万米深海筑龙宫——“奋斗者”号潜水器的国产钛合金载人球舱_风闻

马氏体-06-22 19:45

2023-06-22

2020年10月27日，中国“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟首次下潜突破1万米，达到10058米；2020年11月10日，“奋斗者”号成功坐底马里亚纳海沟10909米深度的海底，实现对地球海洋最深处的挑战，标志着我国具备了到达全球海洋任何一处海底开展科考作业的能力，从而在这一领域占据世界第一的技术水平。

能够下潜一万米的载人潜水器不止一台，但只有“奋斗者”号具备在万米海底开展科考作业的能力，其他如第一艘万米载人潜水器“的里雅斯特”号和卡梅隆的“深海挑战者”号虽然都曾下潜到马里亚纳海沟底部，但它们都不具备海底科考作业的能力，只相当于直上直下的海底“观光电梯”。

载人潜水器的核心是载人耐压舱。这个舱体需要承受数千米水深带来的巨大压力，为潜航人员撑起一片安全的空间。耐压舱的制造水平决定了潜水器的下潜深度。与作战用的潜艇（下潜深度数百米）追求快速航行和扩大内部空间而使用近似于圆柱形的耐压舱不同，科考用的载人潜水器要下潜到更深的水下，因此耐压舱使用结构简单、承载能力强的球形结构，因此也被称作球舱（上图为“蛟龙”号7000米级载人潜水器的结构示意图）。

球舱要求具有高强、轻质、耐海水腐蚀的特点。高强度好理解，为什么还要求轻呢？这是因为潜水器只有在平均密度与水基本相当时才能稳定地悬浮在水中，而在从海面下潜过程中要增加压载物以加大重量，在上浮回海面时则要抛掉压载物减重（科研所用的潜水器每次只下到海里打一个来回，所以使用一次性的压载铁块；要反复下潜上浮的军用潜艇则通过调节压载水舱中海水和压缩空气的量来控制沉浮）。使用较轻质的材料可以减轻潜水器的自重，使浮力的控制更加容易。轻质、高强、耐腐蚀，同时满足这三个要求的材料选项就很明确了——钛合金。事实上，世界上绝大部分科研用潜水器都采用钛合金来制造耐压舱（另有少部分采用不锈钢），上图是总装中的国产4500米级载人潜水器“深海勇士”号，右侧的大圆球就是钛合金载人球舱，内径2.1米，可以容纳三人。

制造这类大型钛合金球舱的方法分为两大“流派”，一是把球壳拆分成多个瓜瓣，通过焊接拼到一起，好处是降低了钛合金板材加工和成型的难度，缺点是焊缝数量增加，在焊缝处（尤其是焊缝接头的地方）容易产生应力集中，也就增加了结构中的薄弱环节。我国“蛟龙”号7000米级载人潜水器的钛合金球舱（下图）就是委托俄罗斯用分瓣拼焊（手工TIG焊）的方式加工出来的。

另一大“流派”是半球焊接，即先做出两个钛合金半球，再把两个半球焊到一起，最大限度地减少焊缝（上图为已经完成焊接的“奋斗者”号钛合金球舱，只有一条沿球体赤道方向的焊缝）。

然而，半球焊接法对钛合金加工能力提出了极高的要求，因为要用两块完整的大尺寸钛合金厚板加工出两个巨大的半球。以“奋斗者”号的球舱为例，其直径大于2m，壁厚达105mm，重达6吨，作为原料的钛板幅宽要达到3m以上。

承接这一挑战的是我国目前最大的以钛和钛合金为主的专业化稀有金属生产科研基地——宝钛集团有限公司（简称“宝钛”，隶属于陕西有色金属控股集团）。“宝”字来自它所在的地方——陕西宝鸡，对新中国工业建设布局有所了解的朋友应该能通过这个地名猜出来，宝钛也是一家“三线建设”时期建立的工厂，原代号902厂，始建于1965年。

生产钛合金的原料是海绵钛，就是上面这些其貌不扬的“疙瘩”，它们是用化学还原法生产出来的疏松多孔的金属钛块体。

在这个巨大的真空电子束冷床熔炼炉里，海绵钛与中间合金（在冶炼合金时，为了方便往熔体里加入合金元素而把合金元素与基体元素事先混合制成的合金添加剂）混合接受烈火焚身的洗礼。“奋斗者”号使用的是中国科学院金属研究所自主研发的Ti62A钛合金材料，主要含有Al、Sn、Zr、Mo、Si及V B或VI B族元素等合金元素，屈服强度可达1000MPa以上。

