一、前言
深(shen)海(hai)装备包括深海(hai)作(zuo)战(zhan)军事装(zhuang)备(bei)、载(zai)人 / 无(wu)人(ren)潜(qian)水器、深海(hai)空(kong)间(jian)站(zhan)与运载(zai)平台、水下滑(hua)翔机、救生(sheng)钟(zhong)等(deng) [1,2]，主要(yao)用于(yu)资源(yuan)勘探(tan)开发(fa)、深(shen)海(hai)监测(ce)和(he)信(xin)息(xi)网(wang)络构建(jian)、深海(hai)“硬”对抗(kang)作战(zhan)、立体资(zi)源补给(gei)等(deng)。以深(shen)制海(hai)，是(shi)我国(guo)践(jian)行海(hai)洋(yang)强国(guo)战(zhan)略(lve)，建设(she)“海上(shang)丝绸(chou)之路”，实(shi)现海军(jun)向“近海(hai)防(fang)卫(wei)、远海(hai)防(fang)御(yu)”战略(lve)转型(xing)的基础(chu)和保(bao)障(zhang)。
深海(hai)条(tiao)件(jian)下(xia)，装(zhuang)备的(de)服(fu)役工(gong)况(kuang)和功(gong)能要(yao)求(qiu)有很(hen)多(duo)全新特(te)征(zheng)。例如，极(ji)高(gao)海(hai)水外(wai)压与(yu)装备结构应(ying)力的(de)叠(die)加，导(dao)致耐压结(jie)构的受力(li)工况(kuang)恶(e)劣(lie)，甚至接近(jin)于材料(liao)的(de)屈服(fu)点，而(er)装备又需要长(zhang)期使(shi)用(yong)和(he)反(fan)复上(shang)浮下(xia)潜 [3]；深(shen)海(hai)条(tiao)件(jian)下的(de)氧(yang)含量(liang)降(jiang)低，对材(cai)料表面(mian)钝化存(cun)在(zai)显著影(ying)响(xiang)，加速(su)材(cai)料(liao)的腐蚀(shi)或增大开裂(lie)倾(qing)向(xiang)。这(zhe)些环境特(te)征(zheng)都对(dui)耐压结构(gou)材(cai)料的安(an)全可(ke)靠性设计提出(chu)了重大(da)要求(qiu)。钛合(he)金(jin)作为一(yi)种(zhong)轻(qing)质、耐(nai)海(hai)水腐(fu)蚀性能(neng)优(you)异(yi)的(de)结构材(cai)料，有(you)望解(jie)决(jue)深海(hai)装备(bei)普遍(bian)存在的(de)浮(fu)力储备(bei)不足(zu)、长(zhang)期(qi)水中(zhong)使(shi)用(yong)时结(jie)构(gou)安全(quan)可靠性(xing)欠(qian)佳(jia)等(deng)问(wen)题 [4,5]。
钛合(he)金(jin)材(cai)料应用于(yu)耐(nai)压结构(gou)，与传统(tong)的(de)钢(gang)材相(xiang)比，其(qi)弹(dan)性模(mo)量(liang)、制(zhi)造工艺、失(shi)效形(xing)式都(dou)有(you)所(suo)不(bu)同，目(mu)前还(hai)存(cun)在一些(xie)共(gong)性基(ji)础(chu)问(wen)题(ti)有(you)待突破。同(tong)时(shi)，在一些(xie)工程(cheng)项目中也提(ti)出(chu)了许(xu)多(duo)制(zhi)约(yue)设(she)计(ji)、建造和(he)使用(yong)的关键(jian)技术问题(ti) [6]。本文(wen)针对(dui)深(shen)海(hai)钛(tai)合(he)金(jin)装备(bei)的发(fa)展(zhan)现状(zhuang)和(he)存在的材(cai)料技术(shu)问(wen)题开展梳理(li)和(he)探讨，以期(qi)促(cu)进钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)应用过(guo)程中(zhong)的基(ji)础(chu)问(wen)题(ti)研(yan)究，通(tong)过提(ti)升(sheng)材料韧性(xing)和(he)抗蠕(ru)变(bian)性等(deng)关(guan)键使用(yong)性能，来推动(dong)深(shen)海(hai)装(zhuang)备设计和材料(liao)技术的创新(xin)发(fa)展(zhan)。
二(er)、装备(bei)发(fa)展(zhan)情(qing)况(kuang)
（一(yi)）军(jun)事领(ling)域(yu)
近(jin) α 钛(tai)合金(jin)和超(chao)低(di)间隙 α 钛(tai)合金(jin)由于(yu)具有高(gao)的(de)比(bi)强(qiang)度(du)、良好的(de)冷(leng)热(re)成型(xing)能(neng)力、优异的抗(kang)海(hai)水(shui)腐(fu)蚀性(xing)能和(he)可(ke)焊(han)性(xing)，应用方(fang)面(mian)有(you)逐渐替代(dai)船(chuan)体(ti)钢、成为(wei)大潜深(shen)潜(qian)艇(ting)耐(nai)压壳体(ti)的主(zhu)要结(jie)构材(cai)料(liao)的趋(qu)势。据(ju)报道 [7]，苏联率先(xian)尝(chang)试(shi)在(zai)潜(qian)艇耐压壳(ke)体(ti)上大量使(shi)用(yong)钛合(he)金，先(xian)后(hou)建造了(le) K-162 号、“阿(a)尔法”级、“麦克”级(ji)和“塞(sai)拉”级(ji)等(deng)全(quan)钛壳体核(he)动力潜艇(ting)。美(mei)国虽(sui)未建(jian)造全(quan)钛壳(ke)体(ti)潜艇(ting)，但将(jiang)钛(tai)合金大(da)量应(ying)用在潜艇桅(wei)杆(gan)、紧固件(jian)等(deng)部件上(shang)，以(yi)减(jian)少艇身(shen)重(zhong)量、优化(hua)性能(neng) [8,9]。
（二(er)）科研(yan)和(he)深(shen)海(hai)探测
