中国工程院院刊系列：深海装备耐压结构用钛合(4)

目前钛及钛合金中厚板材主要使用钢铁加工设备进行生产，这些轧机生产线是基于钢铁材料的特性来设计的，缺乏对于钛及钛合金材料生产的针对性设计，不能很好地适应钛及钛合金的加热特性和加工特性，使得成品质量不是十分理想。相关单位需要针对钛合金大规格板材性能均匀性、稳定性、批量一致性的技术难题开展技术攻关，研究高性能大规格钛合金板材成形和组织性能优化方法，促进大规格钛合金板材性能全面升级，满足深海工程领域的需求并支撑其发展。

（二）选材和应用考核评价

工程设计和建造要求制定科学的材料评价体系，有关材料制备、建造和使用方面的材料理化指标及使用性能必须量化可考核。这方面的基础较薄弱，成为制约钛合金材料在深海装备应用的重要因素之一。

考虑承压要求，深海耐压结构的选材设计倾向于更高强度的钛合金材料；而从载人球壳结构安全性考虑，要求钛合金材料既具有足够的强度，还要有适当断裂韧性。许多海难事故都与建造材料断裂韧性储备不足有关，例如“泰坦尼克号”海难就是由于所用钢的低温冲击断裂韧性太低所导致的。由于深海耐压结构长期在海水中使用，还需要计及材料在海水介质中的应力腐蚀临界强度因子。从建造工艺角度出发，钛合金材料应具有良好的冲压成形性能和焊接性。

整体而言，在材料制备和工艺研究阶段，需要建立完整的用于耐压结构的钛合金材料评价体系，明确在材料制备和建造过程中的材料基本性能指标和应用性能考核方式，确保钛合金材料在建造过程中的质量稳定性，据此满足装备在长期使用工况和极限条件下的可靠性要求。

（三）高效优质建造技术

深海耐压结构形式主要是环肋圆柱壳体和球形封头结构，具有结构尺寸大、尺寸精度要求高等突出特点，而现有钛合金工艺尚无法完全满足要求。大型船体结构的焊接工作量占到船厂总装工作量的一半以上，这充分体现了突破钛合金高效建造技术的必要性。

钛合金大厚板焊接方法分为电子束焊接、窄间隙填丝焊接。电子束焊接自动化程度高、焊接速度快，具有工期短、工艺稳定、效率高的特点；但钛合金材料焊缝熔合区冷却速度较快，焊缝的韧性略低；受设备条件限制，大型和复杂形状构件的焊缝不易实现。窄间隙填丝焊接周期长，对焊接技术人员的综合素质要求较高，工艺影响因素多。现有的工程化技术效率较低、建造适应性差，需要开发效率更高、更为稳定的高适应性和智能化钛合金材料焊接技术。

海洋环境中的钛合金装备需要配套的其他技术也需要尽快开展研究。船体各部件和设备、管路之间的连接因为材料牌号不同，不可避免地存在异种金属的电化学腐蚀问题；采取有效的电绝缘或补偿措施是工程应用中必须考虑的技术问题。钛合金材料生物相容性好，海洋环境中的海生物附着和生长现象会导致管路堵塞、重量增加以及其他不良影响，需要具有解决长效防污问题的实用手段。

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结 语

钛合金材料在以载人深潜器为代表的深海装备耐压结构上的成功使用，为深海领域的装备选材和创新应用提供了良好示范。

面对我国未来海洋强国建设需要更多类型钛合金深海装备的趋势，我们建议：行业部门深化合作与科学分工，打牢钛合金材料基础研究，突破用于深海耐压结构的钛合金材料强韧化、耐腐蚀等机理机制，优化钛合金板材大厚度焊接等工程化技术，建立极端工况下的钛合金结构考核评价体系，化解制约应用的安全可靠性风险。通过深海装备顶层需求-总体设计-材料工艺等各个环节的共同努力，为加速我国深海领域研究和应用创新奠定坚实基础。

资料来源：中国工程科学 2019年 第21卷 第6期

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