透过观察窗看到的幽幽“火苗”其实是蕴含巨大能量的电子束。

在电子束的照射下，钛合金原料发生熔融，被加热到1700-1800℃，流经冷床得到精炼。在冷床下冷（下方水冷）上热（上方电子束加热）的环境中，熔体中密度大的夹杂物下沉，沉积到冷床表面的凝壳中；密度小的夹杂物上浮，中间密度的夹杂物则在熔体内部的复杂流场中被裹挟着运动，最终受热溶解。整个炉膛内保持高真空，一方面是为了维持电子束的运行，另一方面是使溶解到熔体中的气体（如N）和低沸点杂质（如Al、Cr、Sn等）充分逸出，实现熔体的纯化。随后，熔体流到结晶区，冷凝成为成分均匀、夹杂物含量极低的铸锭。与真空自耗熔炼相比，真空电子束熔炼的熔炼温度和速度更容易调控（依靠外加电子束的能量而非原料棒自身发生电弧放电的热量），且可以直接使用海绵钛作为原料，不像真空自耗熔炼那样需要先把海绵钛压制、焊接为电极棒。

这就是通过熔铸得到的钛合金锭，重量以吨计。它被架上车床，车掉质量不好的表层。

等等，不是要打造一块钛板么，干嘛要铸造成一个圆柱体钛锭？

这是因为，这块钛锭还要经受千锤百炼。

正如此前多次在介绍锻造环节（运载火箭铝环、汽轮机转子、液压打桩锤替打）时提到的，首先要对铸锭进行多次镦粗（上图）-拔长的锻造。2500吨快锻机就像揉面一样使铸锭的各个部分都发生充分的变形，通过重结晶使粗大的铸态组织细化。

随后，钛锭被压扁，锻造为一块板坯。

经过机加工修整，便得到这块有棱有角的板坯。

再通过三米三轧机的轧制，一块宽3m以上、厚100mm以上的钛板沿着辊道轰隆隆而来。这台轧机是1989年宝钛从德国引进的二手设备，在中国工匠的操作下成功焕发第二春，堪称我国钛工业的功勋轧机，当仁不让地承担起轧制球舱钛板的重任。我们现在已经有能力设计制造更大的轧机了，但是新的大轧机造价以十亿计，所以老装备的应用潜力也应得到充分的挖掘。

最后，由万吨自由锻压机一锤定音，一个直径两米的钛半球咣当一声落地。

这台万吨压机也是自德国引进的，是世界钛行业中吨位最大、世界同级别中锻造速度最快的自由锻压机。

经过热处理和机加工后，两个钛合金半球等待被焊接为整体。半球上的圆孔留作观察窗的安装位置，是半球冲压成型之后再由机加工得到的。

挑战“奋斗者”号钛球舱焊接难关的是中国航空制造技术研究院（简称“航空工业制造院”）和中国船舶集团有限公司第七二五研究所（(洛阳船舶材料研究所），它们分别是航空和船舶工业系统内的材料和工艺专业研究所（“奋斗者”号实际使用的球壳由中船725所焊接）。上图背景中贴着“重要设备请勿靠近”标语的大型白色装备就是电子束焊机的真空室。显然，对钛球舱进行真空电子束焊接需要把整个球舱都放进一个大真空室里，掌握了大型真空电子束焊机的“金刚钻”才能揽这份“瓷器活儿”。

真空电子束焊接以高能电子束作为热源，通过电子束轰击工件表面把电子的动能转化为工件的热能，从而熔化金属，实现焊接。由于电子束能量集中，对于大厚度的工件，可以实现大深度焊缝的一次焊接成形。上图是在焊接“奋斗者”号球舱之前用于“练手”的试板，与记者的手对比能直观感受到这块钛板的厚度（10cm以上）。电子束在试板上扫过，瞬间就由表及里地熔化了试板，形成一条深邃的焊缝。在一块完整钛板上做这个试验的目的是测试电子束的熔深，从而调整到最佳的焊接参数。一道道试验焊缝代表着对焊接质量的极致追求。

一切准备就绪，在真空室里，“奋斗者”号的球舱在旋转中接受电子束的轰击，6米多长的赤道焊缝一气呵成。

钛球舱上的观察窗是潜水器在海底的“眼睛”，由丙烯酸塑料制成。万米深海有着一千个大气压的强大水压，只有依靠顶级钳工的巧手，才能把厚重的窗片严丝合缝地贴合到基座上，保证深潜的安全。（上图为“深海勇士”号的总装画面）