钛(tai)合金(jin)应用于建(jian)造(zao)载人 / 无人深(shen)潜器(qi)的(de)耐压(ya)壳体具有(you)得天独厚的优势，尤(you)其(qi)是(shi)高(gao)比(bi)强(qiang)度和(he)抗海水(shui)腐(fu)蚀性(xing)的特(te)性(xing)，在(zai)减轻(qing)结(jie)构重(zhong)量(liang)、降(jiang)低腐(fu)蚀防(fang)护成(cheng)本(ben)等方面起到(dao)极(ji)大作用。目(mu)前，许多(duo)国家(jia)开(kai)展(zhan)了钛(tai)合金深(shen)潜器(qi)的(de)研(yan)究和(he)建(jian)造工(gong)作，领域研(yan)究(jiu)进(jin)展(zhan)显(xian)著(zhu)。
1. 美国
20 世(shi)纪(ji) 60 年代(dai)以前，美(mei)国(guo)深(shen)潜(qian)器(qi)耐(nai)压壳体(ti)主要采用(yong)高(gao)强(qiang)钢进行(xing)建(jian)造(zao)，如伍兹(zi)霍(huo)尔海洋(yang)研究(jiu)所(suo)（WHOI）制造(zao)的“阿(a)尔(er)文(wen)”号(hao)深海(hai)载人潜水器(qi)。钢(gang)铁(tie)密(mi)度(du)明(ming)显高(gao)于钛合(he)金(jin)，极(ji)大限制了(le)“阿(a)尔(er)文”号的下(xia)潜(qian)深(shen)度(du)；另(ling)外，“阿尔(er)文”号每(mei)年需进(jin)行(xing)费用高昂(ang)的腐蚀(shi)防护(hu)作(zuo)业。为(wei)此，从 1973 年开(kai)始(shi)，WHOI 对(dui)“阿尔文”号(hao)进(jin)行重(zhong)大升级(ji)，制(zhi)造并换用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)耐(nai)压舱(cang)，即(ji)利(li)用 Ti-6A1-2Nb-1Ta-0.8Mo 合(he)金替(ti)代(dai) HY100 高强钢新(xin)建(jian)壳体(ti)，同(tong)时利(li)用(yong) Ti-6Al-4V合(he)金制作浮力(li)球和(he)高压(ya)气瓶。升(sheng)级改(gai)造后(hou)的新“阿尔文(wen)”号(hao)，下(xia)潜深度(du)达到(dao) 6500 m，作(zuo)业(ye)能(neng)力(li)覆盖(gai)全(quan)球(qiu) 98% 的海域，完(wan)成大(da)量(liang)的(de)深(shen)海(hai)探(tan)测工(gong)作（累(lei)计(ji)下潜作业 4600 多(duo)次） [7]。
2. 日本
日本(ben)较(jiao)早开展了(le)钛(tai)合(he)金载(zai)人深潜器的(de)研制，在20 世(shi)纪 80 年(nian)代(dai)和(he) 90 年(nian)代，分(fen)别(bie)利(li)用(yong)超低(di)间(jian)隙 Ti-6Al-4V 合金(jin)建造了下(xia)潜(qian)深度为 2000 m 和 6500 m的载(zai)人深潜(qian)器。尤(you)其是(shi)后者，下(xia)潜深(shen)度(du)大(da)、覆(fu)盖(gai)海(hai)域范围(wei)广(guang)，完(wan)成(cheng)多次(ci)深(shen)海(hai)探测(ce)任(ren)务，为日本的深海(hai)开发研(yan)究(jiu)提供(gong)了(le)关(guan)键(jian)手(shou)段(duan) [7]。
3. 中(zhong)国
我国钛(tai)合(he)金(jin)载人(ren)深(shen)潜(qian)器研(yan)究(jiu)工作(zuo)起步(bu)较晚，但(dan)发(fa)展(zhan)速度(du)很(hen)快(kuai)。2003 年开始(shi)建(jian)造(zao)的(de)“蛟龙(long)”号载(zai)人深(shen)潜器，质(zhi)量为(wei) 22.9 t，耐(nai)压壳体(ti)内(nei)径为 2.1 m，由(you)超(chao)低(di)间隙(xi) TC4 合金(jin)建(jian)造而(er)成(cheng)。经过国内(nei)总体设(she)计单位(wei)、装备(bei)制(zhi)造(zao)单(dan)位(wei)、材料(liao)（尤其是钛合(he)金）研(yan)究单(dan)位的通力(li)合作(zuo)，“蛟(jiao)龙”号于(yu) 2012 年成(cheng)功(gong)完成(cheng)7000 m 下潜试(shi)验，创(chuang)造了世(shi)界(jie)同(tong)类作(zuo)业(ye)型(xing)潜(qian)水(shui)器(qi)的(de)最(zui)大(da)下潜深度(du)纪录。这(zhe)表明，我(wo)国已经掌握(wo)相(xiang)关(guan)牌(pai)号钛合金(jin)的(de)制备(bei)、成(cheng)型及(ji)焊(han)接(jie)技术，实(shi)现(xian)壳(ke)体(ti)的完全自主设(she)计、研(yan)发(fa)与制造(zao) [7]。我(wo)国继(ji)续(xu)实(shi)施具有(you)完(wan)全(quan)自(zi)主知识(shi)产(chan)权(quan)的(de)“深海勇士(shi)”号载(zai)人深潜(qian)器的研(yan)制工作(zuo)，于 2017 年按期完成(cheng)下(xia)潜(qian)试验。这表明(ming)，我国(guo)在(zai)深海用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)材料研制及加工(gong)工艺(yi)开发方面取得重大(da)突破(po)，进(jin)入(ru)世界(jie)先(xian)进(jin)行(xing)列(lie)。
此外(wai)，法(fa)国(guo)的“鹦(ying)鹉螺”号和(he)俄罗斯的两(liang)艘(sou)“和平”号(hao)载(zai)人(ren)深潜器(qi)也(ye)采用了(le)钛合(he)金材料(liao)进行(xing)建(jian)造。
