I. Einleitung
Zu den Tiefseeausrüstungen gehören militärische Tiefseekampfausrüstung, bemannte/unbemannte Tauchboote, Tiefseeraumstationen und Lieferplattformen, Unterwassergleiter, Rettungsglocken usw. [1,2], die hauptsächlich für die Ressourcenerkundung und -entwicklung verwendet werden. Tiefseeüberwachung und Aufbau von Informationsnetzwerken, „harte“ Konfrontationsoperationen in der Tiefsee, dreidimensionale Ressourcenversorgung usw. Die Kontrolle des Meeres mit der Tiefe ist die Grundlage und Garantie für die Umsetzung der Strategie unseres Landes, eine Seemacht zu werden und aufzubauen die „Maritime Seidenstraße“ und verwirklichen die strategische Umgestaltung der Marine hin zu „Nahe-See-Verteidigung und Fern-See-Verteidigung“.
Unter Tiefseebedingungen weisen die Einsatzbedingungen und Funktionsanforderungen der Ausrüstung viele neue Merkmale auf. Beispielsweise führt die Überlagerung von extrem hohem Meerwasser-Außendruck und der Beanspruchung der Gerätestruktur zu harten Belastungsbedingungen der druckfesten Struktur, selbst nahe der Streckgrenze des Materials, und die Geräte müssen über einen langen Zeitraum genutzt werden Zeit und wiederholt geschwommen und getaucht [3]; Tiefseebedingungen Der geringere Sauerstoffgehalt beeinträchtigt die Passivierung der Materialoberfläche erheblich, beschleunigt die Korrosion des Materials oder erhöht die Rissneigung. Diese Umwelteigenschaften haben wichtige Anforderungen an die Sicherheits- und Zuverlässigkeitskonstruktion druckbeständiger Konstruktionsmaterialien gestellt. Als Strukturmaterial mit geringem Gewicht und ausgezeichneter Meerwasserkorrosionsbeständigkeit wird erwartet, dass Titanlegierungen die häufigen Probleme einer unzureichenden Auftriebsreserve und einer schlechten strukturellen Sicherheit und Zuverlässigkeit bei der langfristigen Wassernutzung in Tiefseeausrüstung lösen [4,5].
Titanlegierungsmaterialien werden in druckfesten Strukturen verwendet. Im Vergleich zu herkömmlichen Stahlmaterialien unterscheiden sich ihr Elastizitätsmodul, ihr Herstellungsverfahren und ihre Versagensart. Derzeit gibt es noch einige gemeinsame Grundprobleme, die gelöst werden müssen. Gleichzeitig wurden in einigen Ingenieurprojekten auch viele wichtige technische Probleme aufgeworfen, die Design, Konstruktion und Nutzung einschränken [6]. In diesem Artikel werden der Entwicklungsstand von Tiefsee-Titanlegierungsgeräten und bestehende materialtechnische Probleme geordnet und erörtert, um die Forschung zu grundlegenden Fragen im Anwendungsprozess von Titanlegierungsmaterialien zu fördern und die Entwicklung von Tiefseegeräten voranzutreiben Verbesserung wichtiger Leistungen wie Materialzähigkeit und Kriechfestigkeit. Innovative Entwicklung von Gerätedesign und Materialtechnologie.
2. Geräteentwicklung
(1) Militärischer Bereich
Aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, guten Warm- und Kaltumformbarkeit, hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit in Meerwasser haben Titanlegierungen nahe Alpha und Titanlegierungen mit extrem geringem Spiel nach und nach den Rumpfstahl in der Anwendung ersetzt und sind beständig gegen große und tiefe U-Boote. Trends bei den wichtigsten Strukturmaterialien für Druckschalen. Berichten zufolge [7] übernahm die Sowjetunion die Führung bei dem Versuch, eine große Anzahl von Titanlegierungen für U-Boot-Druckrümpfe zu verwenden, und baute sukzessive Rumpfkerne aus reinem Titan wie K-162, „Alpha“-Klasse, „Mike“-Klasse und „Sierra“-Klasse. angetriebenes U-Boot. Obwohl die Vereinigten Staaten keine U-Boote gebaut haben, die ausschließlich aus Titan bestehen, werden Titanlegierungen häufig in U-Boot-Masten, Befestigungselementen und anderen Komponenten verwendet, um das Gewicht des Rumpfs zu reduzieren und die Leistung zu optimieren [8,9].
