【论文】高列宁:高强度钛合金——深海工程的基础(一)

苏苏的凤尾鱼 2025-02-20 16:10:41

研究和开发世界海洋的一个根本性新方向是利用载人潜水器形式的深海技术,这种潜水器可以在潜水作业无法到达的深度开展各种工作。目前,载人深海潜水器被用于勘探石油、天然气、铺设主干管道和安装水下储油设施,维护和修理各种水下结构以及其他作业。由于对水下作业的需求不断增加,正在开发新的更先进的潜水器,以增加潜水深度和执行更广泛的功能任务。制造坚固的深海潜水器壳体需要具有高比强度、耐腐蚀性和可加工性的材料。钛合金可以最大程度地满足这些要求。在强度值相同的情况下,钛合金外壳的密度比钢外壳小20-25%。高强度铝合金的比强度也很高,但与钛合金相比,它们的腐蚀性和技术性能较低。迄今为止,在潜水器的设计、建造和操作方面已经积累了大量经验。现代潜水器的特点是下潜深度和排水量不断增加。俄罗斯已建造了10多艘钛合金深水载人潜水器,下潜深度从500m到2000m不等。这些潜水器的耐压壳体是由普罗米修斯中央结构材料研究院开发的Ti-4Al-2V成分的近α钛合金制成的,其屈服强度保证至少为580MPa。为了制造更深层的勘探设备(世界海洋底部98%的面积位于6000m深处),需要使用更坚固的合金。由于使用了同样由普罗米修斯中央结构材料研究院开发的一种新型高强度近α-钛合金(Ti-5Al-1,3Mo-1,5V),其屈服强度可达840-850MPa,因此可以设计和建造两艘载人潜水器“Rus ”号和 “Consul ”号,这两艘潜水器重约25吨,下潜深度可达6000-6500m。使用轻质填料为壳体和其他排水部件提供必要的浮力。Rus和Consul潜水器耐压壳体是一个内径2.1的球体。壳体的几何尺寸的选择是为了容纳三名船员、控制和生命支持设备。其余设备都被移到了流线型壳体之外,包括轻质填料。球形耐压壳体由两个半球组成。每个半球都由冲压金属板坯件(花瓣)制成,通过手工氩弧焊焊接在开槽的间隙上。填料使用的是符合GOST 27265-87标准的2B牌号焊丝。

钻孔后的半球体被焊接上底部,并焊接上三个舷窗中的一个。然后,根据消除残余应力的机制对半球进行热处理(675℃-3h-空气冷却),然后在半球外部和内部进行机械加工。半球也通过手工氩弧焊沿着槽缝焊接在一起。在没有焊缝加固和使用强度低于母材的焊丝的情况下,对接焊接接头的强度相同,这是由于加载时接触硬化的影响。这一系列技术操作确保了球形实体几何尺寸的精度要求。普罗米修斯中央结构材料研究院为耐压和外部壳体框架的制造提供了科技支持。载人深海潜水器 “Rus ”号和 “Consul ”号目前正在运行。已知的外国深海潜水器有Sea Cliff和Alvin(美国)、Nautile(法国)和Shinkai(日本),它们的壳体为钛合金,排水量从13吨到30吨不等。深海技术,特别是深海潜水器的进一步发展与两个方向有关。第一个方向是不断改进和扩大潜水深度达6000-6500米的潜水器的功能范围。随着经验的积累,对设备的性能提出了新的要求,如提高其自主性、速度和有效载荷能力;改进导航和显示系统、操纵装置、电源和其他设备。第二,扩大了在世界海洋各种盆地和断层中的研究和工作计划,并相应地建立了在6500多米深的海底工作的工具。最著名的马里亚纳海沟深约11000米。世界海洋的这些区域实际上尚未被开发。这两个方向的发展都需要进一步提高壳体材料的强度。初步评估显示,深海载人潜水器的潜航深度可达11000米,需要使用屈服强度保证在1100-1200MPa的钛合金。然而,使用这种强度等级的合金需要解决一系列与塑性和抗裂特性降低以及工艺特性(包括可焊性)相应降低有关的问题。只有高合金化的α+β合金在时效后的热强化状态下,强度特性才能提高到规定值。

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简介:俄罗斯材料科学与工程领域的研究和应用历史现状