王華，趙坦，陳妍

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院， 遼寧 鞍山 114009）

深?？臻g站是在載人潛水器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的居住型深海作業(yè)平臺， 是一系列功能不同深潛器的組合體， 包括能夠長期水下部署的大型多功能載人平臺、深海研究潛艇、小型載人深潛器等裝備。作為重要的深海作業(yè)裝備，深?？臻g站受到了海洋強國和軍事強國的高度重視， 并已超前應(yīng)用于軍事目的和國家權(quán)益的拓展和維護。20 世紀60年代，美國提出了水下工作站（即深?？臻g站）概念， 并研制了多型深海潛艇、 載人深潛器裝備。1965 年， 前蘇聯(lián)船舶工業(yè)部成立了深潛裝備設(shè)計小組并開始進行核動力深海空間站的研制工作。20 世紀90 年代，我國也開始在深?？臻g站技術(shù)領(lǐng)域開展相關(guān)論證和關(guān)鍵技術(shù)研究。 在“十三五”規(guī)劃科技創(chuàng)新2030 重大項目和“十四五” 規(guī)劃100個重大項目中，深海空間站項目均名列其中，體現(xiàn)了我國對發(fā)展深海技術(shù)的重視和向大空間深海作業(yè)平臺進軍的戰(zhàn)略意圖。

1 國內(nèi)外深?？臻g站的發(fā)展

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

作為深海空間站的重要組成部分，美國、俄羅斯、日本等國家已在現(xiàn)役潛艇的基礎(chǔ)上，通過多種技術(shù)途徑，發(fā)展新型深海研究潛艇，探索水下作業(yè)、負載攜帶等技術(shù)，滿足水下應(yīng)用需求。表1為國外深?？臻g站或相關(guān)裝備研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀[1]。

表1 國外深?？臻g站或相關(guān)裝備研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀Table 1 R&D Status on Foreign Deep-sea Space Stations or Related Equipment and Status of Their Applications

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國是繼美國、法國、俄羅斯、日本后，第五個掌握大深度載人深潛技術(shù)的國家。 中國的深?？臻g站實施“三步走”計劃。目前，第一步小型深?？臻g試驗艇的研制工作已經(jīng)完成； 第二步深海移動工作站已于2013 年11 月由中船重工702 所完成了試驗型深海移動工作站（龍宮一號）的總裝，并開展了試驗研究， 該小型深海移動工作站工作潛深可達1 500 m， 海底工作時間12～18 h， 載員6人； 第三步， 即最終目標(biāo)是研制1 000 m 工作潛深、可以水下逗留時間60 天、人員編制33 人、具有1 500 噸級和2 500 噸級兩種類型的未來型深海移動空間站。深?？臻g站主體將與水面平臺、穿梭式多功能載人潛水器構(gòu)成“一主兩輔”的三元深海作業(yè)體系。

2 深?？臻g站耐壓殼體用金屬材料

耐壓殼是深海空間站主體結(jié)構(gòu)，為站內(nèi)工作人員創(chuàng)造安全舒適的生存空間。深?？臻g站工作在深海海底，高壓低溫環(huán)境對深?？臻g站耐壓殼體的材料選擇提出特殊要求：不但需要具有較高的屈服強度和彈性模量，以承受靜水壓力以及在服役期內(nèi)的周期性循環(huán)載荷，而且還需要具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，從而抵抗海水的腐蝕。 目前，高強度合金鋼、鈦合金等是深海裝備所使用的主要金屬材料。

2.1 高強度合金鋼

圖1 展示了耐壓殼體用高強鋼的發(fā)展變化趨勢。 為提高鋼的強度、韌性以及焊接性，向減少C含量、 提高Ni、Co、Mo 等合金元素添加量方向發(fā)展，即圖1 所示的由左上向右下變化；同時，利用組織特點實現(xiàn)強度和韌性的平衡。

圖1 耐壓殼體用高強鋼的發(fā)展變化趨勢Fig. 1 Development Trends of High Strength Steels for Pressure Hulls

