1、小序

水中武器、水下机械人、水下（蛙人）运送器、载人深潜器等新型水下航行器可以用于探测水下情形、布放水中武器、举行水下爆破以及追踪敌方舰艇、航母、潜艇等目的，，，，，，，具有重大应用价值 ［1 －2］ 。。。。。。 钛作为一种金属元素，，，，，，，虽然早在 18 世纪就以含钛矿物的形式在英格兰康沃尔郡被发明，，，，，，，但其早期的工业化历程却相对缓慢。。。。。。 进入 20 世纪，，，，，，，从 1908 年，，，，，，，美国和挪威用硫酸法生产钛白，，，，，，，到 1910 年，，，，，，，钠法制海绵钛首次在实验室获得应用并获得乐成，，，，，，，都只是钛的小批量制取。。。。。。 而到了1948 年，，，，，，，成吨生产海绵钛的镁法制钛工艺首次在美国杜邦公司获得应用，，，，，，，这才标记着钛工业化生产的最先。。。。。。 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，，，，，，，能够抵达通俗高强度钢的水平，，，，，，，尚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、具有较高的比强度以及其兼具耐侵蚀、无磁、透声、低温性能好、抗攻击振动、可加工性好等综合性能特点，，，，，，，受到了天下各国质料界和军方的关注 ［4］ ，，，，，，，在航空、航天、船舶、汽车等行业已经最先获得了应用 ［5－7］ 。。。。。。 依附其优异的综合性能，，，，，，，钛合金在水中武器、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应用远景，，，，，，，特殊是在大潜深时，，，，，，，钛合金的优势越发显着。。。。。。 本文基于水下航行器用钛合金的物理力学特征，，，，，，，概述了海内外水下航行器用钛合金的研究和应用希望，，，，，，，讨论了以后水下航行器应用钛合金的手艺生长偏向，，，，，，，为钛合金在新型水下航行器上的应用提供理论和手艺参考。。。。。。

2、水下航行器用钛合金生长历程和现状

水下航行器用钛合金主要是从舰船（艇）用钛合金生长而来，，，，，，，到现在为止，，，，，，，天下上只有美国、俄罗斯等少数海洋大国，，，，，，，以及中国举行专门的水下、水面航行器用钛合金研究，，，，，，，并

各自形成钛合金系统 ［8 －10］ 。。。。。。 俄罗斯依附前苏联时期的金属质料工业基础，，，，，，，在舰船（艇）用钛合金方面的研究、应用水平稳居天下前线，，，，，，，拥有 785ＭＰａ、686 ＭＰａ、580 ＭＰａ、490 ＭＰａ 强度品级的系列船用钛合金。。。。。。 为便于标准化设计，，，，，，，俄罗斯按用途举行了分类，，，，，，，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 年月最先注重到钛及钛合金用于舰船（艇）工业的可能性，，，，，，，1963 年最先举行大宗的工程化研究，，，，，，，并乐成地将钛用于种种动力的航母、水面艇、潜艇、民用船。。。。。。 美国主要应用的钛材有：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，，，，，，，这些质料主要用于舰艇的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交流器、排电扇的叶片、推进器轴、弹簧、航墓亓消防装备等 ［8］ 。。。。。。 我国舰船（艇）用钛合金的研究和应用始于20 世纪60 年月 ［11］ ，，，，，，，经由恒久的探索和生长，，，，，，，钛合金的研究和应用水平都有了长足前进，，，，，，，已经形成了较为完整的舰用钛合金系列，，，，，，，能知足种种型水面、水下舰船（艇）及其响应部位对差别强度品级的需求。。。。。。 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、高强度的差别品级，，，，，，，如表 1 所示。。。。。。 除了通例舰船（艇）用钛合金研究，，，，，，，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）和水下航行器上的应用研究，，，，，，，同时在新型钛合金的立异研制等方面取得了突破，，，，，，，部分新研钛合金已最先陆续在种种舰船（艇）、潜航器等装备上服役，，，，，，，这为扩大钛合金在新型水下航行器方面的应用涤讪了基础。。。。。。 在现实工程应用研究方面，，，，，，，近年来，，，，，，，我国在一些声呐导流罩、螺旋桨、声呐扫雷具等装备上，，，，，，，接纳钛合金制造的最终产品应用效果较好。。。。。。 别的我国钛合金也普遍应用于潜望镜、雷达支座、泵、管、阀、冷却器、热交流器等部位 ［12］ ，，，，，，，极大提升了舰船综合性能。。。。。。 我国研制的新型钛合金球鼻艏也已经获得了应用，，，，，，，具有刚性好、强度高、质量可靠、内部噪音低、透声性能优异、维修用度少等优势，，，，，，，填补了我国高性能钛合金球鼻艏要害手艺空缺 ［13］ 。。。。。。 为知足一直生长的应用需求，，，，，，，目今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研究和生长的主要偏向之一。。。。。。