(2) Wissenschaftliche Forschung und Tiefseeforschung
Der Einsatz von Titanlegierungen beim Bau bemannter/unbemannter Tieftauchboote bietet einzigartige Vorteile, insbesondere die Eigenschaften einer hohen spezifischen Festigkeit und Meerwasserkorrosionsbeständigkeit, die eine wichtige Rolle bei der Reduzierung des Strukturgewichts und der Reduzierung der Korrosionsschutzkosten spielen. tolle Wirkung. Gegenwärtig haben viele Länder die Forschung und den Bau von Tauchbooten aus Titanlegierungen betrieben, und die Forschung auf diesem Gebiet hat bemerkenswerte Fortschritte gemacht.
1. Vereinigte Staaten
Vor den 1960er Jahren bestand der Druckrumpf amerikanischer Tiefseetauchboote hauptsächlich aus hochfestem Stahl, wie zum Beispiel das bemannte Tiefseetauchboot „Alvin“, das von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) hergestellt wurde. Die Dichte von Stahl ist deutlich höher als die von Titanlegierungen, was die Tauchtiefe des „Alvin“ stark einschränkt; Zudem muss die „Alvin“ jedes Jahr aufwendige Korrosionsschutzarbeiten durchführen. Aus diesem Grund hat das WHOI ab 1973 eine umfassende Modernisierung des „Alvin“ durchgeführt und es durch eine Druckkammer aus Titanlegierung hergestellt und ersetzt, d. h. unter Verwendung von Ti-6A1-2Nb{ {6}}Ta-0.8Mo-Legierung als Ersatz für hochfesten HY100-Stahl zum Aufbau einer neuen Hülle. Gleichzeitig bestehen Auftriebskugeln und Hochdruckzylinder aus Ti-6Al{{ 13}}V-Legierung. Nach der Modernisierung verfügt die neue „Alvin“ über eine Tauchtiefe von 6500 m, ihre Einsatzkapazität deckt 98 Prozent der Meeresgebiete der Welt ab und sie hat zahlreiche Tiefsee-Erkundungsarbeiten abgeschlossen (insgesamt mehr als 4600 Taucheinsätze). ) [7].
2. Japan
Japan hat die Entwicklung bemannter Tieftauchboote aus Titanlegierung früher durchgeführt. In den 1980er und 1990er Jahren wurde die Ti-6Al-4V-Legierung mit extrem geringem Spalt zum Bau bemannter Tieftauchboote mit einer Tauchtiefe von 2000 m bzw. 6500 m verwendet. tauchfähig. Letzteres verfügt insbesondere über eine große Tauchtiefe, deckt ein breites Spektrum an Meeresgebieten ab und hat viele Tiefsee-Erkundungsmissionen abgeschlossen, was ein Schlüsselmittel für Japans Tiefseeentwicklung und -forschung darstellt [7].
3. China
Die Forschungsarbeiten zu bemannten Tieftauchbooten aus Titanlegierungen meines Landes haben spät begonnen, aber die Entwicklungsgeschwindigkeit ist sehr hoch. Das bemannte Tieftauchboot „Jiaolong“, dessen Bau im Jahr 2003 begann, hat eine Masse von 22,9 t, einen Innendurchmesser der druckfesten Hülle von 2,1 m und besteht aus einer TC4-Legierung mit extrem geringem Spielraum. Durch die gemeinsamen Anstrengungen inländischer Gesamtkonstruktionseinheiten, Geräteherstellungseinheiten und Materialforschungseinheiten (insbesondere Titanlegierungen) schloss die „Jiaolong“ im Jahr 2012 den 7000-m-Tauchtest erfolgreich ab und stellte damit den weltweit größten Tauchgang mit ähnlich betriebenen Tauchbooten auf. Dies zeigt, dass mein Land die Vorbereitungs-, Form- und Schweißtechnologien relevanter Titanlegierungsqualitäten beherrscht und das völlig unabhängige Design, die Entwicklung und die Herstellung von Schalen realisiert hat [7]. Mein Land setzt die Entwicklung des bemannten Tauchboots „Deep Sea Warrior“ mit völlig unabhängigen geistigen Eigentumsrechten fort und schloss den Tauchtest 2017 wie geplant ab.
