1、、引言

水中刀兵、、水下机械人、、水下（蛙人）输送器、、载人深潜器等新型水下航行器能够用于探测水下环境、、布放水中刀兵、、进行水下爆破以及追踪敌方舰艇、、航母、、潜艇等指标，，拥有重大利用价值 ［1 －2］
。 钛作为一种金属元素，，固然早在 18 世纪就以含钛矿物的大局在英格兰康沃尔郡被发现，，但其早期的工业化过程却相对缓慢
。 进入 20 世纪，，从 1908 年，，美国和挪威用硫酸法出产钛白，，到 1910 年，，钠法制海绵钛初次在尝试室得到利用并得到成功，，都只是钛的小批量制取
。 而到了1948 年，，成吨出产海绵钛的镁法制钛工艺初次在美国杜邦公司得到利用，，这才标志取钛工业化出产的起头
。 钛的密度为4.51g/cm³ ，，仅为铁的 57.4％
。 以 Ｔｉ?6Ａｌ?4Ｖ 为代表的常用钛合金强度很高，，可能达到通常高强度钢的水平，，还有其他类型钛合金具备更高的强度 ［3］
。 钛及其合金由于密度小、、强度高、、拥有较高的比强度以及其兼具耐侵蚀、、无磁、、透声、、低温机能好、、抗冲击振动、、可加工性好等综合机能特点，，受到了世界列国资料界和军方的关注 ［4］ ，，在航空、、航天、、船舶、、汽车等行业已经起头得到了利用 ［5－7］
。 凭借其优异的综合机能，，钛合金在水中刀兵、、水下机械人、、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利用远景，，出格是在大潜深时，，钛合金的优势越发显著
。 本文基于水下航行器用钛合金的物理力学个性，，概述了国内外水下航行器用钛合金的钻研和利用进展，，会商了今后水下航行器利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利用提供理论和技术参考
。

2、、水下航行器用钛合金发展过程和近况

水下航行器用钛合金重要是从舰船（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钻研，，并

各自形成钛合金系统 ［8 －10］
。 俄罗斯凭借前苏联时期的金属资料工业基础，，在舰船（艇）用钛合金方面的钻研、、利用水安稳居世界前列，，占有 785ＭＰａ、、686 ＭＰａ、、580 ＭＰａ、、490 ＭＰａ 强度等级的系列船用钛合金
。 为便于尺度化设计，，俄罗斯按用处进行了分类，，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
。 美国水师于 20 世纪 50 年代起头把稳到钛及钛合金用于舰船（艇）工业的可能性，，1963 年起头进行大量的工程化钻研，，并成功地将钛用于各类动力的航母、、水面艇、、潜艇、、民用船
。 美国重要利用的钛材有：：：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，，这些资料重要用于舰艇的耐压壳体、、海水管路系统、、冷凝器和热互换器、、排电扇的叶片、、推动器轴、、弹簧、、航母上的消防设备等 ［8］
。 我国舰船（艇）用钛合金的钻研和利用始于20 世纪60 年代 ［11］ ，，经过持久的摸索和发展，，钛合金的钻研和利用水平都有了长足进取，，已经形成了较为齐全的舰用钛合金系列，，能满足各类型水面、、水下舰船（艇）及其相应部位对分歧强度等级的需要
。 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、、高强度的不一致级，，如表 1 所示
。 除了通例舰船（艇）用钛合金钻研，，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）和水下航行器上的利用钻研，，同时在新型钛合金的创新研制等方面获得了突破，，部门新研钛合金已起头陆续在各类舰船（艇）、、潜航器等设备上服役，，这为扩大钛合金在新型水下航行器方面的利用奠定了基础
。 在现实工程利用钻研方面，，近年来，，我国在一些声呐导流罩、、螺旋桨、、声呐扫雷具等设备上，，选取钛合金制作的最终产品利用成效较好
。 此外我国钛合金也宽泛利用于潜望镜、、雷达支座、、泵、、管、、阀、、冷却器、、热互换器等部位 ［12］ ，，极大提升了舰船综合机能
。 我国研制的新型钛合金球鼻艏也已经得到了利用，，拥有刚性好、、强度高、、质量靠得住、、内部噪音低、、透声机能优异、、维修用度少等优势，，添补了我国高机能钛合金球鼻艏关键技术空缺 ［13］
。 为满足不休发展的利用需要，，当前我国新型钛合金的研制也非；；；钤，，其中水下航行器用钛合金是我国钛合金钻研和发展的重要方向之一
。

