切换到桌面版

我国万米潜水器和钛合金的使用

作者:黄良锋

国家这几年,大事连连,不断刷新着我们的自信心和自豪感,比如,太空站、长征五号、歼20、航母、ARJ21开启量产、C919的出炉...。最近一段时间,我们的深海潜水器倍受关注,原因是我们要冲击万米载人深海潜水器。注意“万米”和“载人”两个定语,其背后隐含着极高的技术要求。为了更加清晰地理解我们国家潜水器的发展和未来的挑战,我下面根据自己粗浅的了解,分别从

(A)Mariana Trench(马里亚纳海沟)

(B)深海潜水器的历史

(C)我国深海潜水器的发展

(D)钛合金的性能

四个部分来讨论,也希望能抛砖引玉,得到更加给力的评论。最后一部分讨论Ti的力学性能和抗腐蚀性能,会密切结合我们这几年相关的第一性原理模拟工作,可能会有点物理。


(A)Mariana Trench (马里亚纳海沟)

Mariana Trench是地球上最低的地方,在日本和关岛之间,其最深处(10,911 m)叫Challenger Deep,在关岛西南边(如下图)。


Challenger Deep最开始测量是在1875年,由英国人在挑战者远征号(Challenger Expedition)科考船上用重力绳测量得到,其初测深度为8,184 m。在1877年的一份德国地图上,为其命名为Challenger Deep (Challenger Tief)。

1899年,美国USS Nero测量为9,636 m。

1951年,英国挑战者二号(Challenger II)用声波测量,得到比较准确的10,900 m的深度和精确位置(11°19′N142°15′E)。

一直到最后,深海潜水器的参与,才把Challenger Deep的深度测量到很准。现在常用的10,911 m是由日本的Kaiko潜水器在1995年测得的。

潜水器的发明和进步,推动了人类对Mariana Trench的了解;而Mariana Trench也给人类潜水器及其它周边技术(比如,电力、控制、摄像...)的发展提供了一个绝佳的天然实验场所。


(B)深海潜水器的历史

到目前为止,人类历史上已经下潜到Challenger Deep的潜水器(submissibles)有:

(1) 1960年,美国的Bathyscaphe Trieste载人潜水器(2人,Jacques Piccard & Don Walsh,前者为发明人Auguste Piccard的儿子),钢铁材料,合作制造国有比利时、意大利、德国和美国。

注:法国的Archimède也值得一提,它在1962年在Kurile-Kamchatcha Trench下潜到9,300 m,还是载人的。

(2) 1995年,Kaiko远程操作潜水舱(ROV),无人,由日本国立研究开发人海洋研究开发机构制造,可能为钢铁材料。于2003年灿鸿(Chan-hom)台风时丢失。

(3) 2009年,Nereus无人驾驶舱,由美国Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI)制造,压力舱体为陶瓷球。于2014年在Kermdec Trench潜水的时候丢失,通过残骸估计它是被水给压碎的。

(4) 2012年,由澳大利亚Acheron Project Pty Ltd.和美国National Geographic Society联合制造的Deepsea Challenger,由电影导演James Cameron驾驶,制造材料为Syntactic foam(环氧树脂+玻璃球复合材料)。后来在转交给上述WHOI的时候,货车起火而被烧坏,到现在还在加利福尼亚维修。

另外,在日本Kaiko丢失后,日本又研发出Kaiko7000,但是只能潜7000 m。后来日本又研发出ABISMO (Automatic Bottom Inspection and Sampling Mobile),不载人(unmanned),材料为不锈钢。ABISMO在2007年下潜到9760 m,目前Challenger Deep的下潜任务还在计划中。

总得来说,目前还“在世”的深海潜水器只有两个:美国的Deepsea Challenger(烧坏,维修中)和日本的ABISMO(还在测试当中);而目前用到过的抗压材料有不锈钢、复合泡沫材料、陶瓷。

而我国万米载人潜水器上将首次在深海潜水器上使用钛合金!


(C)我国深海潜水器的发展

我国深海潜水器的发展过程,可以用万米载人潜水器球舱课题组副组长王鼎春的一句话很好地概括:

我们整个的载人球舱的技术实现了同国外的跟跑和并跑的过程,而且通过这个技术,将来在浅海深的11000的钛合金载人球舱可以实现领跑的过程。

(1) 跟跑国外

我国第一个深海潜水器“蛟龙号”,项目开始于2002年,2010年开始在南海以3000 m深度开始测试,然后在2012年的Mariana Trench,下潜深度多次超过7000 m。


(2) 跟跑到部分并跑

我国第二个深海潜水器是“深海勇士”,在2017年10月,在南海完成4,500 m的系统测试。由于国产化率提高到>86%,所以目前下潜深度还是低于蛟龙号的7,000 m。不过对于我们国家和相关研发团队,深海勇士的意义重大,是我们走出的全新一步。


(3) 并跑到领跑?