Dies zeigt, dass mein Land einen großen Durchbruch bei der Forschung und Entwicklung von Titanlegierungsmaterialien für die Tiefsee und der Entwicklung der Verarbeitungstechnologie erzielt hat und in die Spitzengruppe der Welt aufgestiegen ist.
(3) Öl- und Gasförderung
Energie ist die wichtigste Ressource für das Überleben und die Entwicklung des Menschen. Aufgrund des zunehmenden Verbrauchs fossiler Energie rückt die Suche nach neuen alternativen Energien in den Mittelpunkt. Etwa 70 Prozent der Erdoberfläche sind von Ozeanen bedeckt, die reich an Öl- und Gasvorkommen sind. Daher ist es dringend erforderlich, die Erforschung und Erschließung von Tiefseeressourcen zu beschleunigen. Mein Land hat auch das entwicklungsstrategische Ziel klar zum Ausdruck gebracht, „den Aufbau einer Seemacht zu beschleunigen“.
Die Meeresentwicklung ist untrennbar mit wichtigen Betriebsausrüstungen wie Offshore-Bohrplattformen und Tiefseedetektoren verbunden. Diese Geräte unterliegen rauen Betriebsbedingungen und sind seit langem Meerwasserkorrosion und Welleneinwirkung ausgesetzt. Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile wird erwartet, dass Titanlegierungsmaterialien in den oben genannten Bereichen der Geräteherstellung weit verbreitet sein werden, aber das Kostenproblem hat die Erweiterung des Anwendungsbereichs immer behindert. Mit der Reife und Verbesserung der Technologie zur Herstellung von Titanlegierungen und Durchbrüchen in der Forschung zu kostengünstigen Titanlegierungen wurden Bedenken hinsichtlich der Kostenfaktoren deutlich verringert. In den Vereinigten Staaten werden Titanlegierungen häufig in Säulen von Offshore-Ölplattformen, Plattenwärmetauschern usw. verwendet. 1991 wurde es auf Hebevorrichtungen für Offshore-Plattformen angewendet, wodurch die strukturellen Korrosions- und Ermüdungsprobleme unter Meerwasserbedingungen besser gelöst wurden; Nach umfassender Bewertung weist die Verwendung von Titanlegierungskomponenten bereits eine gute Kosteneffizienz auf [10,11]. Im Entwicklungsprozess von Öl- und Gasexplorationsgeräten im Südwesten meines Landes werden zahlreiche Titanlegierungsmaterialien mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Medium H2S plus CO2 verwendet, um die Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen und gleichzeitig das Gewicht der Geräte erheblich zu reduzieren und gute Gesamtvorteile zu erzielen.
3. Materialentwicklungsstand
(1) Aktueller Stand der Materialforschung
Titan und Titanlegierungen sind hervorragende Werkstoffe für den Schiffsbau, und viele Länder legen großen Wert auf ihre Forschung und Anwendung und haben nach und nach eine Reihe von Titanlegierungen für den Schiffsbau entwickelt. Die Sowjetunion/Russland und die Vereinigten Staaten waren die ersten Länder, die sich auf die Erforschung von Titanlegierungen für den Schiffsbau spezialisierten, und bildeten jeweils ein Titanlegierungssystem für den Schiffsbau. Der Forschungsstand und die praktische Anwendung von Titanlegierungen für den Schiffsbau in Russland sind weltweit führend. Es verfügt über eine Reihe von Titanlegierungen für den Schiffsbau und hat eine Reihe von Titanlegierungsprodukten für den Schiffsbau mit einer Festigkeit von 490 MPa, 585 MPa, 686 MPa und 785 MPa entwickelt[12]. Die Vereinigten Staaten begannen in den 1960er Jahren mit der Erforschung der Titanlegierungstechnologie für den Schiffsbau, entwickelten eine Reihe von Titanlegierungsmaterialien und richteten ein vollständiges System zur Anwendungsbewertung von Titanlegierungen für den Schiffsbau ein.