工艺制作能力方面，，因其拥有高比强度、、抗侵蚀、、耐高温、、可焊接等优良的机能，，钛合金最早用于制作潜艇的外壳、、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 钛合金制作，，这使其拥有了无磁性、、大潜深、、航速快、、噪音小、、维修次数少等良好机能 ［14］
。

目前，，我国能够自主出产出钛合金板、、环、、饼、、棒、、管、、丝和铸件等产品，，这些原资料为水下航行器用钛合金的工业化利用提供有力支持，，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，，已成功利用于大直径大潜深载人舱，，其必要的板材厚度已经超过世界大无数国度的轧制工艺水平
。 图 1 为我国研制的 ＴＣ4ＥＬＩ 钛合金重要技术参数 ［15］
。

3、、新型水下航行器用钛合金力学机能分析

水中刀兵、、水下机械人、、水下滑翔机、、载人深潜器等新型水下航行器通常都处于高压强的海水中，，必要克服深海高压带来的不利影响
。 随着作业深度的增长，，水下工作环境前提 对航行器所接受载荷和压力的机能要求不休提升 ［16］ ，，一旦航行器密封结构出现破损、、泄露，，将会引发不成估计的后果，，所以有必要对水下航行器密封结构资料的力学机能进行分析 ［17］
。 ＴＣ4ＥＬＩ 钛合金与常用金属工程资料的重要力学参数如表 2 所示 ［18 －19］
。

在这些表征资料个性的参数中，，密度是资料的根基属性之一，，能够衡量其单元体积的质量大
；；；另一个重要参数是屈服极限，，它是资料的一个重要力学个性，，体现了其弹性变形领域内接受载荷的能力
。 图 2 是以上几种资料的密度和屈服极限对比柱状图
。

从图 2（ａ）能够看出 6061 铝合金密度最低，，Ｑ235 碳素结构钢和 06Ｃｒ19Ｎｉ10 不锈钢密度最高，，注明在同样的结构或体积前提下，，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显著优势；；；然而从几种资料的屈服极限对比图 2（ｂ）能够看出，，以 ＴＣ4ＥＬＩ 为代表的钛合金在几种资猜中阐发更好
。

表 2 中还有一个表征资料属性的重要参数比强度，，它是资料抗拉强度与密度之比，，比强度越高批注达到相应强度所用的资料质量越轻
。 优质的结构资料应拥有较高的比强度，， 能力尽量以较小的截面满足强度要求，，同时能够大幅度减小结构体自身的自重 ［20］
。 图 3 是以上几种资料比强度曲线
。

从图 3 中能够看出，，以 ＴＣ4ＥＬＩ 为代表的钛合金有优于其他常用工程金属资料的比强度，，有利于减轻水下航行器的整体质量，，并提升综合力学机能
。 此外钛合金兼拥有较好的韧性，，现有技术前提下，，其断裂韧性 Ｋ1Ｃ 值在 50 ＭＰａ·ｍ 1／2以上 ［8］ ，，有钻研批注结构资料在满足强度要求的前提下，，韧性越高越好 ［10］
。

4、、新型钛合金水下航行器利用钻研进展

很长一段功夫，，我国水师服役舰艇的耐压壳体声纳导流罩以及管路系统所选取的资料根基上是碳钢、、铝合金、、不锈钢
。 值妥贴心的是，，俄罗斯（前苏联）已经也选用过这些通例 资料，，但之后大多转为用钛合金，，且最终利用成效优良
。 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械设备都用钛合金制作
。 以及在 20 世纪70 年代初曾引起世界宽泛关注的 Ａ 级攻击型核潜艇，，是其时国际上核潜艇中吨位最
。ㄋ屡潘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，，也是选取钛合金为重要资料实现建造 ［22］
。

俄罗斯以及乌克兰拥有纯熟的劳动力和精密的试验装置 ［23］ ，，并且出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资料技术是他们的强项 ［24］
。 除了俄罗斯和乌克兰，，其他国度也相继在钛合金利用领域发展钻研
。 美国从 20 世纪 60年代起头了钛合金潜器的钻研和利用，，1981 年和 1982 年建造的“海崖”号深潜器，，就设备了钛合金制作的观察舱和把持舱
。 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重要结构部件都选取钛合金制作 ［21，，25］
。

