全海深载人潜水器载人球壳的选材及制造技术Word文档格式.docx
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对于全海深载人球壳用钛合金,要求具有更高的强度,并同时具有良好的韧性、热成形性能以及焊接性能。
最后,简要介绍了在全海深载人球壳材料和制造方面的研究进展。
关键词:
全海深载人潜水器;
载人球壳;
钛合金引言海洋中蕴藏着丰富的人类赖以生存的宝贵资源,海洋资源的勘探与开发已成为当今世界各海洋强国争夺资源权利的焦点,同时深渊科学为揭示生命起源、地质变迁等提供了全新研究空间。
潜水器是深海勘探与开发利用必不可少的装备,在一定程度上代表着一个国家深海勘察与开发利用的技术水平。
载人潜水器因为可以使人亲临深海现场作业,具备了其他潜水器无可替代的优势。
但是,其设计、选材、建造等方面都面临更大的技术挑战,因此,载人潜水器被视为海洋工程领域的技术制高点,各海洋强国皆非常重视发展载人潜水器。
载人球壳是载人潜水器的核心部件,是科考人员生命安全的保障。
其设计、选材与建造涉及多个学科,是研制的难点。
美国“新阿尔文”号设计单位WHOI的工程师AnthonyTarantino说载人球壳绝对是载人潜水器项目中最大的技术挑战(“Thissphereisdefinitelythebiggesttechnicalchallengefortheproject”)[1]。
本文将分析目前载人潜水器载人球壳在选材、建造方面的主要技术特点及发展趋势,简要介绍中国科学院金属研究所负责的课题组在中国科学院战略性先导科技专项支持下在全海深钛合金载人球壳研制方面的初步工作,探讨研制全海深钛合金载人球壳的技术可行性。
1 大深度载人潜水器载人球壳的选材载人潜水器的发展已经有50多年的历史,关于不同阶段发展的载人潜水器情况可参阅文献[2]。
目前,具有代表性的大深度载人潜水器有法国的“鹦鹉螺”(Nautile)号、前苏联的“和平I”(MIRI)号和“和平II”(MIRII)号以及后来发展的“俄罗斯”(RUS)号和“领事”(CONSUL)号、日本的“深海6500”(Shinkai6500)、美国的“阿尔文”(ALVIN)号和“新阿尔文”(NEWALVIN)号以及中国的“蛟龙”号。
以上潜水器的设计下潜深度为4500~7000米。
当代代表性的大深度载人潜水器球壳的选材及建造方案列示于表1。
表1 典型大深度载人潜水器及其球壳材料及建造方案[2,4-7]国家 名称 起用时间 设计深度(米) 球壳材料 建造方案美国 ALVIN 1974 4500 Ti6211 半球整体成形+气体保护焊美国 New“ALVIN” 2014 6500 Ti64ELI 半球整体成形+电子束焊接法国 Nautile 1985 6000 Ti64 两个半球+螺栓连接日本 Shinkai6500 1989 6500 Ti64ELI 半球整体成形+电子束焊接苏联 MIRI 1988 6000 马氏体钢 铸造半球+螺栓连接苏联 MIRII 1988 6000 马氏体钢 铸造半球+螺栓连接俄罗斯 RUS 1990年代后期 6000 钛合金 半球瓜瓣成形+窄间隙焊接俄罗斯 CONSUL 1990年代后期 6000 钛合金 半球瓜瓣成形+窄间隙焊接中国 蛟龙号 2010 7000 Ti64ELI 半球瓜瓣成形+窄间隙焊接从表1可以看出,当代大潜深的载人球壳除苏联的MIRI和MIRII采用钢外,其他均采用了钛合金,而且,俄罗斯随后研制的6000米级“俄罗斯”号和“领事”号也采用了钛合金。
虽然各国设计的大深度载人潜水器的技术特点各不相同,但载人球壳材料选用钛合金是一致的。
选用的钛合金有Ti64(Ti-6Al-4V)及Ti6211(Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo)两种中强钛合金。