(2) Reagieren auf die Leistungsanforderungen der Serviceumgebung und strukturelle Merkmale
Tiefseeausrüstung ist für lange Zeit im Meerwasser eingetaucht und muss extrem hohen Meerwasserdruckbelastungen standhalten und dem Test der Meerwasserkorrosion standhalten. Da Tiefseeausrüstung seit langem zwischen der Tiefsee und der Meeresoberfläche eingesetzt wird, muss sie auch den Belastungen verschiedener Arten von Meeresumgebungen standhalten, beispielsweise im küstennahen Meeresbereich beim Einlaufen in den Hafen und im flachen Meer Tiefsee, wenn man aufs Meer hinausfährt, was sich wiederum auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Struktur auswirkt. , Wartbarkeit stellt höhere Anforderungen. Unter längeren autarken Bedingungen müssen auch mögliche unkonventionelle Arbeitsbedingungen wie Sturmschläge, physische Einwirkungen und sogar Explosionseinwirkungen berücksichtigt werden. Daher stellen alle Meeresgebiete, alle Meerestiefen, der Allwetter- und Langzeitbetrieb sowie extreme Umweltanforderungen extrem hohe Anforderungen an die Leistung von Titanlegierungsmaterialien.
Der Entwurf von Tiefseegeräten muss nicht nur den Grundprinzipien der Strukturmechanik und der Strömungsmechanik folgen, sondern auch den Entwicklungsstand der Ingenieurstechnik kombinieren, um ihn an die aktuelle industrielle Materialaufbereitungstechnik und Schiffbautechnik anzupassen. Entsprechend den Merkmalen der Arbeitsbedingungen von Tiefseegeräten und basierend auf der aktuellen Situation des Materialtechnologiesystems sollten Titanlegierungsmaterialien die folgenden grundlegenden Anforderungen erfüllen.
(1) Das Materialfestigkeitsniveau entspricht den strukturellen Designanforderungen. Nach den Analyseergebnissen der Entwurfseinheit muss die Festigkeit des druckbeständigen Strukturmaterials mit zunehmender Tauchtiefe moderat erhöht werden. Unter Berücksichtigung der strukturellen Herstellung, der Materialplastizität, der Zähigkeit und der Herstellbarkeit sollte die Festigkeit des Materials nicht zu hoch sein, und die Auswahl des Legierungsmaterials erfolgt hauptsächlich in einer Titanlegierung vom Typ - - [13].
(2) Das Material verfügt über eine gute plastische Zähigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit in korrosiven Meeresumgebungen (wie Meerwasser, Meeresatmosphäre usw.) und weist eine gute Ermüdungsbeständigkeit bei niedrigen Zyklen auf, was der Sicherheit und Zuverlässigkeit einer langfristigen Verwendung entspricht Ausrüstung und die Anforderungen besonderer Arbeitsbedingungen.
(3) Gute Anpassungsfähigkeit der Materialtechnologie. Passen Sie die Verarbeitungseigenschaften des Rumpfs und der Schiffsausrüstung an, wie Gießen, Schmieden, Kalt- und Warmumformung, erfüllen Sie die Anforderungen des Herstellungsprozesses für kostengünstige Strukturteile aus Titanlegierung, weisen Sie eine gute Schweißbarkeit auf und erfordern im Allgemeinen keine Wärmebehandlungsverstärkung nach dem Schweißen . Die Material- und Prozessleistung entspricht den Anforderungen großer Schiffsausrüstung und ist mit Formen, zerstörungsfreien Prüfungen und anderen Technologien ausgestattet.
(3) Die Zähigkeit von Materialien schränkt die Sicherheit der Ausrüstung ein
Verheerende Unfälle, die durch sprödes Versagen früher geschweißter Schiffsrümpfe verursacht wurden, waren keine Seltenheit, was die Konstrukteure dazu veranlasste, Methoden wie Mechanik und Metallurgie einzusetzen, um spröde Probleme zu analysieren und zu lösen. In den frühen 1950er Jahren führten große Schiffbauländer Untersuchungen zu Fallgewicht, dynamischem Reißen, Rissquellenexplosion und einer Reihe von Temperatureinwirkungstests an Rumpfmaterialien durch, um die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegenüber Umweltveränderungen zu analysieren und zu bewerten, ob sie zur Herstellung von Rümpfen verwendet werden können .[ 14].
