顏家杰,高德峰，廖宇辰,盧泰佑,李夢(mèng)莎, 楊文吒,賈晉軍，姜大鵬

(1.中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院， 廣東 珠海 519082； 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室， 廣東 珠海 519080；3.中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院， 北京 100081；4.中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所， 海南 三亞 572000)

1 引言

水中兵器、水下機(jī)器人、水下(蛙人)輸送器、載人深潛器等新型水下航行器可以用于探測(cè)水下環(huán)境、布放水中兵器、進(jìn)行水下爆破以及追蹤敵方艦艇、航母、潛艇等目標(biāo)，具有重大應(yīng)用價(jià)值。鈦?zhàn)鳛橐环N金屬元素，雖然早在18世紀(jì)就以含鈦礦物的形式在英格蘭康沃爾郡被發(fā)現(xiàn)，但其早期的工業(yè)化進(jìn)程卻相對(duì)緩慢。進(jìn)入20世紀(jì)，從1908年，美國(guó)和挪威用硫酸法生產(chǎn)鈦白，到1910年，鈉法制海綿鈦首次在實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用并獲得成功，都只是鈦的小批量制取。而到了1948年，成噸生產(chǎn)海綿鈦的鎂法制鈦工藝首次在美國(guó)杜邦公司得到應(yīng)用，這才標(biāo)志著鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。鈦的密度為4.51 g/cm，僅為鐵的57.4%。以Ti-6Al- 4V為代表的常用鈦合金強(qiáng)度很高，能夠達(dá)到普通高強(qiáng)度鋼的水平，還有其他類型鈦合金具備更高的強(qiáng)度。鈦及其合金由于密度小、強(qiáng)度高、具有較高的比強(qiáng)度以及其兼具耐腐蝕、無磁、透聲、低溫性能好、抗沖擊振動(dòng)、可加工性好等綜合性能特點(diǎn)，受到了世界各國(guó)材料界和軍方的關(guān)注，在航空、航天、船舶、汽車等行業(yè)已經(jīng)開始得到了應(yīng)用。憑借其優(yōu)異的綜合性能，鈦合金在水中兵器、水下機(jī)器人、水下深潛器、水下直升機(jī)等新型水下航行器上也有著較好的應(yīng)用前景，特別是在大潛深時(shí)，鈦合金的優(yōu)勢(shì)更加明顯。本文基于水下航行器用鈦合金的物理力學(xué)特性，概述了國(guó)內(nèi)外水下航行器用鈦合金的研究和應(yīng)用進(jìn)展，討論了今后水下航行器應(yīng)用鈦合金的技術(shù)發(fā)展方向，為鈦合金在新型水下航行器上的應(yīng)用提供理論和技術(shù)參考。