工艺制造能力方面，，，，，，，因其具有高比强度、抗侵蚀、耐高温、可焊接等优异的性能，，，，，，，钛合金最早用于制造潜艇的外壳、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 钛合金制造，，，，，，，这使其具有了无磁性、大潜深、航速快、噪音小、维修次数少等优良性能 ［14］ 。。。。。。

现在，，，，，，，我国可以自主生产出钛合金板、环、饼、棒、管、丝和铸件等产品，，，，，，，这些原质料为水下航行器用钛合金的工业化应用提供有力支持，，，，，，，其中由我国研制的钛合金 ＴＣ4ＥＬＩ（名义因素：Ｔｉ?6Ａｌ?4Ｖ，，，，，，，低间隙），，，，，，，抗拉强度可达 1 100 ＭＰａ，，，，，，，弹性模量为 110 ＧＰａ，，，，，，，已乐成应用于大直径大潜深载人舱，，，，，，，其需要的板材厚度已经凌驾天下大大都国家的轧制工艺水平。。。。。。 图 1 为我国研制的 ＴＣ4ＥＬＩ 钛合金主要手艺参数 ［15］ 。。。。。。

3、新型水下航行器用钛合金力学性能剖析

水中武器、水下机械人、水下滑翔机、载人深潜器等新型水下航行器一样平常都处于高压强的海水中，，，，，，，需要战胜深海高压带来的倒运影响。。。。。。 随着作业深度的增添，，，，，，，水下事情情形条件 对航行器所遭受载荷和压力的性能要求一直提升 ［16］ ，，，，，，，一旦航行器密封结构泛起破损、泄露，，，，，，，将会引发不可估量的效果，，，，，，，以是有须要对水下航行器密封结构质料的力学性能举行剖析 ［17］ 。。。。。。 ＴＣ4ＥＬＩ 钛合金与常用金属工程质料的主要力学参数如表 2 所示 ［18 －19］ 。。。。。。

在这些表征质料特征的参数中，，，，，，，密度是质料的基本属性之一，，，，，，，可以权衡其单位体积的质量大。。。。。；；；；；另一个主要参数是屈服极限，，，，，，，它是质料的一个主要力学特征，，，，，，，体现了其弹性变形规模内遭受载荷的能力。。。。。。 图 2 是以上几种质料的密度和屈服极限比照柱状图。。。。。。

从图 2（ａ）可以看出 6061 铝合金密度最低，，，，，，，Ｑ235 碳素结构钢和 06Ｃｒ19Ｎｉ10 不锈钢密度最高，，，，，，，说明在同样的结构或体积条件下，，，，，，，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着优势；；；；；然而从几种质料的屈服极限比照图 2（ｂ）可以看出，，，，，，，以 ＴＣ4ＥＬＩ 为代表的钛合金在几种质料中体现更好。。。。。。

表 2 中尚有一个表征质料属性的主要参数比强度，，，，，，，它是质料抗拉强度与密度之比，，，，，，，比强度越高批注抵达响应强度所用的质料质量越轻。。。。。。 优质的结构质料应具有较高的比强度，，，，，，， 才华只管以较小的截面知足强度要求，，，，，，，同时可以大幅度减小结构体自己的自重 ［20］ 。。。。。。 图 3 是以上几种质料比强度曲线。。。。。。

从图 3 中可以看出，，，，，，，以 ＴＣ4ＥＬＩ 为代表的钛合金有优于其他常用工程金属质料的比强度，，，，，，，有利于减轻水下航行器的整体质量，，，，，，，并提升综协力学性能。。。。。。 别的钛合金兼具有较好的韧性，，，，，，，现有手艺条件下，，，，，，，其断裂韧性 Ｋ1Ｃ 值在 50 ＭＰａ·ｍ 1／2以上 ［8］ ，，，，，，，有研究批注结构质料在知足强度要求的条件下，，，，，，，韧性越高越好 ［10］ 。。。。。。

4、新型钛合金水下航行器应用研究希望

很长一段时间，，，，，，，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接纳的质料基本上是碳钢、铝合金、不锈钢。。。。。。 值得注重的是，，，，，，，俄罗斯（前苏联）一经也选用过这些通例 质料，，，，，，，但之后大多转为用钛合金，，，，，，，且最终应用效果优异。。。。。。 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宗装置和机械装备都用钛合金制造。。。。。。 以及在 20 世纪70 年月初曾引起天下普遍关注的 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）、航行速率最快（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，，，，，，，也是接纳钛合金为主要质料完成制作 ［22］ 。。。。。。