世(shi)界钛合(he)金(jin)载人深(shen)潜(qian)器发展(zhan)情况(kuang)见(jian)表 1。
（三）油(you)气(qi)开(kai)采(cai)
能源是人(ren)类生(sheng)存(cun)和(he)发(fa)展所需(xu)的(de)最(zui)重(zhong)要资(zi)源(yuan)。由(you)于石化(hua)能源(yuan)的日益消(xiao)耗(hao)，寻(xun)找新的(de)可(ke)替(ti)代(dai)能(neng)源(yuan)已经成为(wei)关注(zhu)焦(jiao)点(dian)。地球(qiu)表面(mian)约(yue) 70% 的(de)区域(yu)是(shi)海(hai)洋，海(hai)洋中(zhong)蕴(yun)藏着丰富(fu)的油气资(zi)源，因(yin)此(ci)加快(kuai)勘(kan)探(tan)和开发(fa)深(shen)海(hai)资源(yuan)迫(po)在(zai)眉(mei)睫。我(wo)国(guo)也(ye)明(ming)确(que)提出“加快建(jian)设海(hai)洋(yang)强国(guo)”的(de)发(fa)展(zhan)战略(lve)目标(biao)。
海洋(yang)开(kai)发离(li)不开(kai)海(hai)上钻井(jing)平(ping)台(tai)、深海(hai)探(tan)测(ce)器(qi)等重要(yao)作业(ye)装备，这些(xie)装(zhuang)备服(fu)役(yi)工(gong)况恶劣，长期承受(shou)海(hai)水(shui)腐(fu)蚀(shi)与(yu)海(hai)浪(lang)冲(chong)击。钛合(he)金材料因(yin)其独(du)特(te)优(you)势(shi)，有(you)望广(guang)泛(fan)应用(yong)于(yu)上述装(zhuang)备(bei)制(zhi)造领域，但(dan)成(cheng)本(ben)问题(ti)一直(zhi)阻(zu)碍(ai)应用(yong)范(fan)围(wei)的(de)扩(kuo)展(zhan)。随(sui)着钛(tai)合金(jin)制(zhi)备(bei)技(ji)术(shu)的(de)成(cheng)熟和提升，以及低(di)成(cheng)本钛(tai)合(he)金的(de)研(yan)究突(tu)破，关(guan)于成本(ben)因素(su)的顾虑明(ming)显降低。美(mei)国已(yi)将钛(tai)合(he)金(jin)大范围(wei)应用于(yu)近海(hai)石(shi)油平台(tai)支(zhi)柱、板(ban)式换热(re)器(qi)等；1991 年应(ying)用(yong)到海(hai)洋(yang)平台(tai)提升装(zhuang)置(zhi)，较好解决了海水(shui)条(tiao)件下(xia)的结构腐(fu)蚀(shi)和疲(pi)劳问题；经(jing)过综(zong)合评(ping)估(gu)，使用钛(tai)合金(jin)件已(yi)经(jing)具有良好的成本(ben)经(jing)济(ji)性(xing) [10,11]。我国(guo)在(zai)西(xi)南油气开(kai)采装备研制过(guo)程(cheng)中，较大数(shu)量(liang)地(di)采用(yong)高(gao)耐(nai)H2S+CO2 介(jie)质腐蚀(shi)的钛合(he)金(jin)材(cai)料，保证(zheng)耐(nai)蚀性(xing)的(de)同时(shi)大(da)幅减轻(qing)装备(bei)重量，取得(de)很(hen)好的(de)综(zong)合(he)收益。
三(san)、材料(liao)发展(zhan)水平
（一）材(cai)料(liao)研(yan)究现(xian)状
钛(tai)及(ji)钛(tai)合(he)金(jin)作(zuo)为(wei)优(you)秀的海(hai)洋(yang)工程用(yong)材料(liao)，各(ge)国对其(qi)研究与(yu)应用(yong)十(shi)分重(zhong)视(shi)，先(xian)后(hou)研(yan)制(zhi)出了(le)一系列(lie)的海(hai)洋(yang)工(gong)程(cheng)用(yong)钛(tai)合金。苏联(lian) / 俄罗(luo)斯(si)和美国是(shi)最(zui)早专门(men)从(cong)事(shi)海(hai)洋工程(cheng)用钛(tai)合(he)金(jin)研(yan)究(jiu)的国家(jia)，各(ge)自形(xing)成(cheng)了(le)海洋(yang)工(gong)程用(yong)钛(tai)合(he)金体系(xi)。俄罗斯海洋工(gong)程(cheng)用(yong)钛(tai)合金研究(jiu)及实(shi)际应用(yong)水平(ping)居(ju)世(shi)界(jie)前(qian)列，拥有专(zhuan)门(men)的(de)海洋(yang)工(gong)程(cheng)用(yong)钛(tai)合金系列(lie)，形成(cheng) 490 MPa、585 MPa、686 MPa、785 MPa 等一系(xi)列(lie)强(qiang)度级(ji)别(bie)的(de)海洋工程用(yong)钛合(he)金(jin)产品(pin) [12]。美(mei)国于(yu) 20 世(shi)纪 60 年(nian)代(dai)开始研(yan)究(jiu)海(hai)洋(yang)工(gong)程(cheng)用钛合(he)金技术(shu)，研(yan)制(zhi)出(chu)钛合(he)金材(cai)料系列(lie)，建立(li)了完整的海(hai)洋(yang)工(gong)程(cheng)用(yong)钛(tai)合金(jin)应(ying)用(yong)考(kao)核体系。
（二(er)）应(ying)对服(fu)役环(huan)境和(he)结构(gou)特(te)征的性能(neng)需(xu)求(qiu)