在耐壓殼用高強鋼的發(fā)展變化過程中，美國、日本、英國、俄羅斯一直致力于建立本國的深海裝備結(jié)構(gòu)鋼體系。美國研制了HY 系列高強度合金鋼（HY80～HY240）、馬氏體時效鋼（18Ni（200、250、300、350））以及HSLA 鋼（HSLA 80 和HSLA 100，分別替代HY80 和HY100）；日本研制了NS 系列高強度合金鋼（NS30～NS110）以及馬氏體時效鋼；英國研制了QT 系列高強度合金鋼（QT28、QT35、Q1N、Q2N）；俄羅斯研制了AK系列高強度合金鋼（AK25、AK27、AK33、AK43、AK44）以及馬氏體時效鋼，我國從20 世紀60 年代后期開始對馬氏體時效鋼進行研制，最初以仿制18Ni 系馬氏體時效鋼為主，70 年代中期開始對強度級別更高的無鈷或低鎳鈷馬氏體時效鋼進行研究， 除此之外， 國內(nèi)潛艇用鋼包括921 鋼和922 鋼， 以及上世紀90 年代開發(fā)出的80 kg/mm2級的980 鋼。

表2～表4 分別為美國、日本、英國高強度合金鋼的化學(xué)成分[2-9]；表5～表7 為美國、日本、英國高強度合金鋼的力學(xué)性能[2-9]。

表2 美國高強度合金鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 2 Chemical Compositions in American High Strength Alloy Steels（Mass Fraction） %

表3 日本高強度合金鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 3 Chemical Compositions in Japanese High Strength Alloy Steels（Mass Fraction） %

表4 英國高強度合金鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 4 Chemical Compositions in British High Strength Alloy Steels（Mass Fraction） %

表5 美國高強度合金鋼的力學(xué)性能Table 5 Mechanical Mechanical Properties of American High Strength Alloy Steels

表6 日本高強度合金鋼的力學(xué)性能Table 6 Mechanical Mechanical Properties of Japanese High Strength Alloy Steels

表7 英國高強度合金鋼的力學(xué)性能（拉伸試驗）Table 7 Mechanical Mechanical Properties of British High Strength Alloy Steels（Tensile Tests）

2.2 鈦合金

鈦合金具有高比強度、低密度、耐高溫、耐腐蝕、無磁、透聲和抗沖擊振動等特點，是具有研發(fā)前景的深海裝備結(jié)構(gòu)材料， 有替代高強度合金鋼的趨勢。 俄羅斯和美國是最早從事海洋工程用鈦合金研究的國家， 其中俄羅斯的研究和實際應(yīng)用水平居世界前列， 形成490～785 MPa 級一系列海洋工程用鈦合金產(chǎn)品， 其耐壓殼體用鈦合金主要是Ti-4Al-2V 和Ti-2Al-2.5Zr[10]；美國從20 世紀60 年代開始研究海洋工程鈦合金技術(shù)，1973 年，利用鈦合金（Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo）替代高強鋼（HY100）建深潛器耐壓殼體，大大提高了深潛器的下潛深度和作業(yè)能力[11]。 20 世紀80 年代和90年代， 日本分別利用超低間隙Ti-6Al-4V 合金建造了下潛深度分別為2 000 m 和6 500 m 的載人深潛器。 我國載人深潛器鈦合金研究工作起步較晚， 但發(fā)展較快， 目前， 已掌握相關(guān)牌號鈦合金（Ti80、TC4）的制備、成型及焊接技術(shù)，可以實現(xiàn)耐壓殼體的自主設(shè)計、研發(fā)與制造。表8 為國內(nèi)外鈦合金板材、成型工藝及材料特性[12]。

表8 國內(nèi)外鈦合金板材、成型工藝及材料特性Table 8 Titanium Alloy Sheet Materials, Forming Processes and Characteristics of These Materials at Home and Abroad