2 水下航行器用鈦合金發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

水下航行器用鈦合金主要是從艦船(艇)用鈦合金發(fā)展而來，到目前為止，世界上只有美國(guó)、俄羅斯等少數(shù)海洋大國(guó)，以及中國(guó)進(jìn)行專門的水下、水面航行器用鈦合金研究，并各自形成鈦合金體系。俄羅斯憑借前蘇聯(lián)時(shí)期的金屬材料工業(yè)基礎(chǔ)，在艦船(艇)用鈦合金方面的研究、應(yīng)用水平穩(wěn)居世界前列，擁有785 MPa、686 MPa、580 MPa、490 MPa強(qiáng)度等級(jí)的系列船用鈦合金。為便于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，俄羅斯按用途進(jìn)行了分類，如船(艇)體用鈦合金 ПТ-1M、船舶機(jī)械鈦合金ПТ3、3M、37、ПТ-7M以及船舶動(dòng)力工程鈦合金23、37、ПТ-3B、40、5B等。美國(guó)海軍于20世紀(jì)50年代開始注意到鈦及鈦合金用于艦船(艇)工業(yè)的可能性，1963年開始進(jìn)行大量的工程化研究，并成功地將鈦用于各類動(dòng)力的航母、水面艇、潛艇、民用船。美國(guó)主要應(yīng)用的鈦材有：純鈦、Ti-3Al- 4V ELI、Ti-6Al- 4V、Ti-3Al- 4V、Ti-0.3Mo-0.8Ni、Ti-6Al- 4V-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-3Al-8V-6Cr- 4Mo- 4Zr等，這些材料主要用于艦艇的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進(jìn)器軸、彈簧、航母上的消防設(shè)備等。我國(guó)艦船(艇)用鈦合金的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過長(zhǎng)期的摸索和發(fā)展，鈦合金的研究和應(yīng)用水平都有了長(zhǎng)足進(jìn)步，已經(jīng)形成了較為完整的艦用鈦合金系列，能滿足各類型水面、水下艦船(艇)及其相應(yīng)部位對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的需求。在我國(guó)水面、水下艦船(艇)用鈦合金系列中，屈服強(qiáng)度從320～1 100 MPa形成了低、中、高強(qiáng)度的不同等級(jí)，如表1所示。除了常規(guī)艦船(艇)用鈦合金研究，我國(guó)還將針對(duì)航空、航天等領(lǐng)域研制的鈦合金推廣到艦船(艇)和水下航行器上的應(yīng)用研究，同時(shí)在新型鈦合金的創(chuàng)新研制等方面取得了突破，部分新研鈦合金已開始陸續(xù)在各種艦船(艇)、潛航器等裝備上服役，這為擴(kuò)大鈦合金在新型水下航行器方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)際工程應(yīng)用研究方面，近年來，我國(guó)在一些聲吶導(dǎo)流罩、螺旋槳、聲吶掃雷具等裝備上，采用鈦合金制造的最終產(chǎn)品應(yīng)用效果較好。此外我國(guó)鈦合金也廣泛應(yīng)用于潛望鏡、雷達(dá)支座、泵、管、閥、冷卻器、熱交換器等部位，極大提升了艦船綜合性能。我國(guó)研制的新型鈦合金球鼻艏也已經(jīng)得到了應(yīng)用，具有剛性好、強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠、內(nèi)部噪音低、透聲性能優(yōu)異、維修費(fèi)用少等優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)了我國(guó)高性能鈦合金球鼻艏關(guān)鍵技術(shù)空白。為滿足不斷發(fā)展的應(yīng)用需求，當(dāng)前我國(guó)新型鈦合金的研制也非常活躍，其中水下航行器用鈦合金是我國(guó)鈦合金研究和發(fā)展的重要方向之一。

表1 我國(guó)艦船用鈦合金系列規(guī)格

工藝制造能力方面，因其具有高比強(qiáng)度、抗腐蝕、耐高溫、可焊接等良好的性能，鈦合金最早用于制造潛艇的外殼、耐壓艙、內(nèi)部管道系統(tǒng)等。以俄羅斯臺(tái)風(fēng)級(jí)核潛艇為例，一艘潛艇的雙層外殼用9 000 t鈦合金制造，這使其具有了無磁性、大潛深、航速快、噪音小、維修次數(shù)少等優(yōu)良性能。目前，我國(guó)可以自主生產(chǎn)出鈦合金板、環(huán)、餅、棒、管、絲和鑄件等產(chǎn)品，這些原材料為水下航行器用鈦合金的工業(yè)化應(yīng)用提供有力支撐，其中由我國(guó)研制的鈦合金TC4ELI(名義成分：Ti-6Al- 4V，低間隙)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 100 MPa，彈性模量為110 GPa，已成功應(yīng)用于大直徑大潛深載人艙，其需要的板材厚度已經(jīng)超過世界大多數(shù)國(guó)家的軋制工藝水平。圖1 為我國(guó)研制的TC4ELI鈦合金主要技術(shù)參數(shù)。

圖1 TC4ELI鈦合金主要技術(shù)參數(shù)

3 新型水下航行器用鈦合金力學(xué)性能分析

水中兵器、水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)、載人深潛器等新型水下航行器一般都處于高壓強(qiáng)的海水中，需要克服深海高壓帶來的不利影響。隨著作業(yè)深度的增加，水下工作環(huán)境條件對(duì)航行器所承受載荷和壓力的性能要求不斷提升，一旦航行器密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損、泄露，將會(huì)引發(fā)不可估量的后果，所以有必要對(duì)水下航行器密封結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析。TC4ELI鈦合金與常用金屬工程材料的主要力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 常用金屬工程材料與鈦合金力學(xué)參數(shù)