深海(hai)装备(bei)长期(qi)浸(jin)泡在海水(shui)中，需要(yao)承受(shou)极高(gao)的(de)海水压(ya)力(li)载荷、经受(shou)住海水腐蚀(shi)的考(kao)验。深(shen)海(hai)装备因其长(zhang)期服(fu)役(yi)于深海与海面(mian)之间，还需(xu)要(yao)同时(shi)承(cheng)受(shou)进(jin)港时(shi)的(de)近(jin)岸(an)海域以及出海时的(de)浅(qian)海与深(shen)海等(deng)多种(zhong)类型海洋(yang)环(huan)境的(de)考(kao)验，进而(er)对(dui)结(jie)构(gou)的安全可(ke)靠性、耐久性、可(ke)维(wei)修(xiu)性(xing)提出更高要(yao)求(qiu)。在(zai)较长(zhang)的(de)自持条件(jian)下还需考(kao)虑可(ke)能承受(shou)的(de)超常规工(gong)况，如风(feng)暴拍击(ji)、物(wu)理撞击乃(nai)至爆炸冲(chong)击(ji)等(deng)。因(yin)此，全(quan)海域(yu)、全海(hai)深、全(quan)天(tian)候和长时(shi)间的运行和极端(duan)环(huan)境(jing)需(xu)求(qiu)，对钛(tai)合金(jin)材(cai)料的性能(neng)提出了极(ji)高(gao)要(yao)求。
深海(hai)装备(bei)的设计(ji)既(ji)要遵(zun)循结构(gou)力学、流(liu)体(ti)力学(xue)等(deng)基础原理(li)，还要结合(he)工(gong)程(cheng)技术发展现状，适应(ying)当(dang)前(qian)的工业化材(cai)料(liao)制(zhi)备(bei)技(ji)术和(he)造船(chuan)工艺技(ji)术。依(yi)据(ju)深(shen)海装(zhuang)备工(gong)况特征(zheng)，立足(zu)材料技术体系现(xian)状(zhuang)，钛(tai)合(he)金(jin)材料应(ying)满足如(ru)下基(ji)本要(yao)求(qiu)。
（1）材(cai)料(liao)强度(du)级别满足(zu)结构设(she)计要(yao)求(qiu)。根(gen)据(ju)设计(ji)单(dan)位的分析结(jie)果(guo)，耐压(ya)结构材(cai)料的强(qiang)度(du)随着下(xia)潜深度(du)的(de)增加需(xu)要(yao)适(shi)度(du)提(ti)高。综(zong)合考虑(lv)结(jie)构(gou)制造(zao)、材(cai)料塑(su)韧(ren)性和工艺性，材(cai)料(liao)的(de)强(qiang)度不(bu)宜过(guo)高，合金选(xuan)材设(she)计(ji)以(yi)近 α 型钛(tai)合(he)金为(wei)主 [13]。
（2）材料在海(hai)洋腐(fu)蚀环境（如海水(shui)、海(hai)洋大(da)气(qi)等）下具(ju)有良好的(de)塑韧性和(he)抗(kang)应力(li)腐(fu)蚀特性，抗低周疲劳性能(neng)好(hao)，满(man)足(zu)装(zhuang)备(bei)长期(qi)使用的安(an)全(quan)可靠性以(yi)及(ji)特殊(shu)工(gong)况(kuang)要(yao)求。
（3）材料(liao)工艺适(shi)应(ying)性好(hao)。匹(pi)配(pei)船体及船(chuan)用(yong)设备的加(jia)工特(te)点(dian)，如(ru)铸造(zao)、锻造(zao)、冷热成型，满(man)足低(di)成(cheng)本钛合金(jin)结(jie)构(gou)件(jian)制造(zao)工艺要(yao)求(qiu)，可(ke)焊(han)性好，焊后(hou)一般无须热处(chu)理(li)强(qiang)化(hua)。材(cai)料(liao)及工(gong)艺(yi)性(xing)能(neng)满(man)足(zu)舰(jian)船(chuan)设备(bei)大(da)型(xing)化需求(qiu)，配套有(you)成(cheng)型、无(wu)损检(jian)测(ce)等技术。
（三(san)）材料(liao)韧(ren)性(xing)问题(ti)制(zhi)约(yue)装(zhuang)备(bei)安(an)全(quan)性(xing)
早(zao)期的(de)焊接船体(ti)因(yin)脆(cui)性(xing)破坏导致(zhi)的灾(zai)难(nan)事故(gu)并不(bu)少(shao)见，这促使(shi)设(she)计(ji)师采用(yong)力学(xue)和金(jin)属(shu)学(xue)等方(fang)法(fa)去(qu)分析解(jie)决脆性(xing)问(wen)题。20 世(shi)纪(ji) 50 年代初(chu)，船舶大(da)国(guo)即开(kai)展了(le)针(zhen)对(dui)船(chuan)体(ti)材料(liao)的(de)落(luo)锤(chui)、动(dong)态(tai)撕(si)裂、裂(lie)纹源爆炸、系(xi)列(lie)温度(du)的(de)冲(chong)击(ji)试验(yan)等研(yan)究(jiu)，分(fen)析(xi)材(cai)料随(sui)环境(jing)变(bian)化的韧(ren)性，评(ping)定(ding)能否用于制造(zao)船体 [14]。
目(mu)前(qian)评(ping)价(jia)钛(tai)合金(jin)材料断裂(lie)韧(ren)性的(de)方(fang)法主要有：平面(mian)应变断(duan)裂(lie)韧(ren)性(xing)、J 积分、裂(lie)纹张开(kai)位移 δ、夏比冲(chong)击(ji)断(duan)裂(lie)韧(ren)性 Ak 等(deng)。通(tong)常(chang)，材(cai)料的临(lin)界(jie)应力(li)强度(du)因(yin)子 KIc 与试样(yang)厚度 B、裂(lie)纹长度和韧带宽(kuan)度(du)有关，只(zhi)有(you)试样厚(hou)度满(man)足 B ≥ 2.5(KIc/σs)2 时(shi)，才(cai)能(neng)获(huo)得(de)稳定的 KIc。与 α+β 两相(xiang)钛(tai)合金(jin)和(he)亚(ya)稳(wen) β 钛(tai)合(he)金相比(bi)，由于(yu)近(jin) α 钛(tai)合(he)金(jin)的(de)屈(qu)服强度 σs 较低(di)，而(er) KIc