钛合金在我国大尺度、、大潜深航行器钻研领域中也获得了新的突破
。 由于力学机能好、、服役寿命长、、守护成本少，，钛合金在潜航器上的应器拥有显著的优势，，出格是大潜深设备 壳体资料，，不仅必要兼具极高的强度和较好的韧性，，并且必要有较好的防腐、、透声、、无磁等综合个性，，因而高机能钛合金资料的钻研和利用是重要的发展趋向，，并且已经有了肯定的技术突破
。 大连理工大学王雷等提出一种利用于水下机械人的筒式同步型永磁推动器的隔离套就是使用钛合金资料 ［26］ ，，浙江大学胡任通过对分歧资料耐压机能的分析确定钛合金作为水下滑翔机耐压外壳资料 ［27］ ，，中国科学院先导专项支持下的7 000 ｍ 级深；；；杌芊馔凡慷烁且彩鞘褂妙押辖鹱柿 ［28］
。 钛合金在载人深潜领域的阐发凸起，，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 ［29］
。 这几型潜器的耐压壳均使用了高强度的钛合金资料，，其他重要结构也选取钛合

金资料制作
。 能够说钛合金在当前我国新型水下航行器领域阐扬了巨大作用，，后续也将对高机能航行器的研提议到积极作用
。

5、、瞻望

近年来，，钛合金在新型水下航行器上的利用已引起列国军民领域的器重
。 钛合金的利用有助于减轻结构质量、、改善载荷声学、、力学、、电磁环境，，耽搁设备使用寿命
。 经过半个多 世纪的钻研，，我国已经开发并形成了较为齐全的钛合金系列，，并拥有较强的工艺制作能力
。 但是钛合金在我国水中刀兵、、水下机械人、、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利用钻研尚处于起步阶段，，还拥有相当大的发展潜力，，出格是在大尺度、、耐侵蚀、、超潜深、、可静默等职能属性的实现上还存在肯定的技术挑战
。 将来可在新型钛合金资料研制，，钛合金锻压、、轧制、、铸造、、焊接等传统制作工艺创新，，3Ｄ 打印、、急剧成型等增材制作技术钻研，，钛合金资料评价系统创新，，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利用领域获得持续的技术突破
。

1） 资料研制方面，，能够从资料组份元素调整、、制法流程优化等方面促成新型钛合金的谱系美满
。

2） 传统工艺方面，，应正视钛合金成型过程中微观组织节制，，锻压、、轧制、、铸造、、焊接等关键工艺参数简直定 ［30］ ，，热变形工艺的精确节制 ［31］ ，，以及工艺设备的改革等
。

3） 增材制作是近年来资料成型技术钻研的一个热点，，这种先进制作技术颠覆了人们对机械制作的传统意识 ［32］ ，，钛合金打印母材的制备、、专用成型设备的研发、、打印参数简直定、、水下航行器部件打印的拓扑分列，，以及最终零件的拼接等方面技术必要进一步钻研突破
。

4） 评价系统方面，，应该健全成熟的选材领导准则 ［33］ ，，出格是该当成立供新型水下航行器利用方面的钛材领导评价准则，，如能够依照潜深、、防腐等级、、透声要求等指标，，对应拔取的钛合金系列类型进行尺度化评定
。

5） 结构优化方面，，利用航空航天、、刀兵设备、、车辆工程等领域的先进设计步骤，，以现有钛合金为工程资料，，对新型水下航行器主体结构进行力学优化和预报仿真，，充分阐扬钛

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［33］ 于宇，，李嘉琪.国内外钛合金在海洋工程中的利用近况与瞻望［Ｊ］.资料开发与利用，，2018，，33（03）：：：112 －115．Ｙｕ Ｙ，，Ｌｉ Ｊ Ｑ.Ｃｕｒｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ?ｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，，2018，，33（03）：：：112 －115．

［34］ 颜家杰，，蔡云蛟，，徐能强.某小型特种车辆转向机构设计与钻研［Ｊ］.机械工程师，，2014（12）：：：14 －15．Ｙａｎ Ｊ Ｊ，，Ｃａｉ Ｙ Ｊ，，Ｘｕ Ｎ Ｑ.Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔｅｅｒｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａ ｓｍａｌｌ ｓｐｅｃｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉ?ｎｅｅｒ，，2014 （12）：：：14 －15．

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科学编纂　 宋鸿武 博士（中国科学院金属钻研所项目钻研员、、硕导）

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