我们为什么要探索海底？

堪称传奇的美国“阿尔文”（Alvin）号载人潜水器或许可以告诉我们答案。

“阿尔文”号于1964年完成首次下潜，达到1829m的深度。1972年，“阿尔文”号的钢制球舱被换成钛合金球舱，使下潜深度达到4500m级，大大拓展了作业海域的范围。迄今为止，“阿尔文”号是累积下潜次数最多的潜水器，已搭载万余人下潜约5000次，超过其他所有载人潜水器之和。

“阿尔文”号曾参与打捞遗失海底的氢弹；发现海底热液喷口，直接观察到大洋中脊处的地质活动，并发现了完全不依赖阳光、只依赖地球内部化学能的海底热液生态系统（上图，由“蛟龙”号在印度洋海底拍摄），为生命起源于海底的假说提供了证据；找到沉睡在北大西洋冰冷海底的“泰坦尼克”号残骸，破解了人类航海史上最引人关注的一桩悬案。“阿尔文”号承载着人类探索未知的好奇心，也是美国海洋霸权在深海技术领域的直接体现。

这是“蛟龙”号拍摄的印度洋海底高温热液喷口。在大洋中脊处，随着海底裂隙下渗的海水被地下炽热的岩浆加热到三百度以上的高温，溶解了周围岩石中的矿物质，又从裂隙中喷出（在高压下仍然维持液态），其中的金属硫化物迅速析出，把喷流染成黑色，部分矿物质则围绕喷口不断沉积，形成耸立于海底的“烟囱”，因此这类热液喷口被形象地成为“黑烟囱”。黑烟囱是海底奇异生命的乐土，是解开地球内部奥秘的窗口，也是正在形成中的海底矿藏。

法国、俄罗斯（原苏联）和日本也相继于上世纪八十年代建造了下潜深度达到6000-6500m的作业型载人潜水器。

我们怎甘落于人后？

于是，我们一出手，就把“蛟龙”号的潜深指标定在了7000米级。

“蛟龙”号果然不负众望，创造了7062米的作业型载人潜水器的下潜深度纪录，在南海、西太平洋、东太平洋和西南印度洋都留下蛟龙探海的航迹。尤其是其中的“东太平洋多金属结核调查区”和“西南印度洋硫化物勘探区”（刚才动图中的黑烟囱就坐落在西南印度洋硫化物勘探区，黑烟囱里奔流的是富含铜、铁、锌、铅、金、银等多种金属的硫化物），是我国根据相关国际法律法规，向代表全人类管理国际海底区域的国际海底管理局申请的海底资源勘探合同区，待资源探明之后，这些区域中的部分将被保留为全人类共同的财产，剩下的部分则由勘探方享有优先开采权。探索海底资源，是为全人类造福，也是和平年代里的拓土开疆。

然而，在“蛟龙”号立项的2002年，我国尚不具备生产7000米级载人潜水器大量关键材料和部件的能力，只能自行设计之后寻求引进海外产品。除了钛球舱委托俄罗斯加工外，“蛟龙”号的推进器、液压系统等也都进口的。显然，在极具战略价值的载人潜水器相关技术上依赖进口会面临“卡脖子”的问题。

2012年，我国启动载人潜水器球舱钛合金材料的攻关，其他关键技术的研发也不断推进，到2017年终于结出硕果——4500米载人潜水器“深海勇士”号顺利通过海试和验收。有了7000米级的“蛟龙”号之后再去研制4500米级的“深海勇士”号，这看似“走回头路”的行为，却使我国借此培养起自己的深潜器完整产业链，从而把“深海勇士”号的国产化率提高到95%。

最终，在“奋斗者”号万米潜水器身上，我们实现了潜水器技术水平的超越和引领。

更重要的是，通过这一系列载人潜水器的研制，我国培养出一支强大的研发制造队伍。在无锡的中国船舶科学研究中心试验水池旁，走在右侧的白发苍苍的老人是“蛟龙号”总设计师徐芑南院士，左侧的中年人是曾经参与“蛟龙”号设计建造并担当首席潜航员的叶聪（左上角插图右侧人物，拍摄于“蛟龙”号舱内），而今他已成长为“奋斗者”号的总设计师。两代总师之间的薪火相传，是我国深潜事业后继有人的写照。