又较(jiao)高(gao)，导致(zhi)要(yao)求(qiu)的试(shi)样厚(hou)度(du)较大(da)，不仅耗费(fei)大量(liang)材料(liao)，还要使用(yong)大(da)型(xing)试(shi)验(yan)设(she)备(bei)。因(yin)此，较(jiao)多(duo)通(tong)过测(ce)量(liang)材料的(de) J 积(ji)分(fen)临界值(zhi) JIc = K2Ic (1–ν2)/E，或(huo)裂(lie)纹(wen)尖端(duan)张(zhang)开位(wei)移临(lin)界(jie)值(zhi) δc = K2Ic/(Eσs)，然后转换为(wei) KIc。
通(tong)过(guo)测(ce)量或(huo)来(lai)获得材(cai)料(liao)的试验周(zhou)期(qi)长、费(fei)用(yong)高，工(gong)程(cheng)应用上(shang)为了(le)快速(su)评(ping)价材(cai)料的(de)断裂韧性性能，通常采用夏(xia)比(bi)冲击断(duan)裂韧(ren)性(xing) Ak，或根据经验公式(shi)由(you)夏(xia)比(bi)吸收(shou)功(gong)
Ak = (4K2Ic + σs2)/(20σs)
转换成 KIc 来(lai)快速评价材(cai)料(liao)的(de)断(duan)裂(lie)韧(ren)性(xing) [15,16]。
美(mei)国采用(yong)这类(lei)方法(fa)评定(ding)了(le)几(ji)种钛合(he)金(jin)材(cai)料，以(yi)考(kao)查对于(yu)船体(ti)用材(cai)的适应(ying)性，并(bing)参照钢(gang)材(cai)的破坏分(fen)类(lei)方法界(jie)定了(le)船(chuan)体(ti)用钛的(de)破(po)坏特(te)征。目(mu)前(qian)已经(jing)建立起(qi)裂纹临界(jie)尺(chi)寸(cun)（ac）、裂纹体(ti)的断裂(lie)韧性（Xc）和(he)断裂(lie)应力(li)（σf）之间的关(guan)系(xi)。在平(ping)面应(ying)变条(tiao)件(jian)下(xia)，若(ruo)裂(lie)纹(wen)面垂(chui)直(zhi)于外加(jia)应(ying)力(li)，则可(ke)用张开(kai)型(xing)平(ping)面应变(bian)断裂(lie)韧性(xing) KIc 来代(dai)替(ti) Xc，这样(yang)韧性值便可用(yong)于设(she)计(ji)中(zhong)的定(ding)量(liang)计算(suan)。我国在 20 世(shi)纪(ji) 60 年(nian)代也(ye)开(kai)展了类似(shi)研究，后(hou)因钛材(cai)料暂(zan)不(bu)用(yong)于(yu)壳(ke)体而中止。
现(xian)代(dai)船(chuan)舶设(she)计经验(yan)表明，结(jie)构材料在(zai)强度(du)满足(zu)要(yao)求(qiu)时，韧(ren)性(xing)越高(gao)越好。钛合(he)金(jin)在海(hai)水条(tiao)件(jian)下的应(ying)力腐(fu)蚀敏感性会(hui)增(zeng)加，冲(chong)击和断(duan)裂(lie)韧(ren)性(xing)明(ming)显(xian)体现出(chu)差(cha)异(yi)性。①相(xiang)同强(qiang)度等级(ji)、不同(tong)成(cheng)分(fen)和(he)显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)的钛合金(jin)，腐蚀疲劳(lao)裂(lie)纹(wen)扩展速率相(xiang)差超(chao)过(guo) 1 倍(bei)，应力腐蚀(shi)断(duan)裂韧性(xing) KISCC 相差超(chao)过(guo) 50%，两者(zhe)的共(gong)同(tong)作用(yong)，使(shi)得(de)主结构(gou)局部疲劳(lao)计(ji)算(suan)寿(shou)命相差(cha)超过(guo) 3 倍(bei)。②相同强(qiang)度(du)等(deng)级、不(bu)同(tong)牌号(hao)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)断(duan)裂(lie)韧(ren)性、冲击(ji)韧(ren)性(xing)相(xiang)差 1.5~2 倍(bei)，且(qie)中(zhong)、高速变形速率下的变(bian)形(xing)和(he)断裂(lie)特(te)性与低变(bian)形(xing)速率(lv)下(xia)的(de)明显(xian)不同，这(zhe)显(xian)著(zhu)影(ying)响(xiang)了装备在极(ji)端工况下(xia)的(de)破坏模(mo)式。对(dui)于(yu)深(shen)海(hai)耐(nai)压(ya)结(jie)构材料的选材设计(ji)，近 α 钛(tai)合金(jin)的(de)强度(du)是(shi)满(man)足(zu)深海(hai)耐压(ya)结构(gou)轻量(liang)化(hua)设(she)计的(de)关键因(yin)素(su)，断(duan)裂韧性则(ze)是保(bao)证(zheng)深海耐(nai)压结构服(fu)役安全可(ke)靠性的关(guan)键因素 [13,17]。遗(yi)憾的(de)是，钛(tai)合金的强(qiang)度和(he)断裂韧(ren)性通(tong)常呈现“此(ci)消彼(bi)长”的(de)关(guan)系。因(yin)此，如何(he)快速、准确地(di)对近 α 钛合金(jin)的(de)断(duan)裂韧(ren)性(xing)进(jin)行评(ping)价(jia)，以(yi)及在保证合金(jin)强度(du)的前(qian)提(ti)下(xia)尽可(ke)能(neng)提(ti)高(gao)其(qi)断(duan)裂(lie)韧(ren)性(xing)，成(cheng)为未来(lai)的(de)重(zhong)点研究方(fang)向(xiang)。
四(si)、材料(liao)基础(chu)性问题
（一(yi)）长期服(fu)役(yi)环境(jing)下(xia)钛合(he)金(jin)组织演变与(yu)性(xing)能(neng)衰减规(gui)律(lv)
