一、深海工程材料国内外应用现状

1.1 深潜器载人耐压壳体材料

深潜器（又称为潜水器）是深海探测、开发必不可少的装备。其中，载人潜水器因为可以使科考人员亲临深海现场作业，具备其他潜水器无可替代的作业特点。与无人潜水器相比，载人潜水器在设计、选材、建造等方面都面临更大的技术挑战，被视为深海工程领域的技术制高点。载人球壳是潜航员生命安全的保障，其设计、选材与制备涉及多个学科，是载人潜水器的核心部件。图1中列出了世界上不同时期研制的主要载人潜水器及其载人舱壳体特征，包括载人舱乘员人数、材料屈服强度级别和材料类别。

国际上（a）及中国（b）在不同时期研制的主要载人潜水器及其载人舱壳体特征

1.2 深潜器设备仪器耐压壳体材料

深潜器携带的观测探测仪器要通过耐压壳体来抵抗巨大的静水压力。相比于载人耐压壳体，设备仪器耐压壳体材料更强调成本及结构减重，因此钛合金、铝合金以及具有更高抗压强度的陶瓷均被应用于设备仪器耐压壳体。铝合金、钛合金等金属的比强度低于陶瓷，但金属材料基本不会发生类似陶瓷的脆性断裂，因此金属结构的可靠性优于陶瓷壳体。当耐压舱体使用深度较小并且使用周期不超过6个月时，低密度、低成本铝合金具有一定应用优势。反之，当使用周期较长、深度较大时，具有更高比强度及耐腐蚀性能的钛合金成为必选。

二、深海工程材料技术发展趋势及挑战

一代材料，一代装备，材料是装备的基石。新材料技术的发展主要以装备的应用需求为牵引。深海装备总体向着大型化、大深度、长周期、全海域、多功能、无人化等方向加快发展，对材料的核心性能、大规格制备、长寿命服役、宽温域适应性、多功能特性等提出了更高的综合要求。

2.1 深潜器耐压壳体材料

与航空航天装备类似，深潜器对结构减重的需求是永恒的。减重带来的效益显著，可增大海洋探测装备的航行灵活度、增大下潜深度、减少浮力材料用量、降低能源消耗、提升装备作业周期，为此高强度钛合金、轻量化复合材料壳体具有显著的技术优势。相比于金属耐压壳体，有机玻璃壳体在显著扩大观测视角方面具有明显的优势。深海工程新材料的核心性能优化、大规格低缺陷制备、应用技术及结构设计等均面临相应的技术挑战。

钛合金壳体

目前钛合金仍然是深海耐压壳体的主体材料。深海装备的大型化、大深度等技术水平不断提升，对钛合金性能及制造工艺提出了更高的要求，钛合金材料面临的机遇及挑战主要体现在以下4个方面。

（1）高强钛合金逐渐获得应用，强度韧性匹配是瓶颈。耐压壳体的结构减重设计要求采用更高强度钛合金，然而强度升高往往导致韧性降低、降低结构的可靠性及服役寿命，优化钛合金强度、韧性匹配是关键。以往中国高性能钛合金的研发及应用主要围绕航空、航天两大领域，钛合金的材料体系、性能及制造技术均以满足航空、航天要求为主，而海洋服役环境对钛合金材料性能及制造技术提出了特色鲜明的要求，特别是对冲击韧性要求更高。中国科学院金属研究所近期研发了屈服强度1000、1200 MPa强度级别的高强高韧钛合金，小批量制备了深渊原位科学实验站用钛合金壳体、深渊滑翔机钛合金壳体，基本替代了800 MPa的Ti64合金，如图所示。值得一提的是，1200 MPa基本上与目前航空钛合金大型承载结构的屈服强度的zui高水平相当，进一步提升深海工程钛合金的强度韧性匹配难度较大。虽然高强韧钛合金应用可以带来显著的减重效益，但受制于制备技术难度、配套的制造工艺以及规模应用成本等综合因素，尚未在中国深海装备上实现系统化、规模化应用。