在美国后来放弃了Ti6211钛合金而选用Ti64ELI(exra-lowinterstitial)钛合金之后,目前大深度载人球壳的材料全部是Ti64(ELI)。
相比于钢铁材料,钛合金具有优异的抗海水腐蚀性能,包括抗静态腐蚀及抗循环加载条件下的动态腐蚀,更加适合于海洋应用环境[3]。
此外钛合金还具有较高的比强度,作为球壳材料能大幅度降低球壳的重量,增加其有效载荷,因此钛合金作为大深度载人球壳材料具有得天独厚的优势。
2 载人潜水器载人球壳成形技术目前以金属为主体材料的大深度载人球壳是通过将两个半球连接成一个整体球壳。
半球成形有3种形式:
铸造、整体冲压和瓜瓣拼焊。
两个半球连接形式有两种方式:
螺栓连接,焊接连接。
苏联的MIRI及MIRII号载人球壳建造是采用马氏体钢铸造两个半球而后螺栓连接的方式。
据Jean-PierreLé
vê
que在INMARTECH2008会议上的报告[7],法国“鹦鹉螺”号载人球壳也是将两个钛合金半球采用螺栓连接而成。
苏联在后来建造的“俄罗斯”号和“领事”号以及俄罗斯为我国“蛟龙”号建造的载人球壳采用钛合金材料,锻造成多个瓜瓣状的坯料,将多个锻造成形的瓜瓣采用窄间隙焊接技术拼焊成两个半球,再将两个半球焊接成整球。
瓜瓣拼焊球壳建造工艺方案只有俄罗斯采用,而美国和日本均采用大厚度板材冲压成整体半球,两个半球的连接采用电子束焊接技术。
后者工艺能够避免铸造缺陷,并最大限度地减少焊缝长度,减少球壳的变形和扭曲,提高球壳的安全性及可靠性。
随着大厚度板材制备水平的提高及电子束焊接技术的不断发展,采用半球整体冲压而后电子束焊接赤道环缝逐渐成为先进且稳定可靠的成形方式。
美国“新阿尔文”号载人球壳可以说是当今世界上最先进的载人球壳。
下面以美国的“新阿尔文”号为例,简要介绍球壳制造过程[1,8]。
“新阿尔文”号钛合金球壳由两个半球通过电子束焊接而成,每个半球由一个重约8吨的Ti64ELI铸锭制备得到。
铸锭经多火次开坯锻造,制备出两个直径3.3m、厚度100mm的饼材(图1a),再分别将两个饼材模锻成两个半球坯料(图1b)。
将半球坯料精密加工成半球(图1c),为严格控制半球尺寸,防止机加工过程中发生变形,半球加工需经过退火消应力处理。
机加工好的两个半球通过高能电子束技术焊接成球壳(图1d)。
球壳焊接方面,美国和日本采用电子束焊接技术,而俄罗斯采用窄间隙填丝焊接技术。
添加焊丝的窄间隙焊接是除电子束焊接外另一种重要的焊接方式,可通过对焊丝成分的调整,实现对焊接接头性能的调控。
电子束焊接与窄间隙焊接各有优势,电子束焊接的自动化程度高、焊接速度快,具有工期短、工艺稳定及效率高的特点,但焊缝熔合区冷却速度较快,焊缝的韧性略低,有时受设备条件限制,复杂形状构件的焊缝不易实现;
而窄间隙焊接的周期长,不排除人为因素的影响,其工艺稳定性较低,但可以通过对焊丝成分的调控来实现焊缝力学性能的优化。
总体而言,在可以实现的情况下,电子束焊接是钛合金载人球壳焊接的首选工艺。
图1 “新阿尔文”号钛合金球壳制造过程
(a)圆形板坯料;
(b)冲压后的半球;
(c)机加后的半球;
(d)焊接后的整球3 全海深载人球壳选材的思考如果采用Ti64钛合金制造全海深载人球壳将显著增加球壳重量,加之全海深浮力材料比重的增大,导致潜水器太重,从而也降低潜水器可操纵性和作业能力。
因此采用Ti64钛合金载人球壳的“新阿尔文”潜水器下潜深度定为6500米,而不是全海深[9]。
俄罗斯为我国“蛟龙”号制造的Ti64ELI钛合金载人球壳设计下潜深度为7000米。
由此也可推断,由于不同国家设计理念的不同,Ti64钛合金可以使用于6500~7000米级的下潜深度,而不能再胜任全海深(约11000米)载人球壳的需要。