在应力场(chang)和(he)腐蚀(shi)场的长(zhang)期(qi)作用下(xia)，钛合(he)金(jin)在(zai)宏观尺度(du)上表现(xian)出(chu)损伤(shang)与(yu)断裂(lie)加(jia)速(su)现(xian)象。关(guan)于这一(yi)现象(xiang)的研(yan)究：①在(zai)介观(guan)尺(chi)度(du)上，深(shen)海环(huan)境(jing)长期(qi)作用(yong)下(xia)钛(tai)合(he)金钝(dun)化(hua)膜(mo)动(dong)态溶解愈(yu)合(he)规律(lv)仍(reng)在(zai)探(tan)索；②在微观(guan)尺度(du)上，长(zhang)期(qi)高应力载荷作(zuo)用(yong)下钛(tai)合(he)金(jin)的微(wei)观组织(zhi)结构演化及其(qi)对(dui)裂(lie)纹加(jia)速扩(kuo)展(zhan)的(de)影响机制(zhi)尚(shang)不明(ming)确(que)；③在(zai)宏观(guan)尺(chi)度上(shang)，主结(jie)构(gou)用(yong)钛合(he)金的(de)载(zai)荷 – 时(shi)间 – 损(sun)伤规律缺乏(fa)足(zu)够(gou)的数(shu)据(ju)积累。因(yin)此(ci)，研(yan)究并(bing)解(jie)析钛合(he)金的组(zu)织(zhi)演(yan)变(bian)、性(xing)能衰减(jian)及其(qi)微(wei)观(guan)机制，对(dui)于提(ti)升(sheng)钛(tai)合(he)金(jin)的损(sun)伤(shang)抵(di)抗能(neng)力、深(shen)海(hai)装备主结(jie)构(gou)安全(quan)性具有重要(yao)意义。
（二(er)）冲(chong)撞条(tiao)件(jian)下钛合(he)金动态响应(ying)及(ji)裂纹萌(meng)生(sheng)扩(kuo)展机(ji)制
深(shen)海(hai)装(zhuang)备在服役(yi)过程(cheng)中(zhong)面临着冲击、碰(peng)撞等(deng)偶然现(xian)象，研究不(bu)同(tong)应(ying)变(bian)速(su)率下(xia)钛合(he)金(jin)变(bian)形(xing)损伤(shang)与(yu)动(dong)态(tai)断(duan)裂(lie)特性(xing)，对于(yu)材料性能提升(sheng)、结构(gou)安(an)全优化(hua)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)意义(yi)。在不同载荷速率下(xia)，钛(tai)合金(jin)的(de)微(wei)观(guan)变形(xing)机制以(yi)及(ji)裂纹萌(meng)生和扩(kuo)展方式(shi)差异(yi)较大(da)，导致钛(tai)合(he)金表(biao)现出(chu)较(jiao)明显(xian)的(de)宏(hong)观力学性能和损伤(shang)特(te)征差(cha)异，进而(er)显著(zhu)影(ying)响(xiang)结构(gou)的(de)断裂模(mo)式(shi)。目(mu)前(qian)，针对钛(tai)合(he)金在中(zhong)、高(gao)速(su)动载(zai)条件(jian)下动态响应及失效机制(zhi)，包(bao)括微(wei)观组织损伤(shang)、裂纹萌(meng)生(sheng)扩(kuo)展、动态断裂韧(ren)性等研(yan)究正在开展，同(tong)时包括服役环(huan)境(jing)的(de)动态(tai)断裂特性(xing)等表征方法(fa)等也(ye)在进(jin)行(xing)。
（三）钛(tai)合(he)金(jin)在深(shen)海耐(nai)压(ya)结构(gou)上应(ying)用可能(neng)存(cun)在(zai)的(de)蠕(ru)变(bian)问(wen)题(ti)
与结(jie)构钢相(xiang)比(bi)，钛合(he)金(jin)在深(shen)海耐压结构的应用过程中存(cun)在明显的(de)压缩蠕变效(xiao)应，降(jiang)低了(le)钛合金(jin)耐(nai)压结构的服役(yi)可靠性 [18,19]。蠕(ru)变(bian)效应(ying)主要(yao)归因(yin)于两(liang)方面(mian)：①钛(tai)合(he)金的(de)弹(dan)性模(mo)量(liang)较(jiao)低，约(yue)为钢的一半，导致在(zai)承受(shou)相(xiang)同(tong)强度载荷下(xia)，钛(tai)合金出现的弹(dan)性(xing)应变量约(yue)是钢的 2 倍(bei)；②钛(tai)合金(jin)组织中 α 相为密(mi)排(pai)六(liu)方(fang)结构(gou)，存(cun)在明显的(de)各向异(yi)性和包申(shen)格效(xiao)应。目前，关(guan)于钛合金(jin)蠕(ru)变行(xing)为(wei)的(de)研究，主(zhu)要集中(zhong)在以(yi)航空(kong)航天飞(fei)行器为(wei)应(ying)用背(bei)景的高(gao)温(wen)拉伸(shen)蠕(ru)变(bian)行为(wei)方(fang)面(mian)，有(you)关深海耐(nai)压(ya)结(jie)构(gou)钛合(he)金(jin)的(de)压(ya)缩蠕(ru)变行(xing)为(wei)的研究较(jiao)少(shao)。国内(nei)正(zheng)在组织(zhi)开(kai)展(zhan)钛合金(jin)在(zai)海(hai)水(shui)腐(fu)蚀介质中、近屈服应(ying)力(li)强度水平(ping)下的(de)压(ya)缩蠕变(bian)行为(wei)研究，以(yi)尽快(kuai)揭(jie)示(shi)深(shen)海耐(nai)压(ya)结(jie)构钛(tai)合金(jin)的(de)压缩(suo)蠕(ru)变(bian)损(sun)伤(shang)机理。
五、材(cai)料工程化(hua)关键(jian)技术
（一）大规格板(ban)材和(he)配套(tao)材料(liao)技术