在這些表征材料特性的參數(shù)中，密度是材料的基本屬性之一，可以衡量其單位體積的質(zhì)量大??；另一個(gè)主要參數(shù)是屈服極限，它是材料的一個(gè)主要力學(xué)特性，體現(xiàn)了其彈性變形范圍內(nèi)承受載荷的能力。圖2是以上幾種材料的密度和屈服極限對(duì)比柱狀圖。

圖2 常用金屬工程材料與鈦合金密度及屈服極限柱狀圖

從圖2(a)可以看出6061鋁合金密度最低，Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼和06Cr19Ni10不銹鋼密度最高，說明在同樣的結(jié)構(gòu)或體積條件下，以6061為代表的鋁合金質(zhì)量最輕，而以Q235為代表的碳素結(jié)構(gòu)鋼和以06Cr19Ni10為代表的不銹鋼質(zhì)量最重，單從密度屬性來看，以TC4ELI為代表的鈦合金對(duì)應(yīng)減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面不具明顯優(yōu)勢(shì)；然而從幾種材料的屈服極限對(duì)比圖2(b)可以看出，以TC4ELI為代表的鈦合金在幾種材料中表現(xiàn)更好。

表2中還有一個(gè)表征材料屬性的重要參數(shù)比強(qiáng)度，它是材料抗拉強(qiáng)度與密度之比，比強(qiáng)度越高表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越輕。優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度，才能盡量以較小的截面滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)可以大幅度減小結(jié)構(gòu)體本身的自重。圖3是以上幾種材料比強(qiáng)度曲線。

圖3 常用金屬工程材料與鈦合金比強(qiáng)度曲線

從圖3中可以看出，以TC4ELI為代表的鈦合金有優(yōu)于其他常用工程金屬材料的比強(qiáng)度，有利于減輕水下航行器的整體質(zhì)量，并提升綜合力學(xué)性能。此外鈦合金兼具有較好的韌性，現(xiàn)有技術(shù)條件下，其斷裂韌性K1C值在50 MPa·m以上，有研究表明結(jié)構(gòu)材料在滿足強(qiáng)度要求的前提下，韌性越高越好。

4 新型鈦合金水下航行器應(yīng)用研究進(jìn)展

很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)海軍服役艦艇的耐壓殼體聲納導(dǎo)流罩以及管路系統(tǒng)所采用的材料基本上是碳鋼、鋁合金、不銹鋼。值得注意的是，俄羅斯(前蘇聯(lián))曾經(jīng)也選用過這些常規(guī)材料，但之后大多轉(zhuǎn)為用鈦合金，且最終應(yīng)用效果良好。例如，1968年底建成的K166號(hào)核潛艇，其殼體、管路系統(tǒng)以及其他大量裝置和機(jī)器設(shè)備都用鈦合金制造。以及在20世紀(jì)70年代初曾引起世界廣泛關(guān)注的A級(jí)攻擊型核潛艇，是當(dāng)時(shí)國(guó)際上核潛艇中噸位最小(水下排水量3 120 t)、航行速度最快(水下最大航速41 kn)、下潛最深(下潛深度700 m，極限下潛深度為750 m)的最先進(jìn)的核潛艇，也是采用鈦合金為主要材料完成建造。

俄羅斯以及烏克蘭具有熟練的勞動(dòng)力和精密的試驗(yàn)裝置，并且生產(chǎn)了多個(gè)類型的水下航行器，例如MIR2、URAN-1、MASK-2等，其中，源于太空船的鈦合金等先進(jìn)殼體材料技術(shù)是他們的強(qiáng)項(xiàng)。除了俄羅斯和烏克蘭，其他國(guó)家也相繼在鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域開展研究。美國(guó)從20世紀(jì)60年代開始了鈦合金潛器的研究和應(yīng)用，1981年和1982年建造的“海崖”號(hào)深潛器，就裝備了鈦合金制造的觀察艙和操縱艙。法國(guó)1985年研制的“鸚鵡螺”號(hào)潛水器、日本“深海6500”調(diào)查深潛器、我國(guó)自主研制的“蛟龍”號(hào)載人深潛器和“橙鯊”號(hào)自主水下航行器的主要結(jié)構(gòu)部件都采用鈦合金制造。