Derzeit umfassen die Methoden zur Bewertung der Bruchzähigkeit von Titanlegierungsmaterialien hauptsächlich: Bruchzähigkeit bei ebener Dehnung, J-Integral, Rissöffnungsverschiebung δ, Charpy-Schlagbruchzähigkeit Ak usw. Im Allgemeinen beträgt der kritische Spannungsintensitätsfaktor KIc eines Materials bezogen auf die Dicke B der Probe, die Länge des Risses und die Breite des Bandes. Nur wenn die Dicke der Probe B größer oder gleich erfüllt, kann ein stabiler KIc erhalten werden. Im Vergleich zu Plus-Zweiphasen-Titanlegierungen und metastabilen Titanlegierungen ist aufgrund der geringeren Streckgrenze σs und des höheren KIc von Titanlegierungen die erforderliche Probendicke größer, was nicht nur einen großen Materialverbrauch, sondern auch einen großen Materialverbrauch zur Folge hat Test Ausrüstung. Daher ist es üblicher, den kritischen Wert des J-Integrals oder den kritischen Wert der Rissspitzenöffnungsverschiebung des Materials zu messen und ihn dann in KIc umzurechnen. Die Testdauer des durch Messung gewonnenen Materials ist lang und die Kosten sind hoch. Um die Bruchzähigkeit des Materials in technischen Anwendungen schnell beurteilen zu können, wird üblicherweise die Charpy-Schlagbruchzähigkeit Ak verwendet, oder die absorbierte Charpy-Energie wird gemäß der empirischen Formel in KIc umgewandelt, um das Material schnell zu bewerten. Bruchzähigkeit [15,16].
Die Vereinigten Staaten verwenden diese Methode zur Bewertung mehrerer Titanlegierungsmaterialien, um die Anpassungsfähigkeit an Rumpfmaterialien zu untersuchen, und definieren die Schadenseigenschaften von Titan für Schiffsrümpfe unter Bezugnahme auf die Schadensklassifizierungsmethode von Stahlmaterialien. Der Zusammenhang zwischen der kritischen Rissabmessung (ac), der Bruchzähigkeit (Xc) und der Bruchspannung (σf) des Risskörpers wurde ermittelt. Wenn unter ebenen Dehnungsbedingungen die Rissoberfläche senkrecht zur angelegten Spannung verläuft, kann anstelle von Auch mein Land führte in den 1960er Jahren ähnliche Forschungen durch, diese wurden jedoch eingestellt, da für die Hülle keine Titanmaterialien verwendet wurden.
Die Erfahrung im modernen Schiffsbau zeigt: Je höher die Zähigkeit, desto besser, wenn die Festigkeit der Strukturmaterialien den Anforderungen entspricht. Die Spannungskorrosionsempfindlichkeit von Titanlegierungen nimmt unter Meerwasserbedingungen zu und die Schlag- und Bruchzähigkeit weisen deutliche Unterschiede auf. ① Bei Titanlegierungen mit dem gleichen Festigkeitsgrad, unterschiedlicher Zusammensetzung und Mikrostruktur unterscheidet sich die Wachstumsrate von Korrosionsermüdungsrissen um mehr als das 1-fache und die Spannungskorrosionsbruchzähigkeit (KISCC) unterscheidet sich um mehr als 50 Prozent. dreimal. ② Die Bruchzähigkeit und Schlagzähigkeit von Titanlegierungen gleicher Festigkeit und verschiedener Qualitäten unterscheiden sich um das 1,5- bis 2-fache, und die Verformungs- und Brucheigenschaften bei mittleren und hohen Verformungsgeschwindigkeiten unterscheiden sich erheblich von denen bei niedrigen Verformungsgeschwindigkeiten beeinflusst die Leistung der Ausrüstung unter extremen Arbeitsbedingungen erheblich. Art der Zerstörung.
