钛合金在新型水下航行器上的应用研究进展

颜家杰,高德峰，廖宇辰,卢泰佑,李梦莎, 杨文吒,贾晋军，姜大鹏

(1.中山大学 海洋工程与技术学院， 广东 珠海 519082； 2.南方海洋科学与工程广东省实验室， 广东 珠海 519080；3.中国船舶工业综合技术经济研究院， 北京 100081；4.中国科学院深海科学与工程研究所， 海南 三亚 572000)

1 引言

水中兵器、水下机器人、水下(蛙人)输送器、载人深潜器等新型水下航行器可以用于探测水下环境、布放水中兵器、进行水下爆破以及追踪敌方舰艇、航母、潜艇等目标，具有重大应用价值。钛作为一种金属元素，虽然早在18世纪就以含钛矿物的形式在英格兰康沃尔郡被发现，但其早期的工业化进程却相对缓慢。进入20世纪，从1908年，美国和挪威用硫酸法生产钛白，到1910年，钠法制海绵钛首次在实验室得到应用并获得成功，都只是钛的小批量制取。而到了1948年，成吨生产海绵钛的镁法制钛工艺首次在美国杜邦公司得到应用，这才标志着钛工业化生产的开始。钛的密度为4.51 g/cm，仅为铁的57.4%。以Ti-6Al- 4V为代表的常用钛合金强度很高，能够达到普通高强度钢的水平，还有其他类型钛合金具备更高的强度。钛及其合金由于密度小、强度高、具有较高的比强度以及其兼具耐腐蚀、无磁、透声、低温性能好、抗冲击振动、可加工性好等综合性能特点，受到了世界各国材料界和军方的关注，在航空、航天、船舶、汽车等行业已经开始得到了应用。凭借其优异的综合性能，钛合金在水中兵器、水下机器人、水下深潜器、水下直升机等新型水下航行器上也有着较好的应用前景，特别是在大潜深时，钛合金的优势更加明显。本文基于水下航行器用钛合金的物理力学特性，概述了国内外水下航行器用钛合金的研究和应用进展，讨论了今后水下航行器应用钛合金的技术发展方向，为钛合金在新型水下航行器上的应用提供理论和技术参考。

2 水下航行器用钛合金发展历程和现状

水下航行器用钛合金主要是从舰船(艇)用钛合金发展而来，到目前为止，世界上只有美国、俄罗斯等少数海洋大国，以及中国进行专门的水下、水面航行器用钛合金研究，并各自形成钛合金体系。俄罗斯凭借前苏联时期的金属材料工业基础，在舰船(艇)用钛合金方面的研究、应用水平稳居世界前列，拥有785 MPa、686 MPa、580 MPa、490 MPa强度等级的系列船用钛合金。为便于标准化设计，俄罗斯按用途进行了分类，如船(艇)体用钛合金 ПТ-1M、船舶机械钛合金ПТ3、3M、37、ПТ-7M以及船舶动力工程钛合金23、37、ПТ-3B、40、5B等。美国海军于20世纪50年代开始注意到钛及钛合金用于舰船(艇)工业的可能性，1963年开始进行大量的工程化研究，并成功地将钛用于各类动力的航母、水面艇、潜艇、民用船。美国主要应用的钛材有：纯钛、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，这些材料主要用于舰艇的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器轴、弹簧、航母上的消防设备等。我国舰船(艇)用钛合金的研究和应用始于20世纪60年代，经过长期的摸索和发展，钛合金的研究和应用水平都有了长足进步，已经形成了较为完整的舰用钛合金系列，能满足各类型水面、水下舰船(艇)及其相应部位对不同强度等级的需求。在我国水面、水下舰船(艇)用钛合金系列中，屈服强度从320～1 100 MPa形成了低、中、高强度的不同等级，如表1所示。除了常规舰船(艇)用钛合金研究，我国还将针对航空、航天等领域研制的钛合金推广到舰船(艇)和水下航行器上的应用研究，同时在新型钛合金的创新研制等方面取得了突破，部分新研钛合金已开始陆续在各种舰船(艇)、潜航器等装备上服役，这为扩大钛合金在新型水下航行器方面的应用奠定了基础。在实际工程应用研究方面，近年来，我国在一些声呐导流罩、螺旋桨、声呐扫雷具等装备上，采用钛合金制造的最终产品应用效果较好。此外我国钛合金也广泛应用于潜望镜、雷达支座、泵、管、阀、冷却器、热交换器等部位，极大提升了舰船综合性能。我国研制的新型钛合金球鼻艏也已经得到了应用，具有刚性好、强度高、质量可靠、内部噪音低、透声性能优异、维修费用少等优势，填补了我国高性能钛合金球鼻艏关键技术空白。为满足不断发展的应用需求，当前我国新型钛合金的研制也非常活跃，其中水下航行器用钛合金是我国钛合金研究和发展的重要方向之一。

