I.はじめに
深海装備には、深海戦闘軍事装備、有人/無人潜水機、深海宇宙ステーションと配送プラットフォーム、水中グライダー、救命ベルなどが含まれます[1,2]。主に資源探査と開発に使用されます。深海監視・情報ネットワーク構築、深海ハード対決作戦、三次元資源供給等。深度に応じた海洋の管理は、我が国が海洋大国化戦略を実行し、海洋強国を構築するための基礎であり保証である。 「海のシルクロード」を目指し、海軍の「近海防衛と遠海防衛」への戦略転換を実現する。
深海条件下では、機器の使用条件と機能要件には多くの新しい機能が必要になります。 例えば、非常に高い海水の外圧と装置構造の応力が重なり、耐圧構造は材料の降伏点に近い過酷な応力状態となり、装置は長期間の使用が必要となります。時間をかけて浮きと潜りを繰り返した [3]。 深海の条件 酸素含有量が低いと、材料表面の不動態化に大きな影響を及ぼし、材料の腐食が促進されたり、亀裂が発生しやすくなります。 これらの環境特性により、耐圧構造材料の安全性と信頼性の設計に対する重要な要件が提示されています。 チタン合金は、軽量で耐海水耐食性に優れた構造材料として、深海機器の長期水使用における浮力予備不足や構造の安全性・信頼性の低下といった一般的な問題の解決に期待されています[4,5]。
耐圧構造にはチタン合金材が使用されています。 従来の鋼材と比較すると、弾性率、製造プロセス、破壊モードが異なります。 現時点では、克服する必要のある共通の基本的な問題がまだいくつかあります。 同時に、設計、建設、使用を制限する多くの重要な技術的問題も一部のエンジニアリング プロジェクトで提起されています [6]。 本稿は，チタン合金材料の応用プロセスにおける基礎的課題の研究を推進し，深海用チタン合金機器の開発を促進するため，チタン合金製深海機器の開発状況と既存の材料技術課題を整理・考察したものである。材料の靭性や耐クリープ性などの重要な性能が向上します。 革新的な装置設計と材料技術の開発。
2. 設備開発
(1) 軍事分野
高い比強度、良好な熱間および冷間成形能力、優れた海水耐食性および溶接性により、ニアアルファチタン合金および超低クリアランスチタン合金は、用途において徐々に船体鋼に取って代わり、大型および深層への耐性が高まっています。潜水艦。 耐圧シェルの主要構造材料の動向。 報告によると [7] 、ソ連は率先して潜水艦耐圧船体にチタン合金を大量に使用しようとし、K-162、「アルファ」級、 「マイク」クラスと「シエラ」クラス。 動力付き潜水艦。 米国は全チタン外殻の潜水艦を建造したことはないが、船体の重量を軽減し、性能を最適化するために、潜水艦のマスト、留め具、その他の部品にチタン合金が広く使用されている[8、9]。
(2) 科学研究と深海探査
有人/無人の深海潜水艇の建造におけるチタン合金の適用には、独特の利点、特に高い比強度と海水耐食性の特性があり、構造重量の軽減と防食コストの削減に重要な役割を果たします。 素晴らしい効果。 現在、多くの国でチタン合金潜水艇の研究・建造が行われており、この分野の研究は目覚ましい進歩を遂げている。
1.米国
1960 年代以前は、ウッズホール海洋研究所 (WHOI) が製造した深海有人潜水船「アルビン」など、アメリカの深海潜水船の耐圧船体は主に高張力鋼で作られていました。 鋼の密度はチタン合金の密度よりも大幅に高いため、「Alvin」の潜水深度は大幅に制限されます。 さらに、「Alvin」は費用のかかる腐食防止作業を毎年実行する必要があります。 このため、WHOIは1973年から「Alvin」の大規模改修を実施し、Ti-6A1-2Nb{を使用したチタン合金圧力室を製造し、置き換えました。 {6}}Ta-0.8Mo 合金を HY100 高張力鋼に置き換えて新しいシェルを構築します。同時に、浮力ボールと高圧シリンダーは Ti-6Al{{ 13}}V合金。 改修後の新型「アルビン」の潜航深度は6500メートルとなり、その運用能力は世界の海域の98％をカバーし、多数の深海探査作業を完了した（合計4600回以上の潜水作業）。 ） [7]。
2. 日本