俄罗斯以及乌克兰具有熟练的劳动力和细密的试验装置 ［23］ ，，，，，，，并且生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质料手艺是他们的强项 ［24］ 。。。。。。 除了俄罗斯和乌克兰，，，，，，，其他国家也相继在钛合金应用领域开展研究。。。。。。 美国从 20 世纪 60年月最先了钛合金潜器的研究和应用，，，，，，，1981 年和 1982 年制作的“海崖”号深潜器，，，，，，，就装备了钛合金制造的视察舱和使用舱。。。。。。 法国 1985年研制的“鹦鹉螺” 号潜水器、日本“深海6500”视察深潜器、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主要结构部件都接纳钛合金制造 ［21，，，，，，，25］ 。。。。。。

钛合金在我国大标准、大潜深航行器研究领域中也取得了新的突破。。。。。。 由于力学性能好、服役寿命长、维护本钱少，，，，，，，钛合金在潜航器上的应用具有显着的优势，，，，，，，特殊是大潜深装备 壳体质料，，，，，，，不但需要兼具极高的强度和较好的韧性，，，，，，，并且需要有较好的防腐、透声、无磁等综合特征，，，，，，，因此高性能钛合金质料的研究和应用是主要的生长趋势，，，，，，，并且已经有了一定的手艺突破。。。。。。 大连理工大学王雷等提出一种应用于水下机械人的筒式同步型永磁推进器的隔离套就是使用钛合金质料 ［26］ ，，，，，，，浙江大学胡任通过对差别质料耐压性能的剖析确定钛合金作为水下滑翔机耐压外壳质料 ［27］ ，，，，，，，中国科学院先导专项支持下的7 000 ｍ 级深；；；；；枭衩胤馔凡慷烁且彩鞘褂妙押辖鹬柿 ［28］ 。。。。。。 钛合金在载人深潜领域的体现突出，，，，，，，由我国自主研制的“深海勇士” 号载人潜水器事情深度最大为4 500 ｍ，，，，，，，“蛟龙号”载人潜水器下潜深度乐成突破 7 000 ｍ，，，，，，，“斗争者号”载人潜水器（见图 4）在马里亚纳海沟乐成问鼎“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质料，，，，，，，其他主要结构也接纳钛合

金质料制造。。。。。。 可以说钛合金在目今我国新型水下航行器领域施展了重着述用，，，，，，，后续也将对高性能航行器的研提倡到起劲作用。。。。。。

5、展望

近年来，，，，，，，钛合金在新型水下航行器上的应用已引起各国军民领域的重视。。。。。。 钛合金的应用有助于减轻结构质量、改善载荷声学、力学、电磁情形，，，，，，，延伸装备使用寿命。。。。。。 经由半个多 世纪的研究，，，，，，，我国已经开发并形成了较为完整的钛合金系列，，，，，，，并具有较强的工艺制造能力。。。。。。 可是钛合金在我国水中武器、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应用研究尚处于起步阶段，，，，，，，还具有相当大的生长潜力，，，，，，，特殊是在大标准、耐侵蚀、超潜深、可静默等功效属性的实现上还保存一定的手艺挑战。。。。。。 未来可在新型钛合金质料研制，，，，，，，钛合金锻压、轧制、铸造、焊接等古板制造工艺立异，，，，，，，3Ｄ 打印、快速成型等增材制造手艺研究，，，，，，，钛合金质料评价舷立异，，，，，，，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应用领域取得一连的手艺突破。。。。。。

1） 质料研制方面，，，，，，，可以从质料组份元素调解、制法流程优化等方面促成新型钛合金的谱系完善。。。。。。

2） 古板工艺方面，，，，，，，应注重钛合金成型历程中微观组织控制，，，，，，，锻压、轧制、铸造、焊接等要害工艺参数简直定 ［30］ ，，，，，，，热变形工艺的准确控制 ［31］ ，，，，，，，以及工艺装备的刷新等。。。。。。

3） 增材制造是近年来质料成型手艺研究的一个热门，，，，，，，这种先进制造手艺倾覆了人们对机械制造的古板熟悉 ［32］ ，，，，，，，钛合金打印母材的制备、专用成型装备的研发、打印参数简直定、水下航行器部件打印的拓扑排列，，，，，，，以及最终零件的拼接等方面手艺需要进一步研究突破。。。。。。

4） 评价系统方面，，，，，，，应该健全成熟的选材指导准则 ［33］ ，，，，，，，特殊是应当建设供新型水下航行器应用方面的钛材指导评价准则，，，，，，，如可以凭证潜深、防腐品级、透声要求等指标，，，，，，，对应选取的钛合金系列类型举行标准化评定。。。。。。

5） 结构优化方面，，，，，，，使用航空航天、武器装备、车辆工程等领域的先进设计要领，，，，，，，以现有钛合金为工程质料，，，，，，，对新型水下航行器主体结构举行力学优化和预告仿真，，，，，，，充分验展钛

合金的力学特征，，，，，，，从质量功效上确保航行器机械结构的可靠性 ［30，，，，，，，34 －36］ 。。。。。。

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科学编辑　 宋鸿武 博士（中国科学院金属研究所项目研究员、硕导）

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