深海装(zhuang)备耐(nai)压(ya)结构主(zhu)要(yao)通过对(dui)中厚(hou)钛合金板材(cai)进(jin)行(xing)曲(qu)面(mian)成形后(hou)组(zu)焊(han)而成(cheng)，对(dui)大规(gui)格钛合(he)金板材(cai)和(he)配(pei)套焊(han)丝材料的制备(bei)技术要求(qiu)较高(gao)。由(you)于(yu)钛(tai)及钛合(he)金板坯(pi)具(ju)有(you)热加(jia)工(gong)温(wen)度区(qu)间窄(zhai)、温(wen)降快(kuai)、高(gao)温(wen)吸(xi)氢吸(xi)氧(yang)、变(bian)形抗(kang)力(li)随(sui)温(wen)度(du)变(bian)化(hua)大(da)、容(rong)易开(kai)裂等(deng)特(te)点(dian)，因(yin)而(er)轧制温(wen)度控(kong)制(zhi)要求(qiu)非常严格(ge)，导(dao)致钛(tai)及(ji)钛合(he)金(jin)中(zhong)厚(hou)板(ban)在热(re)轧(ya)生(sheng)产(chan)线(xian)组(zu)建(jian)、稳(wen)定轧制(zhi)工(gong)艺、提(ti)高(gao)产(chan)品(pin)尺(chi)寸精度(du)等(deng)方面具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的难(nan)度(du)。
目(mu)前(qian)钛及钛(tai)合(he)金(jin)中(zhong)厚(hou)板材主(zhu)要使(shi)用钢铁加工设备(bei)进(jin)行生产，这些轧(ya)机(ji)生(sheng)产线是(shi)基于钢铁材(cai)料的特性(xing)来设计的(de)，缺乏对于钛(tai)及(ji)钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)生产(chan)的(de)针对性设(she)计，不能(neng)很好地(di)适应(ying)钛及(ji)钛(tai)合金(jin)的(de)加(jia)热特性和(he)加工特(te)性，使得(de)成(cheng)品质量(liang)不(bu)是十分(fen)理(li)想 [20]。相(xiang)关单(dan)位(wei)需要(yao)针(zhen)对钛(tai)合(he)金(jin)大(da)规格(ge)板(ban)材(cai)性能均(jun)匀(yun)性、稳定性、批量一(yi)致(zhi)性(xing)的(de)技(ji)术难题开(kai)展技术攻(gong)关，研(yan)究(jiu)高(gao)性(xing)能大(da)规格(ge)钛(tai)合(he)金(jin)板(ban)材(cai)成(cheng)形和(he)组(zu)织性(xing)能优化方(fang)法，促(cu)进大规(gui)格(ge)钛合金板(ban)材(cai)性(xing)能(neng)全(quan)面(mian)升(sheng)级(ji)，满足深海工程(cheng)领域的需求(qiu)并(bing)支(zhi)撑(cheng)其(qi)发(fa)展(zhan) [21]。
（二(er)）选(xuan)材(cai)和(he)应用(yong)考核评(ping)价(jia)
工(gong)程设(she)计(ji)和(he)建造要求(qiu)制定(ding)科学的材(cai)料(liao)评(ping)价体系，有关(guan)材料制备、建(jian)造(zao)和(he)使(shi)用(yong)方面的材料(liao)理化(hua)指(zhi)标及(ji)使(shi)用(yong)性(xing)能必(bi)须量化可(ke)考(kao)核。这(zhe)方(fang)面的(de)基础(chu)较薄弱(ruo)，成(cheng)为制约(yue)钛(tai)合金(jin)材(cai)料(liao)在(zai)深海装(zhuang)备应用(yong)的重(zhong)要因(yin)素之(zhi)一(yi)。
考(kao)虑承压要(yao)求(qiu)，深海耐压(ya)结构(gou)的选(xuan)材(cai)设计倾(qing)向于(yu)更(geng)高(gao)强度的钛合金材(cai)料；而(er)从(cong)载(zai)人(ren)球(qiu)壳(ke)结构安(an)全性(xing)考(kao)虑，要(yao)求(qiu)钛合金(jin)材(cai)料既具有足够(gou)的(de)强度(du)，还(hai)要(yao)有(you)适(shi)当断裂韧性。许(xu)多(duo)海(hai)难事(shi)故(gu)都与(yu)建(jian)造材(cai)料断裂(lie)韧性储(chu)备不足有关(guan)，例如(ru)“泰(tai)坦(tan)尼克(ke)号”海难就是由于所(suo)用(yong)钢(gang)的(de)低温(wen)冲(chong)击断(duan)裂韧(ren)性(xing)太(tai)低所(suo)导(dao)致(zhi)的(de)。由于(yu)深(shen)海(hai)耐压(ya)结构(gou)长(zhang)期在(zai)海水(shui)中(zhong)使(shi)用，还需(xu)要计及材(cai)料(liao)在海水介质中(zhong)的(de)应力(li)腐蚀临(lin)界(jie)强(qiang)度因子(zi)。从建造工艺角(jiao)度(du)出(chu)发(fa)，钛合(he)金(jin)材料应(ying)具有良好的(de)冲(chong)压(ya)成形(xing)性能和(he)焊(han)接性。
整体(ti)而(er)言(yan)，在材料(liao)制备(bei)和工(gong)艺(yi)研(yan)究阶段，需要建(jian)立完整的用于耐压结构(gou)的钛合(he)金(jin)材料评价(jia)体(ti)系(xi)，明(ming)确(que)在(zai)材料(liao)制备(bei)和建(jian)造过程(cheng)中(zhong)的(de)材料基(ji)本(ben)性能指标(biao)和(he)应(ying)用性能考(kao)核(he)方式(shi)，确(que)保钛合(he)金材料(liao)在建(jian)造过(guo)程(cheng)中的(de)质(zhi)量(liang)稳(wen)定(ding)性(xing)，据此满足(zu)装(zhuang)备(bei)在(zai)长期使(shi)用(yong)工(gong)况(kuang)和极限条(tiao)件(jian)下的可靠(kao)性(xing)要(yao)求(qiu)。