日本は先にチタン合金製の有人深潜水艇の開発を実施した。 1980 年代と 1990 年代には、超低ギャップ Ti-6Al-4V 合金が、それぞれ潜水深度 2000 m と 6500 m の有人深潜水艇の建造に使用されました。 水中。 特に後者は、潜水深度が深く、広範囲の海域をカバーしており、数多くの深海探査ミッションを達成しており、日本の深海開発・研究にとって重要な手段となっている[7]。
3. 中国
我が国のチタン合金有人深海探査研究の開始は遅かったが、開発スピードは非常に速い。 2003年に建造が開始された有人深潜水船「Jiaolong」は、質量22.9トン、耐圧シェルの内径2.1メートルを有し、超低クリアランスのTC4合金で作られている。 国内の総合設計部門、機器製造部門、材料（特にチタン合金）研究部門の共同の努力により、「蛭龍号」は2012年に7000メートルの潜水試験に成功し、同様の運航潜水艇としては世界最大の潜水深度記録を樹立した。 これは、我が国が関連グレードのチタン合金の準備、成形、溶接技術を習得し、シェルの完全に独立した設計、開発、製造を実現したことを示しています[7]。 我が国は、完全に独立した知的財産権を有する有人潜水船「深海の戦士」の開発を継続しており、予定通り2017年に潜水試験を完了した。
このことは、我が国が深海用チタン合金材料の研究開発と加工技術の開発において大きな進歩を遂げ、世界先進の地位に入ったことを示しています。
(3) 石油・ガスの開発
エネルギーは人類の生存と発展にとって最も重要な資源です。 化石エネルギーの消費量の増加により、新たな代替エネルギーの探索が注目を集めています。 地球の表面の約70パーセントは海洋で覆われており、石油やガス資源が豊富です。 したがって、深海資源の探査と開発を加速することが急務となっています。 我が国はまた、「海洋強国の建設を加速する」という発展戦略目標を明確に掲げています。
海洋開発は、海洋掘削プラットフォームや深海探知機などの重要な運用機器と切り離すことができません。 これらの機器は過酷な使用条件にあり、長い間海水による腐食や波の影響にさらされてきました。 チタン合金材料は、その独特の利点から上記の装置製造分野での幅広い使用が期待されていますが、コストの問題が常にその適用範囲の拡大を妨げてきました。 チタン合金製造技術の成熟と改善、および低コストのチタン合金研究の進歩により、コスト要因に関する懸念は大幅に軽減されました。 米国では、海洋石油プラットフォームの柱やプレート熱交換器などにチタン合金が広く使用されています。 1991 年には、この技術が海洋プラットフォーム昇降装置に適用され、海水条件下での構造腐食と疲労の問題がより適切に解決されました。 総合的な評価の結果、チタン合金コンポーネントの使用はすでに優れたコスト経済性を備えています[10、11]。 私の国南西部の石油・ガス探査機器の開発プロセスでは、機器の重量を大幅に軽減し、優れた総合的な利点を達成しながら耐食性を確保するために、H2S と CO2 媒体に対して高い耐食性を備えたチタン合金材料が多数使用されています。
3. 材料開発レベル
(1) 材料研究の現状
チタンおよびチタン合金は優れた海洋工学材料であり、各国はその研究と応用を非常に重視しており、海洋工学用の一連のチタン合金を次々と開発してきました。 ソ連/ロシアと米国は海洋工学用チタン合金の研究に特化した最初の国であり、それぞれ海洋工学用チタン合金システムを形成しました。 ロシアにおける海洋工学におけるチタン合金の研究と実用化のレベルは世界の最先端にあります。 海洋工学用チタン合金シリーズを有しており、強度490MPa、585MPa、686MPa、785MPaの一連の海洋工学用チタン合金製品を形成している[12]。 米国は1960年代に海洋工学用チタン合金技術の研究を開始し、一連のチタン合金材料を開発し、海洋工学用チタン合金の完全な応用評価システムを確立した。
(2) 使用環境や構造上の特性要求性能への対応
