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金属所参研人员邱建科、雷家峰、杨锐、马英杰和科技处长黄粮 。 金属所 供图
中新网沈阳11月28日电 (沈殿成)“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试并于11月28日胜利返航 。 中国科学院金属研究所钛合金团队采用自主发明的Ti62A钛合金新材料 ， 为“奋斗者”号建造了世界最大、搭载人数最多的潜水器载人舱球壳 。
【材料|“奋斗者”号潜水器载人舱球壳“钛”厉害】载人舱是全海深载人潜水器的核心关键部件 ， 是人类进入万米深海的硬件保障和安全屏障 ， 标志一个国家载人潜水器的技术水平 。 此前世界上最先进的全海深潜水器是美国2019年5月完成万米下潜的“极限因子” ， 其载人舱可搭载2人 。
在中科院战略性先导专项支持下 ， 中国科学院金属研究所2014年开始针对全海深载人潜水器用载人舱材料与制造等关键技术展开调研论证和预先研究 。 2016年国家重点研发计划立项后 ， 中国科学院金属研究所牵头 ， 联合宝钛股份有限公司、中国船舶集团公司洛阳船舶材料研究所、中航工业制造技术研究院和中国科学院深海科学与工程研究所 ， 发挥各家单位技术优势 ， 组建全海深钛合金载人舱研制“国家队” ， 历时3年全面完成了研制工作 ， 成功建造世界最大、可搭载3人的全海深载人舱 。
研制团队解决了若干钛合金基础科学问题 ， 攻克了载人舱材料、成形、焊接等一系列关键技术瓶颈 。
首先 ， 金属所独创的新型钛合金材料Ti62A成功解决了载人舱材料所面临的强度、韧性和可焊性等难题 。 以往深潜器主要使用Ti64材料 ， 在万米海深的极端压力条件下 ， 按照载人舱的目标尺寸和厚度要求 ， 这种材料在强度、韧性等指标上已不可能达到 。 金属所首次提出一种新型的合金设计方案 ， 并据此设计实现了一种全新的钛合金显微结构 ， 在此基础上发明了具有良好热加工成形和焊接成形性能的钛合金Ti62A ， 在韧性和可焊性与Ti64合金相当的前提下大幅度提升了强度 ， 从而成功解决了载人舱球壳的材料难题 。
其次 ， 解决了大尺寸超厚钛合金材料成形的均匀性和力学性能稳定性难题 。 钛合金材料存在固有的“尺寸效应” ， 即尺寸和厚度越大 ， 其均匀性和力学性能稳定越难以保证 。 这是其应用于深海极端高压环境必须跨越的障碍 。 金属所通过设计材料微观组织及其获取工艺 ， 成功克服了钛合金的“尺寸效应” ， 为实现载人球舱材料微观组织均匀和力学性能稳定奠定了技术基础 。 宝钛股份全力以赴 ， 将设备能力发挥到极致 ， 制备出高品质铸锭、高质量板材和高精度半球 ， 创造了国内钛合金铸锭重量、板材厚度和锻件截面尺寸等多项纪录 。
第三 ， 突破了高强高韧钛合金的焊接技术 ， 保证了焊缝的韧性及其它相关指标达到要求 。 载人球舱由两个半球焊接(赤道缝)而成 ， 几个窗口和接口(孔座)也必须通过焊接完成 。 保证焊缝位置的韧性满足要求是焊接技术面临的世界性难题 ， 实现超大尺寸与厚度材料的全电子束一次焊接 ， 更是横在任务面前一道难以逾越的障碍 。 金属所独辟蹊径 ， 提出了一些新的焊接思路 。 洛阳船舶材料所勇于创新 ， 突破了一系列焊接成形技术 ， 实现载人球舱全电子束焊接 ， 确保了焊缝质量和强韧性能全面达到设计要求 。
全海深载人舱研制极大带动了我国钛合金工业能力提升和装备制造技术进步 。 高强高韧钛合金铸锭尺寸、板材幅宽与厚度、钛合金半球厚度、锻件截面与单重、钛合金电子束焊缝厚度等技术指标均打破国内原有纪录 ， 逼近设备的极限能力 。 超大厚度高强钛合金电子束焊接和热处理技术实现了技术跨越 ， 这些制造能力的转化与推广将显著提升我国舰船、海洋工程和石油化工领域的钛合金应用水平 。 这些新技术可推广应用于其它钛合金 ， 促进钛合金的更大规模的产业化应用 ， 为企业创造新的经济和社会效益 ， 加快行业迈向产业链高端的步伐 。 仅2018-2019年 ， 宝钛股份有限公司超厚板材、大截面大单重锻件、耐压结构装备等销售金额超过了1.5亿元 。(完)
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