（三(san)）高(gao)效(xiao)优质(zhi)建造技术(shu)
深(shen)海耐压(ya)结(jie)构形(xing)式主(zhu)要是(shi)环(huan)肋(le)圆柱(zhu)壳体(ti)和(he)球(qiu)形封(feng)头结构，具(ju)有结(jie)构尺(chi)寸大(da)、尺(chi)寸(cun)精(jing)度要求高等突出(chu)特(te)点(dian)，而(er)现有(you)钛合金工(gong)艺尚无法完全满(man)足要(yao)求(qiu)。
大(da)型(xing)船体(ti)结(jie)构的焊(han)接(jie)工(gong)作量占到船厂总(zong)装(zhuang)工(gong)作量(liang)的一半(ban)以(yi)上(shang)，这充(chong)分体(ti)现了(le)突破(po)钛(tai)合金高(gao)效(xiao)建造技术的(de)必(bi)要性。
钛(tai)合金(jin)大(da)厚板焊(han)接方法分为电子(zi)束焊接(jie)、窄间(jian)隙(xi)填丝焊(han)接(jie)。电子束(shu)焊接自(zi)动(dong)化程(cheng)度高、焊接(jie)速(su)度(du)快(kuai)，具(ju)有工期(qi)短(duan)、工(gong)艺稳定、效(xiao)率高的(de)特点(dian)；但钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料焊(han)缝熔(rong)合区冷却(que)速度较快，焊(han)缝的(de)韧(ren)性略低；受(shou)设备(bei)条件(jian)限制，大型和复杂(za)形状构(gou)件(jian)的焊(han)缝不(bu)易(yi)实(shi)现(xian)。窄(zhai)间隙(xi)填(tian)丝焊接周(zhou)期长，对焊(han)接技术(shu)人员的(de)综(zong)合素(su)质要(yao)求(qiu)较(jiao)高，工(gong)艺影响因素多。现(xian)有的(de)工程化技(ji)术效(xiao)率(lv)较低(di)、建(jian)造(zao)适(shi)应性差(cha) [22]，需(xu)要(yao)开(kai)发(fa)效率更(geng)高、更为(wei)稳(wen)定(ding)的(de)高(gao)适应(ying)性(xing)和(he)智(zhi)能化(hua)钛(tai)合金材料焊接技(ji)术(shu)。
海(hai)洋环(huan)境(jing)中(zhong)的钛合(he)金装备需要(yao)配套(tao)的其他(ta)技(ji)术也(ye)需要尽快(kuai)开(kai)展研(yan)究。船体(ti)各部(bu)件和设(she)备(bei)、管(guan)路(lu)之(zhi)间(jian)的(de)连接因为材料牌号(hao)不(bu)同，不可(ke)避免(mian)地(di)存在(zai)异种(zhong)金属的(de)电化学(xue)腐(fu)蚀(shi)问题；采(cai)取有(you)效(xiao)的电(dian)绝缘(yuan)或(huo)补偿(chang)措施是(shi)工程应用中必(bi)须考虑(lv)的技术(shu)问(wen)题。钛(tai)合金材料(liao)生物相容(rong)性好(hao)，海洋环(huan)境(jing)中(zhong)的海(hai)生(sheng)物附着(zhe)和生长现象(xiang)会(hui)导(dao)致管路堵塞、重(zhong)量增加以及(ji)其(qi)他(ta)不良影响(xiang)，需(xu)要(yao)具(ju)有解(jie)决(jue)长效(xiao)防污问(wen)题(ti)的(de)实用手(shou)段(duan)。
六(liu)、结语(yu)
钛(tai)合(he)金(jin)材料(liao)在(zai)以载人深潜(qian)器(qi)为代表(biao)的深海装备耐(nai)压(ya)结构(gou)上(shang)的(de)成(cheng)功使用(yong)，为深海(hai)领(ling)域的装备(bei)选(xuan)材和创(chuang)新(xin)应(ying)用(yong)提(ti)供(gong)了(le)良好(hao)示范(fan)。
面对我(wo)国(guo)未(wei)来海洋(yang)强(qiang)国(guo)建设(she)需要(yao)更(geng)多(duo)类(lei)型钛合(he)金深海(hai)装(zhuang)备(bei)的趋势，我们建议(yi)：行(xing)业(ye)部(bu)门深化(hua)合(he)作(zuo)与科学分工(gong)，打(da)牢(lao)钛(tai)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)基(ji)础(chu)研究，突(tu)破(po)用于深海耐压(ya)结(jie)构的(de)钛合(he)金(jin)材(cai)料强韧(ren)化、耐腐蚀(shi)等机(ji)理(li)机(ji)制，优化(hua)钛合(he)金(jin)板材(cai)大(da)厚(hou)度焊(han)接等(deng)工程化(hua)技(ji)术(shu)，建立极(ji)端(duan)工(gong)况(kuang)下(xia)的钛(tai)合金(jin)结(jie)构(gou)考(kao)核(he)评价(jia)体系(xi)，化(hua)解制(zhi)约(yue)应(ying)用(yong)的(de)安(an)全可靠(kao)性(xing)风险(xian)。通(tong)过(guo)深(shen)海(hai)装(zhuang)备顶(ding)层需(xu)求 – 总(zong)体设(she)计(ji) – 材料工艺(yi)等(deng)各(ge)个环(huan)节的(de)共同(tong)努力(li)，为加(jia)速我(wo)国深(shen)海(hai)领(ling)域研究和(he)应(ying)用创新(xin)奠(dian)定坚实基(ji)础。
参(can)考(kao)文(wen)献
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