深海機器は長期間海水に浸漬されるため、非常に高い海水圧力負荷や海水腐食試験に耐える必要があります。 深海用機器は、長年にわたって深海と海面の間で使用されてきたため、入港時の沿岸近海域や浅海、海域などのさまざまな海洋環境での試験にも耐える必要があります。海洋に出た場合、深海に潜ることになり、構造物の安全性、信頼性、耐久性に影響を与えます。 , 保守性はより高い要件を提示します。 より長期間の自立状態では、嵐の衝撃、物理的衝撃、さらには爆発の衝撃など、起こり得る通常とは異なる作業条件も考慮する必要があります。 したがって、すべての海域、すべての深さ、全天候、長期運転および極端な環境要件では、チタン合金材料の性能に対して非常に高い要件が課されます。
深海機器の設計は、構造力学と流体力学の基本原理に従うだけでなく、現在の産業資材準備技術や造船技術に適応する工学技術の開発状況を組み合わせなければなりません。 深海機器の作動条件の特性および材料技術システムの現状に基づいて、チタン合金材料は次の基本要件を満たす必要があります。
(1) 材料強度レベルが構造設計要件を満たしていること。 設計部門の解析結果によれば、潜水深度の増加に伴って耐圧構造材の強度を適度に高める必要がある。 構造の製造、材料の可塑性、靱性、および製造可能性を考慮すると、材料の強度が高すぎてはならず、合金材料の設計の選択は主に- -タイプのチタン合金に近いものになります[13]。
(2) 海洋腐食環境（海水、海洋大気等）における良好な塑性靱性と耐応力腐食性を有し、耐低サイクル疲労性にも優れており、長期使用の安全性と信頼性を満たします。設備と特別な作業条件の要件。
(3) 材料技術の適応性が良い。 鋳造、鍛造、冷間および熱間成形などの船体および海洋機器の加工特性に適合し、低コストのチタン合金構造部品の製造プロセス要件を満たし、良好な溶接性を有し、一般に溶接後の熱処理強化が必要ありません。 。 大型船舶設備のニーズに応える材料・加工性能を備え、成形技術や非破壊検査技術などを備えています。
(3) 材料の靭性が機器の安全性を制限する
初期の溶接船体の脆性破壊によって引き起こされる悲惨な事故は珍しいことではなく、設計者は力学や冶金学などの手法を使用して脆性の問題を分析し、解決する必要がありました。 1950年代初頭、主要な造船国は、環境変化に伴う材料の靭性を分析し、船体の製造に使用できるかどうかを評価するために、船体材料の落下重量、動的引裂き、亀裂源爆発、および一連の温度衝撃試験に関する研究を実施しました。 .[14]。
現在、チタン合金材料の破壊靱性を評価する方法としては、主に平面ひずみ破壊靱性、J積分、亀裂開口変位δ、シャルピー衝撃破壊靱性Akなどが挙げられます。一般に、材料の臨界応力拡大係数KIcは、試験片の厚さ B、亀裂の長さ、靭帯の幅に関係します。 試験片の厚さが B 以上を満たす場合にのみ、安定した KIc が得られます。 プラス二相チタン合金や準安定チタン合金と比較すると、ニアチタン合金は降伏強さσsが低く、KIcが高いため、必要なサンプルの厚さが大きくなり、多くの材料を消費するだけでなく、大きな材料を使用する必要があります。試験装置。 したがって、材料の J 積分臨界値、または亀裂先端開口変位臨界値を測定し、KIc に変換することがより一般的です。 測定して得た材料の試験期間が長く、コストが高くなる。 工学用途で材料の破壊靱性を迅速に評価するには、通常、シャルピー衝撃破壊靱性 Ak を使用するか、実験式に従ってシャルピー吸収エネルギーを KIc に変換して材料を迅速に評価します。 破壊靱性 [15,16]。
米国では、この方法を用いていくつかのチタン合金材料を評価し、船体材料への適合性を検討し、鋼材の損傷分類法を参考にして船体用チタンの損傷特性を定義しています。 亀裂限界寸法 (ac)、破壊靱性 (Xc)、および亀裂本体の破壊応力 (σf) の間の関係が確立されています。 面ひずみ条件において、き裂表面が印加応力に対して垂直であれば、Xcの代わりに開平面ひずみ破壊靱性KIcを使用することができ、設計時の靱性値を定量的に計算することができます。 我が国でも1960年代に同様の研究が行われましたが、シェルにチタン素材が使用されていなかったため中断されました。