表1 我国舰船用钛合金系列规格

工艺制造能力方面，因其具有高比强度、抗腐蚀、耐高温、可焊接等良好的性能，钛合金最早用于制造潜艇的外壳、耐压舱、内部管道系统等。以俄罗斯台风级核潜艇为例，一艘潜艇的双层外壳用9 000 t钛合金制造，这使其具有了无磁性、大潜深、航速快、噪音小、维修次数少等优良性能。目前，我国可以自主生产出钛合金板、环、饼、棒、管、丝和铸件等产品，这些原材料为水下航行器用钛合金的工业化应用提供有力支撑，其中由我国研制的钛合金TC4ELI(名义成分：Ti-6Al- 4V，低间隙)，抗拉强度可达1 100 MPa，弹性模量为110 GPa，已成功应用于大直径大潜深载人舱，其需要的板材厚度已经超过世界大多数国家的轧制工艺水平。图1 为我国研制的TC4ELI钛合金主要技术参数。

图1 TC4ELI钛合金主要技术参数

3 新型水下航行器用钛合金力学性能分析

水中兵器、水下机器人、水下滑翔机、载人深潜器等新型水下航行器一般都处于高压强的海水中，需要克服深海高压带来的不利影响。随着作业深度的增加，水下工作环境条件对航行器所承受载荷和压力的性能要求不断提升，一旦航行器密封结构出现破损、泄露，将会引发不可估量的后果，所以有必要对水下航行器密封结构材料的力学性能进行分析。TC4ELI钛合金与常用金属工程材料的主要力学参数如表2所示。

表2 常用金属工程材料与钛合金力学参数

在这些表征材料特性的参数中，密度是材料的基本属性之一，可以衡量其单位体积的质量大小；另一个主要参数是屈服极限，它是材料的一个主要力学特性，体现了其弹性变形范围内承受载荷的能力。图2是以上几种材料的密度和屈服极限对比柱状图。

图2 常用金属工程材料与钛合金密度及屈服极限柱状图

从图2(a)可以看出6061铝合金密度最低，Q235碳素结构钢和06Cr19Ni10不锈钢密度最高，说明在同样的结构或体积条件下，以6061为代表的铝合金质量最轻，而以Q235为代表的碳素结构钢和以06Cr19Ni10为代表的不锈钢质量最重，单从密度属性来看，以TC4ELI为代表的钛合金对应减轻结构质量方面不具明显优势；然而从几种材料的屈服极限对比图2(b)可以看出，以TC4ELI为代表的钛合金在几种材料中表现更好。

表2中还有一个表征材料属性的重要参数比强度，它是材料抗拉强度与密度之比，比强度越高表明达到相应强度所用的材料质量越轻。优质的结构材料应具有较高的比强度，才能尽量以较小的截面满足强度要求，同时可以大幅度减小结构体本身的自重。图3是以上几种材料比强度曲线。

图3 常用金属工程材料与钛合金比强度曲线

从图3中可以看出，以TC4ELI为代表的钛合金有优于其他常用工程金属材料的比强度，有利于减轻水下航行器的整体质量，并提升综合力学性能。此外钛合金兼具有较好的韧性，现有技术条件下，其断裂韧性K1C值在50 MPa·m以上，有研究表明结构材料在满足强度要求的前提下，韧性越高越好。

4 新型钛合金水下航行器应用研究进展

很长一段时间，我国海军服役舰艇的耐压壳体声纳导流罩以及管路系统所采用的材料基本上是碳钢、铝合金、不锈钢。值得注意的是，俄罗斯(前苏联)曾经也选用过这些常规材料，但之后大多转为用钛合金，且最终应用效果良好。例如，1968年底建成的K166号核潜艇，其壳体、管路系统以及其他大量装置和机器设备都用钛合金制造。以及在20世纪70年代初曾引起世界广泛关注的A级攻击型核潜艇，是当时国际上核潜艇中吨位最小(水下排水量3 120 t)、航行速度最快(水下最大航速41 kn)、下潜最深(下潜深度700 m，极限下潜深度为750 m)的最先进的核潜艇，也是采用钛合金为主要材料完成建造。