Bei der Materialauswahl für tiefseedruckbeständige Strukturmaterialien ist die Festigkeit der Titanlegierung der Schlüsselfaktor, um das Leichtbaudesign von druckbeständigen Tiefseestrukturen zu erfüllen, und die Bruchzähigkeit ist der Schlüsselfaktor, der sichergestellt werden muss die Sicherheit und Zuverlässigkeit druckfester Tiefseestrukturen[13,17] . Leider besteht zwischen Festigkeit und Bruchzähigkeit von Titanlegierungen meist ein „Kompromiss“-Verhältnis. Daher ist die Frage, wie die Bruchzähigkeit von Legierungen, die nahezu Titan enthalten, schnell und genau beurteilt werden kann und wie die Bruchzähigkeit so weit wie möglich verbessert und gleichzeitig die Festigkeit der Legierung sichergestellt werden kann, zu einer wichtigen Forschungsrichtung der Zukunft geworden.
4. Grundlegende Materialfragen
(1) Mikrostrukturentwicklung und Leistungsdämpfungsgesetz von Titanlegierungen unter Langzeitbetriebsbedingungen
Unter der Langzeiteinwirkung von Spannungsfeld und Korrosionsfeld zeigen Titanlegierungen im Makromaßstab beschleunigte Schädigungs- und Bruchphänomene. Forschung zu diesem Phänomen: ① Auf mesoskopischer Ebene wird das dynamische Auflösungs- und Heilungsgesetz des Passivierungsfilms aus Titanlegierungen unter der Langzeiteinwirkung der Tiefseeumgebung noch erforscht; ② Auf mikroskopischer Ebene ist die Mikrostruktur einer Titanlegierung unter langfristiger hoher Spannungsbelastung zu sehen. Der Evolutionsmechanismus und sein Einfluss auf das beschleunigte Risswachstum sind noch unklar; ③ Auf der Makroskala mangelt es an ausreichender Datensammlung zum Last-Zeit-Schadensgesetz von Titanlegierungen, die für Hauptstrukturen verwendet werden. Daher ist es von großer Bedeutung, die Entwicklung der Mikrostruktur, die Leistungsdämpfung und den mikroskopischen Mechanismus von Titanlegierungen zu untersuchen und zu analysieren, um die Schadensresistenz von Titanlegierungen und die Sicherheit der Hauptstruktur von Tiefseeausrüstung zu verbessern.
(2) Dynamische Reaktion und Rissinitiierungs- und -ausbreitungsmechanismus einer Titanlegierung unter Schlagbedingungen
Tiefseeausrüstung ist während des Betriebs mit Unfallphänomenen wie Stößen und Kollisionen konfrontiert. Es ist von großer Bedeutung, den Verformungsschaden und die dynamischen Brucheigenschaften von Titanlegierungen bei unterschiedlichen Dehnungsraten zu untersuchen, um die Materialleistung zu verbessern und die strukturelle Sicherheit zu optimieren. Bei unterschiedlichen Belastungsraten sind die mikroskopischen Verformungsmechanismen sowie die Rissinitiierungs- und -ausbreitungsmodi von Titanlegierungen sehr unterschiedlich, was zu offensichtlichen Unterschieden in den makroskopischen mechanischen Eigenschaften und Schadenseigenschaften von Titanlegierungen führt, die wiederum den Bruchmodus der Struktur erheblich beeinflussen. Derzeit werden Studien zur dynamischen Reaktion und zum Versagensmechanismus von Titanlegierungen unter dynamischen Belastungsbedingungen mittlerer und hoher Geschwindigkeit durchgeführt, einschließlich mikrostruktureller Schäden, Rissinitiierung und -ausbreitung sowie dynamischer Bruchzähigkeit. Benehmen.
(3) Kriechprobleme, die bei der Anwendung von Titanlegierungen auf druckbeständige Tiefseestrukturen auftreten können
Im Vergleich zu Baustahl weisen Titanlegierungen beim Anwendungsprozess von Tiefsee-Druckstrukturen offensichtliche Kompressionskriecheffekte auf, was die Betriebszuverlässigkeit von Druckstrukturen aus Titanlegierungen verringert [18,19]. Kriecheffekt
Dies sollte hauptsächlich auf zwei Aspekte zurückgeführt werden: ①Der Elastizitätsmodul der Titanlegierung ist niedrig, was etwa der Hälfte des Wertes von Stahl entspricht, so dass bei gleicher Festigkeitsbelastung die elastische Dehnung der Titanlegierung etwa doppelt so hoch ist wie die von Stahl. ②Mikrostruktur der Titanlegierung Die mittlere Phase ist eine dicht gepackte hexagonale Struktur mit offensichtlicher Anisotropie und Bauschinger-Effekt. Derzeit konzentriert sich die Forschung zum Kriechverhalten von Titanlegierungen hauptsächlich auf das Zugkriechverhalten bei hohen Temperaturen im Anwendungshintergrund von Luft- und Raumfahrtfahrzeugen, und es gibt nur wenige Studien zum Kompressionskriechverhalten von Titanlegierungen mit Tiefseedruckbeständigkeit Strukturen. In China werden Untersuchungen zum Kompressions-Kriechverhalten von Titanlegierungen in korrosiven Meerwassermedien und in der Nähe des Fließspannungsniveaus organisiert, um so schnell wie möglich den Kompressions-Kriech-Schadensmechanismus von Titanlegierungen in Tiefsee-Druckstrukturen aufzudecken.