現代の船舶設計の経験によれば、構造材料の強度が要件を満たしている場合、靭性が高いほど優れています。 チタン合金の応力腐食感受性は海水条件下で増加し、衝撃靭性と破壊靭性には明らかな違いが見られます。 ① 強度等級が同じで、組成や微細構造が異なるチタン合金では、腐食疲労亀裂進展速度は 1 倍以上異なり、応力腐食破壊靱性 KISCC は 50% 以上異なります。 3回。 ② 同じ強度レベルでグレードの異なるチタン合金の破壊靱性および衝撃靱性は 1.5 ～ 2 倍異なり、中高速の変形速度での変形および破壊特性は低変形速度での変形および破壊特性と大きく異なります。極端な作業条件下では機器のパフォーマンスに大きな影響を与えます。 破壊のモード。
深海耐圧構造材料の材料選定設計においては、深海耐圧構造の軽量設計を満たすためにはニアチタン合金の強度が重要であり、深海耐圧構造の軽量化を実現するには破壊靱性が重要な要素となります。深海耐圧構造物の安全性と信頼性 [13,17] 。 残念ながら、チタン合金の強度と破壊靱性は通常「トレードオフ」の関係を示します。 したがって、近{10}チタン合金の破壊靱性を迅速かつ正確に評価する方法、および合金の強度を確保しながら破壊靱性を可能な限り改善する方法が、将来の重要な研究方向となっています。
4. 素材の基本的な問題
(1) 長期使用環境下におけるチタン合金の組織進化と性能減衰則
応力場と腐食場の長期的な作用下では、チタン合金はマクロスケールで加速された損傷と破壊現象を示します。 この現象に関する研究: ① メゾスコピックスケールでは、深海環境の長期的な作用下でのチタン合金不動態皮膜の動的溶解と修復の法則はまだ研究中です。 ② 長期にわたる高応力負荷下におけるチタン合金の微視的スケールでの微細構造 進化のメカニズムと亀裂成長の加速に対するその影響はまだ不明である。 ③主要構造物に使用されるチタン合金の荷重・時間・損傷則に関するマクロスケールでの十分なデータ蓄積が不足している。 したがって、チタン合金の耐損傷性と深海機器の主要構造の安全性を向上させるためには、チタン合金の微細構造の進化、性能の減衰、および微視的なメカニズムを研究および分析することは非常に重要です。
(2) 衝撃条件下におけるチタン合金の動的応答と亀裂の発生・進展メカニズム
深海機器は運用中に衝撃や衝突などの偶発的な現象に直面します。 材料性能の向上と構造安全性の最適化のために、さまざまなひずみ速度下でのチタン合金の変形損傷と動的破壊特性を研究することは非常に重要です。 荷重率が異なると、チタン合金の微視的な変形機構や亀裂の発生・伝播モードは大きく異なり、その結果、チタン合金の巨視的な機械的特性や損傷特性に明らかな違いが生じ、それが構造の破壊モードに大きな影響を与えます。 現在、微細構造の損傷、亀裂の発生と伝播、動的破壊靱性など、中高速の動的負荷条件下でのチタン合金の動的応答と破損メカニズムに関する研究が行われています。 行為。
(3) チタン合金を深海耐圧構造物に適用する場合のクリープ問題
構造用鋼と比較すると、チタン合金は深海耐圧構造物の適用プロセスにおいて明らかな圧縮クリープ効果があり、これによりチタン合金耐圧構造物の使用信頼性が低下します[18,19]。 クリープ効果
これは主に 2 つの側面によるものと考えられます。 ① チタン合金の弾性率は鋼の約半分と低いため、同じ強度荷重下ではチタン合金の弾性ひずみは鋼の約 2 倍になります。 ②チタン合金の微細構造 中間相は最密六方晶構造であり、明らかな異方性とバウシンガー効果を持っています。 現在、チタン合金のクリープ挙動に関する研究は、航空機用途を背景とした高温引張クリープ挙動が中心であり、深海耐圧性を備えたチタン合金の圧縮クリープ挙動に関する研究は少ない。構造物。 深海の圧力構造物におけるチタン合金の圧縮クリープ損傷メカニズムをできるだけ早く明らかにするために、海水腐食性媒体中および降伏応力レベル付近でのチタン合金の圧縮クリープ挙動に関する研究が中国で組織されている。
5. 材料工学のキーテクノロジー
(1) 大型プレートと支持材料技術
深海機器の耐圧構造は、主に中厚のチタン合金板の成形・溶接によって形成されており、大型のチタン合金板の作製や支持用の溶接線材などの技術要件は比較的高い。 チタンおよびチタン合金スラブは、熱処理温度範囲が狭く、温度降下が速く、高温の水素と酸素を吸収し、温度による変形抵抗が大きく、割れやすいという特徴があるため、圧延温度制御要件は非常に厳しく、その結果、チタンが得られます。そしてチタン合金。 中厚板は、熱間圧延生産ラインの確立や安定した圧延工程、製品の寸法精度の向上が難しい面があります。