深渊原位科学实验站用体系化结构钛合金材料

（2）深海工程宽幅超厚钛合金板材、超大尺寸环形件的需求日益突出，配套技术与装备瓶颈凸显。海洋装备大型化、整体化建造对结构材料的规格尺寸具有较高要求。以钢为例，大潜深装备采用的钢板其宽度可超过4 m、厚度可达200 mm，单张板材重量达到20 t。“十三五”期间，中国研制了宽度3 m、厚度120 mm、单重约8 t的钛合金板材，应用于“奋斗者”号潜水器。然而，目前中国尚未突破与海洋用钢规格相当的宽幅超厚钛合金板材或超大尺寸钛合金环形件制备技术，同时，也缺乏与大规格钛合金坯料制备配套的工程硬件装备，这些技术与装备“短板”成为海洋工程“钛替代钢”过程中的关键瓶颈。

（3）大型钛合金耐压壳体建造迫切需求高质量、高效率、全自动焊接技术。焊接是制造深海大型钛合金耐压壳体必不可少的工艺方法，通常包括气体保护窄间隙焊接、真空高能束如电子束焊接。对于制造直径3 m、厚度50 mm的大型钛合金耐压壳体，采用逐层堆积的窄间隙焊接施工周期漫长，单个环缝焊接花费数月。真空电子束焊接效率大幅度提升，但对焊接真空环境要求苛刻。目前超大规格结构采用真空电子束焊接工程化实施难度极高，将成为下一步制约超大规格钛合金耐压结构制造的瓶颈技术。激光焊接具有更为灵活的操作性，并且对真空度要求低，随着大功率激光器技术的快速发展，激光焊接在大厚度钛合金高效率焊接方面具有应用潜力，然而目前尚未系统建立大厚度钛合金激光焊接方法及配套装备。

（4）粉末热等静压、增材制造为深海工程复杂钛合金结构提供了新的工艺途径。除锻造成型外，为了满足复杂结构部件高质量、高效率、高可靠性的制备需求，中国科学院金属研究所联合上海科技大学采用增材制造（3D打印）、粉末热等静压工艺研制了多种深海工程钛合金部件，如图所示。其中，基于高过冷度成分设计思路及高强钛合金强韧化方法，研发了适于3D打印工艺的弱织构、等轴晶钛合金成分体系，实现了3D打印钛合金优异的强度、塑性匹配及力学性能各向同性，进一步利用3D打印技术制备了深海机械手、补偿器耐压壳体，相关部件将应用于深渊原位科学实验站的集成及海试。粉末热等静压技术可实现复杂结构部件无焊缝一体化成型，避免了焊接结构力学性能短板。通过优化等静压模具及热等静压工艺参数，进一步制备了高强钛合金耐压壳体，通过了设计的静水外压试验，也将应用于深渊原位科学实验站的集成及海试。

深渊原位科学实验站用体系化钛合金部件制备技术

三、结束语

在“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器的基础上，通过“奋斗者”号载人潜水器研制的总体牵引，中国深海工程材料研究及应用取得了突破性、系统性进展。随着海洋强国战略的加快实施，深海观测探测装备水平将不断提升，以满足常态化、多功能深海作业需求。深海工程材料作为装备基石，其核心基础作用将进一步得到体现。随着国家重点研发计划“深海和极地关键技术与装备”等重大项目的实施，中国深海工程材料将再上新台阶，进而推动中国深海科学和工程领域的持续发展，促进具有国际影响力科学研究成果的产出，保障深海安全核心技术的自主可控，为国家深海探测、保护、开发提供利器。

致谢：作者与中国科学院理化技术研究所张敬杰、中国科学院空间应用工程与技术中心王功、中国船舶科学研究中心姜旭胤进行了有益的讨论，在此一并致谢。（本文转载）