5. Schlüsseltechnologien der Werkstofftechnik
(1) Großflächige Platten- und Trägermaterialtechnologie
Die druckfeste Struktur von Tiefseegeräten wird hauptsächlich durch Formen und Schweißen mitteldicker Titanlegierungsplatten gebildet, und die technischen Anforderungen für die Herstellung großformatiger Titanlegierungsplatten und unterstützender Schweißdrahtmaterialien sind relativ hoch. Da Brammen aus Titan und Titanlegierungen die Eigenschaften eines engen Temperaturbereichs für die thermische Verarbeitung, eines schnellen Temperaturabfalls, einer Wasserstoff- und Sauerstoffabsorption bei hohen Temperaturen, einer großen Verformungsbeständigkeit mit der Temperatur und einer leichten Rissbildung aufweisen, sind die Anforderungen an die Walztemperaturkontrolle sehr streng, was zu Titan führt und Titanlegierungen. Mittlere und grobe Bleche haben gewisse Schwierigkeiten bei der Einrichtung von Warmwalzproduktionslinien, einem stabilen Walzprozess und der Verbesserung der Produktmaßgenauigkeit.
Derzeit werden mittlere und dicke Platten aus Titan und Titanlegierungen hauptsächlich mit Stahlverarbeitungsanlagen hergestellt. Diese Produktionslinien für Walzwerke sind auf der Grundlage der Eigenschaften von Stahlwerkstoffen konzipiert, verfügen nicht über ein gezieltes Design für die Herstellung von Titan- und Titanlegierungswerkstoffen und können nicht gut an Titan und Titan angepasst werden. Die Erwärmungseigenschaften und Verarbeitungseigenschaften der Legierung führen dazu, dass die Qualität des Endprodukts nicht sehr zufriedenstellend ist [20]. Relevante Einheiten müssen technische Forschung zu den technischen Problemen der Leistungsgleichmäßigkeit, Stabilität und Chargenkonsistenz von großformatigen Titanlegierungsplatten durchführen, Hochleistungs-Großformatplatten aus Titanlegierungen und Optimierungsmethoden für Mikrostruktur und Leistung untersuchen und fördern die Gesamtleistungssteigerung von großformatigen Titanlegierungsplatten, um den Anforderungen der Tiefseetechnik gerecht zu werden und deren Entwicklung zu unterstützen [21].
(2) Materialauswahl und Anwendungsbewertung
Für technisches Design und Konstruktion ist die Einrichtung eines wissenschaftlichen Materialbewertungssystems erforderlich, und die physikalischen und chemischen Indikatoren sowie die Leistung von Materialien im Zusammenhang mit der Materialvorbereitung, -konstruktion und -verwendung müssen quantifiziert und bewertbar sein. Das Fundament in diesem Bereich ist relativ schwach, was zu einem der wichtigen Faktoren geworden ist, die den Einsatz von Titanlegierungsmaterialien in Tiefseegeräten einschränken.