鈦合金在我國(guó)大尺度、大潛深航行器研究領(lǐng)域中也取得了新的突破。由于力學(xué)性能好、服役壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本少，鈦合金在潛航器上的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是大潛深裝備殼體材料，不僅需要兼具極高的強(qiáng)度和較好的韌性，而且需要有較好的防腐、透聲、無磁等綜合特性，因此高性能鈦合金材料的研究和應(yīng)用是主要的發(fā)展趨勢(shì)，并且已經(jīng)有了一定的技術(shù)突破。大連理工大學(xué)王雷等提出一種應(yīng)用于水下機(jī)器人的筒式同步型永磁推進(jìn)器的隔離套就是使用鈦合金材料，浙江大學(xué)胡任通過對(duì)不同材料耐壓性能的分析確定鈦合金作為水下滑翔機(jī)耐壓外殼材料，中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)支持下的7 000 m級(jí)深?；铏C(jī)密封頭部端蓋也是使用鈦合金材料。鈦合金在載人深潛領(lǐng)域的表現(xiàn)突出，由我國(guó)自主研制的“深海勇士”號(hào)載人潛水器工作深度最大為 4 500 m，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器下潛深度成功突破7 000 m，“奮斗者號(hào)”載人潛水器(見圖4)在馬里亞納海溝成功問鼎“地球第四極”，坐底深度10 909 m。這幾型潛器的耐壓殼均使用了高強(qiáng)度的鈦合金材料，其他主要結(jié)構(gòu)也采用鈦合金材料制造。可以說鈦合金在當(dāng)前我國(guó)新型水下航行器領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，后續(xù)也將對(duì)高性能航行器的研發(fā)起到積極作用。

圖4 “奮斗者”號(hào)載人潛水器圖

5 展望

近年來，鈦合金在新型水下航行器上的應(yīng)用已引起各國(guó)軍民領(lǐng)域的重視。鈦合金的應(yīng)用有助于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善載荷聲學(xué)、力學(xué)、電磁環(huán)境，延長(zhǎng)裝備使用壽命。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究，我國(guó)已經(jīng)開發(fā)并形成了較為完整的鈦合金系列，并具有較強(qiáng)的工藝制造能力。但是鈦合金在我國(guó)水中兵器、水下機(jī)器人、水下直升機(jī)、水下(蛙人)運(yùn)輸器、載人深潛器等新型航行器上的應(yīng)用研究尚處于起步階段，還具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?，特別是在大尺度、耐腐蝕、超潛深、可靜默等功能屬性的實(shí)現(xiàn)上還存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。未來可在新型鈦合金材料研制，鈦合金鍛壓、軋制、鑄造、焊接等傳統(tǒng)制造工藝創(chuàng)新，3D打印、快速成型等增材制造技術(shù)研究，鈦合金材料評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新，新型水下航行器數(shù)字化仿真及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，推動(dòng)鈦合金在水下航行器應(yīng)用領(lǐng)域取得持續(xù)的技術(shù)突破。

1) 材料研制方面，可以從材料組份元素調(diào)整、制法流程優(yōu)化等方面促成新型鈦合金的譜系完善。

2) 傳統(tǒng)工藝方面，應(yīng)注重鈦合金成型過程中微觀組織控制，鍛壓、軋制、鑄造、焊接等關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定，熱變形工藝的精確控制，以及工藝裝備的革新等。

3) 增材制造是近年來材料成型技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，這種先進(jìn)制造技術(shù)顛覆了人們對(duì)機(jī)械制造的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，鈦合金打印母材的制備、專用成型設(shè)備的研發(fā)、打印參數(shù)的確定、水下航行器部件打印的拓?fù)渑帕?，以及最終零件的拼接等方面技術(shù)需要進(jìn)一步研究突破。

4) 評(píng)價(jià)體系方面，應(yīng)該健全成熟的選材指導(dǎo)準(zhǔn)則，特別是應(yīng)當(dāng)建立供新型水下航行器應(yīng)用方面的鈦材指導(dǎo)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，如可以按照潛深、防腐等級(jí)、透聲要求等指標(biāo)，對(duì)應(yīng)選取的鈦合金系列類型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)定。

5) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，利用航空航天、兵器裝備、車輛工程等領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，以現(xiàn)有鈦合金為工程材料，對(duì)新型水下航行器主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)優(yōu)化和預(yù)報(bào)仿真，充分發(fā)揮鈦合金的力學(xué)特性，從質(zhì)量功能上確保航行器機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性。