这次正在研发的万米载人潜水器预计2020年下水。根据上面对其它潜水器及其材料的简介,我们可以理解贾栓孝的那句话:

我们在选材的时候就选择更高的,强度更高的一些钛合金。这也是我们第一次尝试,全世界也没有现成的材料可参考。


材料上的不同,会直接导致从舱体设计,到材料成型、部件焊接和检测评估等精密复杂工艺的完全翻新。所以,这是一个巨大、系统的变化,很好地体现了我们制造能力的功力。

说实在,未来在这个具体事情上,不管我们成功与否,我认为,我们只要用这种开拓、踏实、努力的精神去做事情,很多事情领跑世界那是必然的。

(D)钛合金的性能

有时候在应力下反复使用,材料内部的微裂纹会慢慢生长,然后会在某个时候突然断裂。有的“气功大师”把铁勺子掰断,或把脸盆撕裂,就是利用这个金属疲劳原理。在腐蚀环境下(比如海水里),这种微裂纹的生长会因为腐蚀而加剧,而且腐蚀在没有应力负荷的时候也能持续进行。这种现象叫作应力腐蚀断裂(Stress Corrsoion Cracking)。前面提到的Nereus潜水器,在第5年的时后被海水压碎,和这些因素或多或少都有关系,如果我们获得他们残骸的检测数据,应该会非常清楚原因。

我们这次万米载人深海潜水器采用钛合金,是要利用它两大优异性能,即高强度和耐腐蚀。其腐蚀速度量级仅为10-6 m/年。预计使用要达到30年,这应该是有材料和工艺能力保证的。

(1)优异力学性能及其物理原理(参考文献【1,2】

根据电子结构分析,由于Ti原子3d壳层和4s & 4p壳层在能量上接近,所以Ti金属在具有较好金属性的同时,又具有一定的共价性(d-sp轨道杂化)。一个材料共价性太强,会很脆(比如金刚石);一个材料金属性太强,可能会很韧,也可能会很软(比如铁和纯铝)。W, Re, Os这些材料硬度超高,原因也是它们具有比较优异的金属+共价性组合。

Ti的电子结构和晶体结构(以及相析出)也很容易通过合金来做丰富的调节,这些都会直接影响它的各项力学性能(硬度、延展、疲劳)。在航天航空领域里使用较多的Ti-6Al-4V系列,包含很多类型,根据不同需求来调节细节的组分。

(2)优异抗腐蚀性能(参考文献【3,4,5】

一般的Ti金属,它们本身在腐蚀环境中并不稳定,但是它们表面会被稳定、致密的TiO2所保护。从Ti的电化学相图,我们可以看到,TiO2在几乎所有现实的酸碱度和电极电压下都是稳定的。

所以,海水通过化学反应的方式对TiO2进行腐蚀应该是极其缓慢地。TiO2的这种抗腐蚀性能,也是工业中利用酸溶液去除TiO2矿中其它金属杂质的根据(【3】)。原来Ni合金用来做人体骨骼假肢,但是后来发现Ni合金在生物体(山羊)中释放出的金属离子比Ti合金释放出来金属离子多好几个数量极,而且Ni离子毒性更大,所以造成炎症、癌症、器官衰竭的机率大许多(【4,5】)。

个人人为,在反复的加压-卸压过程中,Ti合金的腐蚀性能应该与其表面TiO2的脱落也会有重要联系。


其实,对于我们做第一性原理模拟的人来说,如果真正以实际需求为导向,钛合金的许多问题是做不完的。也希望我这篇文章对理论计算的同行也有所参考作用。


参考文献

【1】L.F. Huang, B. Grabowski, E. McEniry, D.R. Trinkle, and J. Neugebauer,“Importance of coordination number and bond length in titanium revealed by electronic structure investigations”, Physica Status Solidi B 252, 1907-1924 (2015).

【2】L.F. Huang, B. Grabowski, J. Zhang, M.J. Lai, C.C. Tasan, S. Sandloebes,D. Raabe, and J. Neugebauer, “From electronic structure to phase diagrams: A bottom-up approach to understand the stability of titanium-transition metal alloys”, Acta Materialia113, 311-319 (2016).

【3】L.F. Huang and J.M. Rondinelli, “Electrochemical phase diagrams for Ti oxides from density functional calculations”, Phys. Rev. B 92, 245126 (2015).

【4】L.F. Huang, M.J. Hutchison, R.J. Santucci Jr., J.R. Scully, & J.M. Rondinelli,“Improved electrochemical phase diagrams from theory and experiment: The Ni-water system and its complex compounds,J. Phys. Chem. C 121, 9782-9789 (2017).(及其参考文献).

【5】L.F. Huang & J.M. Rondinelli, “Electrochemical phase diagrams of Ni from ab initio simulations: role of exchange interactions on accuracy”, J. Phys.: Condens. Matter29, 475501 (2017).及其参考文献).





推荐人

周健, 鲍海飞, 徐令予, 吴斌, 杨正瓴, 许培扬, 岳爱国, 迟延崑, 黄孙超, 黄永义, 郭令举, 侯勤福, 白龙亮
京ICP备14006957 Copyright @ 2007
中国科学报社 All Rights Reserved
桌面版