俄罗斯以及乌克兰具有熟练的劳动力和精密的试验装置，并且生产了多个类型的水下航行器，例如MIR2、URAN-1、MASK-2等，其中，源于太空船的钛合金等先进壳体材料技术是他们的强项。除了俄罗斯和乌克兰，其他国家也相继在钛合金应用领域开展研究。美国从20世纪60年代开始了钛合金潜器的研究和应用，1981年和1982年建造的“海崖”号深潜器，就装备了钛合金制造的观察舱和操纵舱。法国1985年研制的“鹦鹉螺”号潜水器、日本“深海6500”调查深潜器、我国自主研制的“蛟龙”号载人深潜器和“橙鲨”号自主水下航行器的主要结构部件都采用钛合金制造。

钛合金在我国大尺度、大潜深航行器研究领域中也取得了新的突破。由于力学性能好、服役寿命长、维护成本少，钛合金在潜航器上的应用具有明显的优势，特别是大潜深装备壳体材料，不仅需要兼具极高的强度和较好的韧性，而且需要有较好的防腐、透声、无磁等综合特性，因此高性能钛合金材料的研究和应用是主要的发展趋势，并且已经有了一定的技术突破。大连理工大学王雷等提出一种应用于水下机器人的筒式同步型永磁推进器的隔离套就是使用钛合金材料，浙江大学胡任通过对不同材料耐压性能的分析确定钛合金作为水下滑翔机耐压外壳材料，中国科学院先导专项支持下的7 000 m级深海滑翔机密封头部端盖也是使用钛合金材料。钛合金在载人深潜领域的表现突出，由我国自主研制的“深海勇士”号载人潜水器工作深度最大为 4 500 m，“蛟龙号”载人潜水器下潜深度成功突破7 000 m，“奋斗者号”载人潜水器(见图4)在马里亚纳海沟成功问鼎“地球第四极”，坐底深度10 909 m。这几型潜器的耐压壳均使用了高强度的钛合金材料，其他主要结构也采用钛合金材料制造。可以说钛合金在当前我国新型水下航行器领域发挥了巨大作用，后续也将对高性能航行器的研发起到积极作用。

图4 “奋斗者”号载人潜水器图

5 展望

近年来，钛合金在新型水下航行器上的应用已引起各国军民领域的重视。钛合金的应用有助于减轻结构质量、改善载荷声学、力学、电磁环境，延长装备使用寿命。经过半个多世纪的研究，我国已经开发并形成了较为完整的钛合金系列，并具有较强的工艺制造能力。但是钛合金在我国水中兵器、水下机器人、水下直升机、水下(蛙人)运输器、载人深潜器等新型航行器上的应用研究尚处于起步阶段，还具有相当大的发展潜力，特别是在大尺度、耐腐蚀、超潜深、可静默等功能属性的实现上还存在一定的技术挑战。未来可在新型钛合金材料研制，钛合金锻压、轧制、铸造、焊接等传统制造工艺创新，3D打印、快速成型等增材制造技术研究，钛合金材料评价体系创新，新型水下航行器数字化仿真及其结构优化方面，推动钛合金在水下航行器应用领域取得持续的技术突破。

1) 材料研制方面，可以从材料组份元素调整、制法流程优化等方面促成新型钛合金的谱系完善。

2) 传统工艺方面，应注重钛合金成型过程中微观组织控制，锻压、轧制、铸造、焊接等关键工艺参数的确定，热变形工艺的精确控制，以及工艺装备的革新等。

3) 增材制造是近年来材料成型技术研究的一个热点，这种先进制造技术颠覆了人们对机械制造的传统认识，钛合金打印母材的制备、专用成型设备的研发、打印参数的确定、水下航行器部件打印的拓扑排列，以及最终零件的拼接等方面技术需要进一步研究突破。

4) 评价体系方面，应该健全成熟的选材指导准则，特别是应当建立供新型水下航行器应用方面的钛材指导评价准则，如可以按照潜深、防腐等级、透声要求等指标，对应选取的钛合金系列类型进行标准化评定。

5) 结构优化方面，利用航空航天、兵器装备、车辆工程等领域的先进设计方法，以现有钛合金为工程材料，对新型水下航行器主体结构进行力学优化和预报仿真，充分发挥钛合金的力学特性，从质量功能上确保航行器机械结构的可靠性。