z］. Building the next generation ALVIN submersible， Oceanus Magazine ，Online: http://www.whoi.edu.

［9］ 顾继红，廖又名，胡震，（美）伍兹霍尔海洋研究中心.载人深潜器计划探究暨（美）新概念ALVIN号载人深潜器关键技术浅析［J］. 船舶，2008， （2）:8-12.

［10］ 马英杰，刘建荣，雷家峰，刘羽寅，杨锐. TC4ELI合金裂纹尖端塑性区对裂纹扩展的影响［J］.中国有色金属学报， 2009，19（10）：1789-1794.

［11］ Yingjie Ma， Lei Jiafeng， Liu Yuyin and Rui Yang. Characterization of fracture crack tip plastic zone of α/β titanium alloys with lamellar and equiaxed microstructure ［C］. Proceedings of the 13th World Conference on Titanium，San Diego， U.S.A.， 2015.

Material and Fabrication of the Personnel Hull for Full Ocean Depth Submersible

Lei Jiafeng1， Ma Yingjie1， Yang Rui1， Wu Shijun2， Jiang Lei3，Ding Kang3， Li Yanqing4
（1. Institute of Metal Reaserch， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China； 2. State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China； 3. Institute of Deep-sea Science and Engineering，Chinese Academy of Sciences， Sanya 572000， China； 4. China Ship Scientific Research Center， Wuxi 214082， China）

Abstract:In this paper， the personnel hulls of current typical deep manned submersibles were characterized by analyzing the hull materials and fabrication technologies. Owing to their good corrosion resistance and high strength-to-weight ratio， titanium alloys were commonly chosen to make the personnel hull for deep manned submersibles. At present whole hemisphere forging and electron-beam welding represent the advanced manufacturing technologies of the personnel hull fabrication. Based on the above analysis， the material requirement and fabrication technologies for the full ocean depth personnel hull were discussed. Higher strength is required for titanium alloy applied in the full ocean depth personnel hull， while the performance including toughness， thermal forming ability and welding properties of the alloy should also be taken into consideration. Finally， the research progress on titanium alloy and fabrication of the full ocean depth hull were briefly summarized.

Keywords:full ocean depth manned submersible； personnel hull； titanium alloy

中图分类号：P75

文献标识码：A

文章编号：1674-4969（2016）02-0179-06

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00179

收稿日期：2015-12-01； 修回日期： 2016-12-20

基金项目：中国科学院战略性先导专项课题（XDB06050100）

作者简介：雷家峰（1969-），男，研究员，研究方向是结构钛合金材料与工程。Email：jflei@imr.ac.cn