摘 要: 壳体材料是深海武器和探测装备的核心构件，其力学性能决定着装备负载和下潜深度。文章针对全海深水中兵器对轻质壳体材料的需求，分析了传统壳体材料性能的不足以及国内外壳体材料研究的最新进展，展望了未来壳体材料的发展趋势。 

关键词: 壳体材料；力学性能；水中兵器；轻质；研究进展

引言 

近年来国际矛盾和利益纷争不断，维护国内主权和国际安全在海洋方面的特殊需要日益迫切。而海洋安全及开发利用也在朝着深远海方向不断在发展，维护和发展远海经济航道以及建立海陆空天多维一体权益对水下装备发展提出了更高更新的要求。深海资源的探索研究和开发利用， 要求深潜器壳体材料具有高的比强度、比模量、耐压稳定性好等性能。水下大深度发射对相关武器装备也有类似的要求。随着我国材料研究不断的革新发展，涌现出了一些可适用于深海装备的壳体材料，但是材料的最终选择，考虑的因素是多方面的，既要考虑材料的强度、模量、密度， 耐蚀性，还要考虑材料的可塑性，能否满足复杂 壳体的成形需求。本文回顾了近年来轻质高强高模量壳体材料的研究最新进展，为深海武器装备在材料设计方面提供参考。 

1  海洋装备对壳体材料的要求 

壳体作为水中武器装备的重要和主要组成部分，其材料性质、结构形式对于装备的最终服役性能有着决定性的影响。装备要在深海中长期进行服役，壳体材料就要满足在轻质、耐压、耐腐蚀等方面的要求，要能够经受住高强的外海水 压力以及具有一定的隐身功能，保障装备的安全性和有效性。除了考虑材料的力学、腐蚀以及阻尼性能外，从装备的角度，还要考虑材料的可加 工以及连接性能，如车削、铣磨、焊接等。另外，材料的成本也很重要，材料的性能高，成本还要低，可规模化生产应用。

2  海洋环境用壳体材料分类及研究进展

海洋环境用壳体材料的种类众多，有铝合金、合金钢、钛合金以及非金属复合材料等。合金钢由于有着高的弹性模量和强度，可满足水中兵器的一般需求，但是合金钢的密度大，具有磁性，耐蚀性较差，限制了其在水中兵器中的应用。钛合金的弹性模量和抗拉强度高，耐蚀性好，但是材料密度大的问题需要进一步解决。目前满足深海环境下对材料的要求材料主要有钛合金、陶瓷、非金属复合材料以及金属基复合材料。各类材料的性能见表 1 。

表 1 水中兵器用材料性能比较

2.1 铝合金 

铝合金的密度小，比强度高，能够提高装备的负载能力，增强装备的威力，因此铝合金已经被广泛用于各类中、小型水中兵器壳体的制造。 

美国海军将铝合金应用在水中兵器中的时间比较早，而且还在发展新型的铝合金材料，美国采用曾经采用 606l-T6 铝合金作为水中兵器外壳材料，其耐蚀性较好，但强度稍低。近些年美军又将 7175-T73 高强耐蚀铝合金应用在水中兵 器上，并在 MK48 鱼雷燃料舱段得到了大量应用。为了进一步提高水中兵器壳体材料的比强度，美国还发展研究了 AA5091 铝合金，密度为 2.57 g/cm3 ， 抗拉强度为 412 MPa，弹性模量为 79.2 GPa[4-6]。为了进一步提升铝合金的耐蚀性，通常采用阳极氧化和微弧氧化的方法进行表面防腐处理。 

我国水中兵器壳体根据型号及性能要求，对耐蚀性和强度要求均高的壳体采用 7XXX 系超高强度铝合金，如制订了 CB 1191-2014《鱼雷壳体用 7A19 铝合金厚壁挤压管》和 CB 1192-2018《鱼雷用 7A19 铝合金锻件规范》等材料标准。7A19 属可变性高强铝合金，其热处理后的抗拉强度可达 450 MPa 以上。对强度要求不高的壳体采用铸造铝合金，并制定了 CB 1249-1994《鱼雷用 ZAlSi7Mg 高强度铸造铝合金》材料标准。 

但是铝合金材料的比模量较低，难以在大深度环境中应用。随着水中兵器对铝合金越来越高的要求，铝合金在水中兵器中的应用正在向轻质、 高强度，高模量的方向发展。

2.2 钛合金 

钛合金的密度较铝合金高，具有强度高、模量高、耐蚀性好等特点，适合制作低航速的水中兵器壳体。 

国外发达国家对海洋环境用钛合金研究的起步较早，俄罗斯和美国在这一研究领域处于世界领先水平。俄罗斯是世界上研制和使用舰用钛合金最早、使用范围最广、使用数量最多的国家， 在 30 年使用经验和长期研发成果基础上，已经建立了包括 пT-1M、пT-7M、OT4、2B、пT-3B、5B 等强度级别包括 490 MPa 级、585 MPa 级、 700 MPa 级、835 MPa 级的舰用钛合金体系。美国舰用钛合金主要包括 Gr2、Gr3、Gr5、Gr9、 Gr23、Gr32 等牌号，涵盖了 275～828 MPa 强度级别，均建立了系列材料标准。虽然上述钛合金均建立了系列材料标准，但由于与我国海洋环境用钛合金材料的合金成分不同，所以无法适用和指导我国进行相关装备的建造。

图 1 铝合金壳体材料及其应用

我国现行的海洋环境用钛合金标准主要包括船体结构用标准以及海水管路系统用标准。其中船体结构用钛合金标准主要为国家军用标准， 包括钛及钛合金棒材、铸件、锻件、板材等。 

我国钛合金历经多年发展，已经形成了自己的材料体系，在潜水器领域，钛合金材料的研制技术已经处于世界前列。表 2 列举了世界各国深潜器技术性能，我国的奋斗者号已经可坐底亚里亚纳海沟最深处。奋斗者号在研制过程中采用 Ti62A 钛合金，改良了传统钛合金设计加工方案， 完善纤维结构，解决了超强、高韧、大尺寸，超厚天合金材料成形均匀性、力学性能稳定性、可焊性等一系列难题，使得新型钛合金综合性能得到大幅提升。

表 2 世界各国深潜器技术性能

图 2 采用钛合金作为壳体的深潜器

2.3 金属基复合材料

金属基复合材料是为了弥补金属材料的比强度、比模量不足在近年来发展起来的一种材料， 它是以金属及其合金为基体，以陶瓷颗粒、晶须、 纤维为增强体，能够显著提升材料的比模量，并使得材料保持一定的塑性。目前金属基复合材料应用比较成熟的是颗粒增强金属基复合材料。其具有增强体体积分数可调、塑性高、各向同性等特点。晶须以及纤维增强金属基复合材料目前在航空航天领域有一定的应用，在海洋环境中的应用鲜有报道。 

颗粒增强金属基复合材料，基体可选用镁合金、铝合金、钛合金以及铜合金，镁基复合材料的比强度高，但是模量低，耐蚀性较差；钛基以及铜基复合材料其密度相比铝基复合材料大的多，材料成本也高。因此在在水中兵器领域，铝基复合材料应用较为广泛。美国海军自 80 年代就开始规划铝基复合材料在水中兵器领域中的应用研究，研制出了 MK48 燃料舱壳体。国内目前也在加紧金属基复合材料在海洋环境中的应用研究，并制定了相关标准，相信未来金属基复合材料可取代铝合金、钛合金在水中兵器中得到更广泛的应用。

 1/2    1 2 下一页 尾页