随着科学家对深渊研究的不断深入,制造全海深载人潜水器覆盖100%海域已被各海洋强国提上日程。
美国DOERMarine公司、Triton公司、HawkesOceanTechnologies公司以及日本正在加紧全海深载人潜水器的研制。
从目前能够获得的全海深载人潜水器设计构想资料来看,如美国Triton公司的Triton36000/3(图2a)和日本Shinkai12000(图2b)等,虽然他们设计的外形和尺寸各不相同,但载人舱都有一个共同特点,即设想部分或全部采用类似玻璃的透明材料。
与钛合金材料相比,该类材料具有超高的强度,但塑韧性及延展性很差。
目前看来,国内满足全海深载人舱的类玻璃的透明材料尚无成熟的制造工艺。
此外,陶瓷罐在Kermadec海沟近万米深海中崩溃可能是造成2014年5月美国“海神”号潜水器失事原因的猜测,更增加了人们对使用超高强度但塑韧性很差的非金属材料制造全海深载人球壳的担心。
如果有合适的高强高韧钛合金材料,使用钛合金建造全海深载人球壳不失为一种务实可靠的选择。
图2 两个全海深载人潜水器结构示意图
(a)美国Triton36000/3;
(b)日本深海12000从7000米到11000米全海深,压力陡增60%以上,对球壳的承压能力绝对是严酷的考验,也是选材的最大难点。
因此,从承压要求考虑,全海深球壳的选材一定需要更高强度的钛合金材料。
从载人球壳结构安全性考虑,要求钛合金材料具有足够强度的同时,还要有适当塑韧性。
拉伸延伸率、平面应变断裂韧性等是反映金属材料塑韧性的重要参数。
为了提高安全可靠性,航空、船舶结构件选材时,规定材料的平面应变断裂韧性与屈服强度的比值(KIC/σs)应大于一定值,反映了对材料具有足够塑韧性的要求。
(KIC/σs)代表着材料的临界塑性区尺寸(ac),公式
(1)为材料的临界塑性区尺寸的表达式。
较大的塑性区范围将提高材料吸收外界做功的能力,并避免塑性区范围较小导致的脆性断裂。
此外较大的塑性区范围还能够提高裂纹闭合程度,从而提高材料的抗疲劳裂纹扩展能力[10,11]。
因此对于载人球壳材料的选择除应考虑其强度外,塑韧性特别是断裂韧性也是重要的参考值。
对于海水中使用的材料,还要考虑材料在海水介质中的应力腐蚀界限强度因子(KISCC)。
从载人球壳建造工艺考虑,还需要钛合金材料具有良好的冲压成形性能和焊接性能等。
总之,全海深载人球壳选用钛合金需要高强、高韧、良好冲压成形及焊接性能等综合性能。
4 全海深钛合金载人球壳研制的探索全海深载人球壳的研制关键点有材料、设计及制造工艺。
如前文所述,美、日等国的载人球壳采用半球整体冲压成形,而后电子束焊接两个半球对接的赤道环缝。
俄罗斯的“俄罗斯”号和“领事”号载人球壳以及俄罗斯为我国制造的“蛟龙”号载人球壳采用了瓜瓣拼焊方式制造成半球,而后两个半球对焊成球壳。
可见,虽然我国“蛟龙”号保持着国际上同类作业型载人潜水器下潜深度最大的记录,但是,我国载人球壳的制造技术尚属空白。
在我国科学家的努力和政府的大力支持下,4500米载人潜水器载人球壳研制项目立项。
项目在载人球壳加工与焊接技术等方面获得重大突破,全部实现国产化,为全海深载人球壳研制打通了工艺路线。
事实上,中国科学院部署的全海深载人球壳的研制工作正是以该项目的工艺路线为基础开展的。
载人球壳制备工艺路线打通后,满足全海深压力的钛合金球壳材料就成为全海深载人球壳研制的关键。
众所周知,金属的强度与塑韧性通常是一对矛盾因素。
强度的提升通常伴随着塑韧性降低,甚至成形性能和焊接性能也相应降低。
这对全海深载人球壳用钛合金材料研究提出了严苛的挑战。
在中国科学院战略性先导科技专项的支持下,《全海深载人球壳材料、设计与制造工
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