下潛10909米,國產奮鬥者號潛水器鈦合金有多先進?可用於核潛艇

2020-12-21 胖福的小木屋

中國「奮鬥者」號載人潛水器在馬裡亞納海溝成功坐底,坐底深度10909米,挑戰了全球海洋最深處,目前全球有記錄的,成功下潛到馬裡亞納海溝的載人深潛器只有兩部:一部是瑞典人皮卡德父子研製的"的裡雅斯特2號"深潛器,該深潛器在1960年1月20日創造了潛入馬裡亞納海溝10916米的記錄,另外一部就是「奮鬥者」號載人潛水器。

在上天、入地、深潛3項極限探索中,深潛的難度毫不遜色於其他二者,海水腐蝕、海流的擾動、海洋生物的幹擾、地磁的影響等,都給深海探測帶來了極大挑戰。除此之外,「奮鬥者」號下潛的馬裡亞納海溝一萬米處,水壓超過110兆帕,相當於2000頭非洲象踩在一個人的背上。

而這就需要可以耐高壓的外殼, 耐壓殼體材料的選用與潛水器的先進性和可靠性密切相關。可選用的材料有高強度鋼、鈦合金、高強度鋁合金、複合材料、陶瓷材料、透明玻璃等。高強度鋼的比強度高、價格適中,但其密度較大,造成整體重量偏重,影響大深度載人深潛器重量及浮力的控制。鈦合金相對較輕(重量只有鋼的 60%)、強度高(可達到 1000MPa 以上)、低磁性、耐化學腐蝕、表面易產生堅固的純態氧化膜,具有較好的機械性能。

「奮鬥號」潛水器耐壓極厚,由鈦合金製造,通過先進的焊接技術連為一體,抗壓能力很強。這是中國自己研發鍛造的。除此之外載人球艙是載人潛水器的最核心部件,其製造質量是潛航員生命安全的基本保障,也要由鈦合金打造,隨著潛水器下潛深度和球艙尺寸增大,研製難度成倍增加。這是一項涵蓋高性能鈦合金設計、超大厚度板材製備、半球整體衝壓、大厚度鈦合金電子束焊接等技術的跨領域系統性工程,載人艙要求重量輕、強度高、可焊接、耐腐蝕、抗疲勞、長壽命,而且可以在下潛和上浮的過程中,保持彈性變形,給潛航員提供安全的空間,可以說對材料的大規格製備能力和綜合力學性能要求很高。

鈦合金加工非常難,鈦合金由於金屬性質比較活潑,在進行焊接作業時必須使用氬氣作為保護氣體覆蓋焊點,或者使用真空電子焊的方式確保焊接可靠。「奮鬥者」號的前輩「蛟龍號」鈦合金艙,靠俄羅斯幫忙加工,俄羅斯深潛器很厲害,就是因為他們有這個大型鍛壓機,鈦合金加工能力強。

在此前,我國研製出不同強度級別的近 α型船用耐蝕鈦合金 Ti 75、Ti 31、Ti-B19、Ti91、Ti70 及 Ti80。西北有色金屬研究院研製的 Ti75 合金具有自主智慧財產權,與 Ti31 合金均具有良好的綜合性能,並都已獲得實際應用。此外,以寶雞有色金屬加工廠為主研製的 Ti70 和西北有色金屬研究院研製的 Ti91 具有良好的中強高塑、冷加工性能、透聲性能和可焊性。這些鈦合金在船舶、潛艇、探潛器方面具有廣泛的應用。

但是在深海探測器上,對鈦合金的性能要求更高,載人潛水器的耐壓殼體是浮力的主要提供者,它的重量約佔整個潛水器系統的 1/5~1/4.在耐壓殼結構設計中,要考慮工作深度、水動力特性、內部和外部布置、材料的可獲得性、成本及製造工藝等因素,所以要掌握高強度鈦合金球形耐壓球殼的製造技術。

2016年科技部立項後,金屬所牽頭,聯合寶鈦股份有限公司和中國船舶集團公司洛陽船舶材料研究所,發揮三家單位在材料、加工、焊接領域的技術優勢,組建全海深鈦合金載人艙研製國家隊,解決了若干基礎科學問題,,集成應用了多項鈦合金材料技術和焊接加工技術,攻克了一系列關鍵技術瓶頸,填補了多項國、國際技術空白,整體水平處於國際領先地位,具有劃時代意義。

全海深載人潛水器是一個難度極高的工程裝備,涉及設計技術、材料技術、密封技術、工藝技術、通信技術、安全技術、集成技術、試驗技術等,每一項都是極限技術,並且必須高度安全可靠。「奮鬥者」號的成功將推動著國內結構、水聲、推進、液壓、材料等方方面面的發展,充分證明我國在材料研究、控制、海洋學等領域的綜合科技實力方面達到了世界一流水平,並可廣泛地應用於船舶工程、海洋工程、工業裝備、安全裝備等。

而這也標誌著中國在鈦合金加工鍛造技術上取得了突破,「奮鬥者」號的鈦合金相關技術很容易轉到潛艇研製上,促進我國開發出下潛深度更大、性能更穩定的潛艇。

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