In Anbetracht der Anforderungen an die Druckbelastung werden bei der Materialauswahl druckbeständiger Tiefseestrukturen tendenziell höherfeste Titanlegierungsmaterialien verwendet. und angesichts der Sicherheit der bemannten Kugelschalenstruktur müssen Titanlegierungsmaterialien sowohl eine ausreichende Festigkeit als auch eine angemessene Bruchzähigkeit aufweisen. Viele Schiffsunglücke sind auf unzureichende Bruchfestigkeitsreserven von Baumaterialien zurückzuführen. Beispielsweise wurde der Schiffbruch der „Titanic“ durch die Schlagbruchzähigkeit des verwendeten Stahls bei niedrigen Temperaturen verursacht. Da die tiefseedruckfeste Struktur seit langem im Meerwasser eingesetzt wird, muss auch der für Spannungskorrosion kritische Festigkeitsfaktor des Materials im Meerwassermedium berücksichtigt werden. Aus konstruktionstechnischer Sicht sollten Titanlegierungswerkstoffe eine gute Stanzleistung und Schweißbarkeit aufweisen.
Insgesamt ist es in der Phase der Materialvorbereitung und Prozessforschung erforderlich, ein vollständiges Bewertungssystem für Titanlegierungsmaterialien einzurichten, die in druckbeständigen Strukturen verwendet werden, um die grundlegenden Leistungsindikatoren und Methoden zur Bewertung der Anwendungsleistung von Materialien im Prozess zu klären der Materialvorbereitung und -konstruktion und um sicherzustellen, dass Titanlegierungen Die Qualitätsstabilität der Materialien während des Konstruktionsprozesses erfüllt die Zuverlässigkeitsanforderungen der Ausrüstung unter langfristigen Einsatzbedingungen und extremen Bedingungen.
(3) Hocheffiziente und hochwertige Bautechnik
Die druckbeständige Tiefseestruktur besteht hauptsächlich aus einer ringgerippten zylindrischen Hülle und einer kugelförmigen Kopfstruktur, die die herausragenden Eigenschaften einer großen Strukturgröße und hoher Maßgenauigkeitsanforderungen aufweist, die bestehende Titanlegierungstechnologie kann diese Anforderungen jedoch nicht vollständig erfüllen. Der Schweißaufwand für großformatige Rumpfstrukturen macht mehr als die Hälfte des gesamten Montageaufwands von Werften aus, was die Notwendigkeit, die effiziente Bautechnologie von Titanlegierungen zu durchbrechen, voll und ganz widerspiegelt.
Die Schweißverfahren für große und dicke Titanlegierungsplatten werden in Elektronenstrahlschweißen und Engspalt-Fülldrahtschweißen unterteilt. Das Elektronenstrahlschweißen zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad, eine schnelle Schweißgeschwindigkeit, eine kurze Bauzeit, einen stabilen Prozess und eine hohe Effizienz aus. Allerdings ist die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißschmelzzone des Titanlegierungsmaterials hoch und die Zähigkeit der Schweißnaht etwas gering; Aufgrund der begrenzten Ausrüstungsbedingungen ist das Schweißen großer und komplexer Formteile nicht einfach zu erreichen. Der Schweißzyklus von Schweißdraht mit schmalem Spalt ist lang, die umfassenden Qualitätsanforderungen der Schweißtechniker sind relativ hoch und es gibt viele Faktoren, die den Prozess beeinflussen. Die vorhandene Ingenieurtechnologie weist eine geringe Effizienz und eine schlechte Anpassungsfähigkeit der Konstruktion auf [22]. Es ist notwendig, eine effizientere, stabilere, hochgradig anpassungsfähige und intelligente Schweißtechnologie für Titanlegierungsmaterialien zu entwickeln.
Auch andere unterstützende Technologien für Geräte aus Titanlegierungen in der Meeresumwelt müssen so schnell wie möglich erforscht werden. Aufgrund der unterschiedlichen Materialqualitäten besteht bei der Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen des Schiffsrumpfs, der Ausrüstung und der Rohrleitungen zwangsläufig das Problem der elektrochemischen Korrosion unterschiedlicher Metalle; Das Ergreifen wirksamer elektrischer Isolations- oder Kompensationsmaßnahmen ist eine technische Frage, die bei technischen Anwendungen berücksichtigt werden muss. Titanlegierungsmaterialien weisen eine gute Biokompatibilität auf. Die Anhaftung und das Wachstum von Meeresorganismen in der Meeresumwelt führen zu Rohrleitungsverstopfungen, Gewichtszunahme und anderen nachteiligen Auswirkungen. Um das Problem des langfristigen Antifoulings zu lösen, sind praktische Mittel erforderlich.
