11月28日，剛剛完成萬米深潛的“奮斗者”號(hào)潛水器勝利返航。它創(chuàng)造了中國(guó)載人深潛新紀(jì)錄——10909米，也使我國(guó)也成為世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)萬米載人深潛的國(guó)家。
“奮斗者”號(hào)潛入深海（圖片/中科院科學(xué)傳播局）
而此次“奮斗者”能夠下得去回得來，背后的材料科學(xué)家們做出了卓越的貢獻(xiàn)。
本次“奮斗者”號(hào)的載人艙球形的“外殼”由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所牽頭研制，解決了材料、成形、焊接等一系列問題。
2019年5月，完成萬米深潛的美國(guó)潛水器“極限因子”其載人艙可搭載2人，而本次“奮斗者”號(hào)可以搭載3人，這就意味著直徑就必須加大，體積也會(huì)大大增加。據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員楊銳介紹，載人艙鈦合金的厚度一下從52毫米變成了130毫米，材料強(qiáng)度也要大幅度提高，以往深潛器使用Ti64已不能滿足需求。
為此金屬所提出一種新型的合金設(shè)計(jì)方案，并據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種全新的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了具有良好熱加工成形和焊接成形性能的鈦合金Ti62A，在韌性和可焊性與Ti64合金相當(dāng)?shù)那疤嵯麓蠓忍嵘藦?qiáng)度，從而成功解決了載人艙球殼的材料難題。
鈦合金材料存在固有的“尺寸效應(yīng)”，即尺寸和厚度越大，其均勻性和力學(xué)性能穩(wěn)定越難以保證。金屬所通過設(shè)計(jì)材料微觀組織及其獲取工藝，成功克服了鈦合金的“尺寸效應(yīng)”，為實(shí)現(xiàn)載人球艙材料微觀組織均勻和力學(xué)性能穩(wěn)定奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。寶鈦股份制備出高品質(zhì)鑄錠、高質(zhì)量板材和高精度半球，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)鈦合金鑄錠重量、板材厚度和鍛件截面尺寸等多項(xiàng)紀(jì)錄。
載人球艙由兩個(gè)半球焊接（赤道縫）而成，幾個(gè)窗口和接口（孔座）也必須通過焊接完成。保證焊縫位置的韌性滿足要求是焊接技術(shù)面臨的世界性難題，實(shí)現(xiàn)超大尺寸與厚度材料的全電子束一次焊接，更是橫在任務(wù)面前一道難以逾越的障礙。金屬所獨(dú)辟蹊徑，提出了一些新的焊接思路。洛陽船舶材料所實(shí)現(xiàn)載人球艙全電子束焊接，確保了焊縫質(zhì)量和強(qiáng)韌性能全面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
深海潛水器要想上浮可以有兩種方式，一種是消耗能源動(dòng)力，另一種是無動(dòng)力上浮技術(shù)。前者浪費(fèi)寶貴的能源，會(huì)縮短潛水器工作半徑和時(shí)間，后者則需要用到固體浮力材料。固體浮力材料由空心玻璃微球加上樹脂基材通過混合和熱固化形成，要求又輕又強(qiáng)，如此才能既提供浮力又承受海底高壓。
空心玻璃微球是一種輕質(zhì)無機(jī)非金屬多功能材料，不僅密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、介電常數(shù)小，還具有機(jī)械強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)良性能，應(yīng)用廣泛。但是，由于其奇特的幾何形貌——微米尺度的薄壁完美空心球體，技術(shù)含量極高，高端產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。
而中科院理化技術(shù)研究所張敬杰研究員就是長(zhǎng)期從事微米級(jí)的晶態(tài)和非晶態(tài)球形粉體材料的制備及其應(yīng)用研究。經(jīng)過了十多年的技術(shù)攻堅(jiān)，張敬杰團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了空心玻璃微球和浮力材料的量產(chǎn)，使得我國(guó)成為繼美國(guó)之后，第二個(gè)能提供高性能空心玻璃微球產(chǎn)品的國(guó)家。
2016年12月，張敬杰團(tuán)隊(duì)將固體浮力材料交付“深海勇士”號(hào)潛水器總體集成，使我國(guó)成為世界上為數(shù)不多的具備從生產(chǎn)核心原材料到構(gòu)件加工的全鏈條開發(fā)固體浮力材料能力的國(guó)家。
參考文獻(xiàn)
1.中科院金屬所微信公眾號(hào)，“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器成功完成萬米海試并勝利返航。
2.中科院理化技術(shù)研究所微信公眾號(hào)，張敬杰：小微球托起海洋夢(mèng)｜2019中科院年度創(chuàng)新人物。
3.中國(guó)科學(xué)報(bào)，中科院力量讓“奮斗者”號(hào)從國(guó)產(chǎn)到“國(guó)創(chuàng)”。
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