2.3 材料研究中的技術(shù)問題

深?？臻g站以大范圍的深海作業(yè)為目標(biāo)，需要突破載人深潛器僅數(shù)小時的觀察探測限制，另外，空間站的耐壓殼尺寸也要大于現(xiàn)有的載人潛水器，因此，對耐壓殼體的設(shè)計及材料選擇提出了嚴峻考驗。 對于高強度合金鋼，要同時具備高強度、 優(yōu)良的韌性和焊接性以及耐海水腐蝕性能。 鋼材的止裂、焊接接頭的延遲裂紋是必須解決的問題，另外在鋼的成分體系設(shè)計、鋼水的純凈化、焊接時焊道間溫度及線能量等工藝參數(shù)均需進行嚴格控制。 對于鈦合金，在應(yīng)力場和腐蝕場的長期作用下，鈦合金表現(xiàn)的損傷與斷裂加速現(xiàn)象的機理機制尚不明確；對沖撞條件下鈦合金動態(tài)響應(yīng)及裂紋萌生擴展機制還處于研究階段；關(guān)于鈦合金耐壓結(jié)構(gòu)的壓縮蠕變損傷機理的研究較少。

3 深海空間站耐壓殼體用金屬材料的發(fā)展趨勢

用于深?？臻g站耐壓殼體金屬材料的發(fā)展方向和趨勢具體表現(xiàn)為：

（1） 傳統(tǒng)高強鋼以鐵碳為基體，碳元素對鋼的性能影響巨大，依靠碳元素來實現(xiàn)鋼的硬化、強化。 同時，為了確保厚鋼板的強度和韌性，鋼中開始加入Ni、Cr、Mo 等合金元素，隨著鋼的強度級別增高，兼顧高強度和焊接性就變得十分困難。隨著美國研發(fā)的超低碳艦船用鋼HSLA 對HY 系列鋼的替代，近年來，俄羅斯、日本等國也開展了相關(guān)的應(yīng)用研究。 加之超低碳、超純凈鋼冶煉、微合金化和控軋控冷等冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，低碳、銅時效硬化型HSLA 鋼在世界各國得到廣泛應(yīng)用，它代表了新一代艦船用高強鋼的發(fā)展方向。 如何將其適用于深?？臻g站耐壓殼體， 是擺在我們面前的課題。

（2） 馬氏體時效鋼以鐵鎳為基體，C 含量極低，實現(xiàn)硬化、強化的手段是時效產(chǎn)生金屬間化合物沉淀， 使鋼具有超高強度和良好的抗脆性斷裂能力。 目前300 型的強度為2 100 MPa，是綜合性能都滿足使用要求的最高強度鋼，但是，在強度進一步提高的同時，其塑韌性明顯下降，導(dǎo)致材料無法使用 （強度為2 300 MPa 的350 型的塑韌性偏低，強度達到2 800 MPa 級別時塑韌性極低，不能使用）。 因此，如何在大幅度提高鋼材強度的同時保證良好的韌性仍是目前困擾研究人員的問題。

（3） 鈦合金相對較輕，尤其是具有高比強度和耐海水腐蝕性的特性， 使其在深海空間站耐壓殼的建造和使用上顯示出了巨大的優(yōu)勢， 但鈦合金在海水條件下的應(yīng)力腐蝕敏感性會增加， 沖擊和斷裂韌性明顯體現(xiàn)出差異性。 因此，如何快速、準確地對鈦合金進行斷裂韌性評價， 以及在保證強度的前提下如何盡可能的提高斷裂韌性， 是未來的重點研究方向。

（4） 隨著非金屬材料載人艙的使用，出現(xiàn)了復(fù)合材料圓柱形耐壓殼體+金屬材料前后端蓋新型結(jié)構(gòu)形式，在承載和減重方面取得很好的平衡。復(fù)合材料與金屬材料間的結(jié)合， 也將是技術(shù)突破重點。

4 結(jié)語

我國載人深潛領(lǐng)域經(jīng)過近20 年的跨越式發(fā)展，已處于國際領(lǐng)先地位，深?？臻g站是在載人潛水器基礎(chǔ)上發(fā)展的新一代居住型深海作業(yè)平臺，它是深海資源開發(fā)的前沿技術(shù)， 也是一個國家技術(shù)能力的標(biāo)志， 作為深?？臻g站的重要部件--載人艙耐壓殼用金屬材料的研發(fā)和更新?lián)Q代，涉及到大量復(fù)雜的技術(shù)問題，包括材料制備、性能研究、評價、焊接技術(shù)、成型與熱處理技術(shù)等，這些也是實現(xiàn)我國深?？臻g站全部國產(chǎn)化的關(guān)鍵問題。盡快自主研發(fā)出適用于深?？臻g站耐壓殼體金屬材料，成為重要的、亟待解決的難題。