中国工程院院刊系列：深海装备耐压结构用钛合(3)

美国采用这类方法评定了几种钛合金材料，以考查对于船体用材的适应性，并参照钢材的破坏分类方法界定了船体用钛的破坏特征。目前已经建立起裂纹临界尺寸（ac）、裂纹体的断裂韧性（Xc）和断裂应力（σf）之间的关系。在平面应变条件下，若裂纹面垂直于外加应力，则可用张开型平面应变断裂韧性KIc来代替Xc，这样韧性值便可用于设计中的定量计算。我国在20世纪60年代也开展了类似研究，后因钛材料暂不用于壳体而中止。

现代船舶设计经验表明，结构材料在强度满足要求时，韧性越高越好。钛合金在海水条件下的应力腐蚀敏感性会增加，冲击和断裂韧性明显体现出差异性。

①相同强度等级、不同成分和显微组织的钛合金，腐蚀疲劳裂纹扩展速率相差超过1倍，应力腐蚀断裂韧性KISCC相差超过50%，两者的共同作用，使得主结构局部疲劳计算寿命相差超过3倍。

②相同强度等级、不同牌号钛合金的断裂韧性、冲击韧性相差1.5~2倍，且中、高速变形速率下的变形和断裂特性与低变形速率下的明显不同，这显著影响了装备在极端工况下的破坏模式。

对于深海耐压结构材料的选材设计，近α钛合金的强度是满足深海耐压结构轻量化设计的关键因素，断裂韧性则是保证深海耐压结构服役安全可靠性的关键因素。遗憾的是，钛合金的强度和断裂韧性通常呈现“此消彼长”的关系。因此，如何快速、准确地对近α钛合金的断裂韧性进行评价，以及在保证合金强度的前提下尽可能提高其断裂韧性，成为未来的重点研究方向。

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材料基础性问题

（一）长期服役环境下钛合金组织演变与性能衰减规律

在应力场和腐蚀场的长期作用下，钛合金在宏观尺度上表现出损伤与断裂加速现象。关于这一现象的研究：

①在介观尺度上，深海环境长期作用下钛合金钝化膜动态溶解愈合规律仍在探索；

②在微观尺度上，长期高应力载荷作用下钛合金的微观组织结构演化及其对裂纹加速扩展的影响机制尚不明确；

③在宏观尺度上，主结构用钛合金的载荷-时间-损规律缺乏足够的数据积累。因此，研究并解析钛合金的组织演变、性能衰减及其微观机制，对于提升钛合金的损伤抵抗能力、深海装备主结构安全性具有重要意义。

（二）冲撞条件下钛合金动态响应及裂纹萌生扩展机制

深海装备在服役过程中面临着冲击、碰撞等偶然现象，研究不同应变速率下钛合金变形损伤与动态断裂特性，对于材料性能提升、结构安全优化具有重要意义。在不同载荷速率下，钛合金的微观变形机制以及裂纹萌生和扩展方式差异较大，导致钛合金表现出较明显的宏观力学性能和损伤特征差异，进而显著影响结构的断裂模式。目前，针对钛合金在中、高速动载条件下动态响应及失效机制，包括微观组织损伤、裂纹萌生扩展、动态断裂韧性等研究正在开展，同时包括服役环境的动态断裂特性等表征方法等也在进行。

（三）钛合金在深海耐压结构上应用可能存在的蠕变问题

近年来，我国在HOV、ROV、AUV、水下滑翔机等方面的研究和应用取得较大进展，部分技

术达到世界先进水平。例如，“蛟龙号”HOV 完成了潜深 1000 m、3000 m、5000 m、7000 m海试，

（四）海底观测网络

与结构钢相比，钛合金在深海耐压结构的应用过程中存在明显的压缩蠕变效应，降低了钛合金耐压结构的服役可靠性。蠕变效应主要归因于两方面：①钛合金的弹性模量较低，约为钢的一半，导致在承受相同强度载荷下，钛合金出现的弹性应变量约是钢的 2 倍；②钛合金组织中α相为密排六方结构，存在明显的各向异性和包申格效应。目前，关于钛合金蠕变行为的研究，主要集中在以航空航天飞行器为应用背景的高温拉伸蠕变行为方面，有关深海耐压结构钛合金的压缩蠕变行为的研究较少。国内正在组织开展钛合金在海水腐蚀介质中、近屈服应力强度水平下的压缩蠕变行为研究，以尽快揭示深海耐压结构钛合金的压缩蠕变损伤机理。

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材料工程化关键技术

（一）大规格板材和配套材料技术

深海装备耐压结构主要通过对中厚钛合金板材进行曲面成形后组焊而成，对大规格钛合金板材和配套焊丝材料的制备技术要求较高。由于钛及钛合金板坯具有热加工温度区间窄、温降快、高温吸氢吸氧、变形抗力随温度变化大、容易开裂等特点，因而轧制温度控制要求非常严格，导致钛及钛合金中厚板在热轧生产线组建、稳定轧制工艺、提高产品尺寸精度等方面具有一定的难度。

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2021/0313/411.html