現在、チタンおよびチタン合金の中厚板は主に鋼加工設備で生産されています。 これらの圧延機の生産ラインは鋼材の特性に基づいて設計されており、チタンおよびチタン合金材の生産にターゲットを絞った設計が欠如しており、チタンおよびチタンにうまく適応できません。 合金の加熱特性と加工特性により、完成品の品質はあまり満足のいくものではありません[20]。 関連部門は、大型チタン合金板の性能の均一性、安定性、バッチ一貫性の技術的問題に関する技術研究を実施し、高性能大型チタン合金板の成形方法と微細構造と性能の最適化方法を研究し、推進する必要がある。深海工学分野のニーズを満たし、その開発をサポートするために、大型チタン合金板の全体的な性能を向上させます[21]。
(2) 材料の選定と適用評価
工学設計と建設では、科学的な材料評価システムの確立が必要であり、材料の準備、建設、使用に関連する材料の物理的および化学的指標と性能が定量化され、評価可能でなければなりません。 この領域の基礎は比較的弱いため、深海機器へのチタン合金材料の適用を制限する重要な要因の 1 つとなっています。
耐圧要件を考慮すると、深海耐圧構造物の材料選択設計では、高強度のチタン合金材料が使用される傾向があります。 有人球殻構造物の安全性を考慮すると、チタン合金材料には十分な強度と適切な破壊靱性の両方が求められます。 難破船の多くは、建設材料の破壊靱性予備力の不足に関連しています。 例えば、「タイタニック号」の難破は、使用された鋼鉄の低温衝撃破壊靱性が原因でした。 深海耐圧構造物は長年海水中で使用されてきたため、海水媒体中での材料の応力腐食臨界強度係数も考慮する必要があります。 建設技術の観点から、チタン合金材料は良好なプレス加工性と溶接性を備えている必要があります。
全体として、材料の準備とプロセス研究の段階で、耐圧構造に使用されるチタン合金材料の完全な評価システムを確立し、プロセスにおける材料の基本性能指標と応用性能評価方法を明確にする必要があります。材料の準備と製造のプロセスを管理し、チタン合金の製造プロセス中の材料の品質安定性が、長期使用条件や極端な条件下での機器の信頼性要件を満たしていることを保証します。
(3) 高効率・高品質な施工技術
深海耐圧構造は主にリングリブ付き円筒シェルと球形ヘッド構造であり、構造サイズが大きく寸法精度が高いという優れた特徴を持っていますが、既存のチタン合金技術ではその要件を完全に満たすことができません。 造船所の組立作業量の半分以上を占める大型の船体構造の溶接作業量は、チタン合金の効率的な建造技術を突破する必要性を如実に反映しています。
大判・厚板のチタン合金板の溶接方法は電子ビーム溶接とナローギャップフィラーワイヤ溶接に分けられます。 電子ビーム溶接は、高度な自動化、速い溶接速度、短い工期、安定したプロセス、高効率という特徴を持っています。 ただし、チタン合金材料の溶接溶融部の冷却速度は速く、溶接シームの靱性は若干低いです。 設備条件により制限されるため、大型で複雑な形状の部品の溶接は容易ではありません。 ナローギャップフィラーワイヤの溶接サイクルは長く、溶接技術者の総合的な品質要件は比較的高く、プロセスに影響を与える要因は数多くあります。 既存の土木技術は効率が低く、施工適応性も低い[22]。 より効率的、より安定した、適応性の高い、インテリジェントなチタン合金材料の溶接技術を開発する必要があります。
海洋環境におけるチタン合金機器のその他のサポート技術も、できるだけ早く研究する必要があります。 材料のグレードが異なるため、船体、機器、パイプラインのさまざまな部分の間の接続には、異種金属の電気化学腐食の問題が必然的に発生します。 効果的な電気絶縁または補償措置を講じることは、エンジニアリング用途で考慮する必要がある技術的問題です。 チタン合金材料は優れた生体適合性を持っています。 海洋環境における海洋生物の付着や増殖は、パイプラインの閉塞や重量増加などの悪影響をもたらします。 長期的な防汚の問題を解決するには、実用的な手段が必要です。
