大家好，我是马英杰，来自中国科学院金属研究所。今天我跟大家分享的报告题目是《万米载人深潜背后：“钛”不一样》。钛是一种金属材料，这种金属材料被用作制备万米载人深潜的载人舱。至于不一样在哪里，我下面向大家一一道来。

我们团队在承担万米载人舱研制任务之前，都是围绕着一些上天的任务来开展工作。我们为“长征5号”运载火箭、大飞机，先进战斗机还有航空发动机等等这些大国重器都提供了多种钛合金材料及其部件。

三人万米载人舱：敢为天下先

我们团队和载人深潜结缘是从2013年开始的。当时我的导师杨锐研究员接到了一个电话，询问我们有没有材料能够制备一个载人舱，这个载人舱要下潜到地球海洋的最深处，也就是马里亚纳海沟的11000米。

当时我们对载人深潜的了解比较少，就开始了调研。调研发现，在2013年之前，世界上到达马里亚纳海沟最深处的只有三个人。

最早是1960年，美国“的里雅斯特”号载人潜水器携带了两名潜航员到达了11000米的海底。这个载人潜水器的载人球舱是由钢来制备的，在下沉过程当中，载人舱的玻璃在巨大的水压条件下还发生了破裂。最终载人潜水器有惊无险地完成了上浮，但此后再也没有到达万米的海底。

然后一直到了2012年，美国著名导演卡梅隆搭乘“深海挑战者”号载人潜水器再次达到了11000米的深度。这个载人潜水器的载人舱也是用钢来做的，但是它的载人舱只能乘坐一个人。我们看到卡梅隆导演在载人舱里面还是非常不舒服的。这个载人深潜器在下潜过程当中发生了好多故障，最后也仅仅实现了这一次下潜。

这个调研结果非常出乎我们意料，因为早在1970年左右，美国就已经将12名航天员送到了月球表面，远远大于到达万米海底的人数。

后来一直到2019年，美国研制了“极限因子”号载人潜水器，它的载人舱是用飞机上常用的Ti64合金来制备的，可以乘坐两个人，在2019年实现了多次下潜。

那还有没有其他载人潜水器和载人舱呢？这个图展示的是国外从1960年开始研制的一系列载人潜水器，大部分都是承载三个人的，这些载人舱的材料由早期的钢替换成了钛合金。

我们国家的载人潜水器研发历史落后于国外，大概晚了50年。在2012年，我们国家“蛟龙号”载人潜水器实现了7062米的下潜深度，创造了当时国际上同类作业型潜水器深度的记录。但是蛟龙号的载人舱是进口的，不是我们国家自己生产的，因为在那个时候我们国家还没有这样的能力。

一直到2017年，我们国家研制的“深海勇士”号潜水器才解决了载人舱国产化的问题。

国家从2013年开始就布局万米载人潜水器、也就是后来“奋斗者”号的关键技术攻关，总设计师是被称为“深海的哥”的叶聪。

载人舱是代表载人潜水器技术水平一个非常重要的关键部件，因为它决定了承载人数、重量、体积等等非常核心的指标。但是那个时候世界上达到11000米的载人舱，要么就只能承载一个人，要么就是承载两个人。叶总认为载三个人的方案是更加科学合理的。三个人，就能包括一名潜航员和两名科学家。

但是这个方案在世界上没有过先例，也就是说我们要做的三人载人舱进入了国际上同类技术的无人区。

寻找载人舱的材料

刚才介绍了，现在世界上的载人舱大部分都是用钛合金来制备的，为什么是钛呢？它有什么特点？

实际上，相比人类使用了几千年的铜、铁这样的材料，钛的历史还是非常短的，它的发现只有200多年，真正大规模使用仅仅不到100年。

钛合金的密度只有钢的60%，具有轻质、高强、耐腐蚀等特点。我们知道钢在海水里面长期浸泡会长锈，那么结构就失效了，就不能用了。但钛合金在海水里面浸泡几十年都没有锈，这是因为钛的表面有一层非常致密的保护膜，也就是氧化膜。它就像铠甲一样防护钛合金，阻止海水的侵蚀。因此钛合金也被称为“海洋金属”，是一种非常重要的海洋结构材料。

要用钛合金来制备世界上第一个载三人的万米载人舱，需要有什么样的环节呢？

首先我们要研发适合三人载人舱的材料，进一步利用这个材料来完成载人舱的建造，满足应用需求。

这个过程就相当于我们要制作一把非常舒适的椅子，首先要从培养一棵小树苗开始，等它长成苍天大树，进而有了木材，再将木材又制备成椅子。也就是说我们的料要成材，材要成器，器还要好用。

载三个人的万米球舱，它对材料的性能有什么特殊要求？首先在11000米的海底，压力非常大，相当于1000个大气压，可以比喻成在人的后背上站2000头非洲象的重量。同时我们要实现三个人下潜，所以说尺寸也要更大，这又进一步增加了球舱的载荷。因此首先要求球舱材料具有高强度的特点，才能抵抗2000头非洲象的重量。

另外，载人舱要多次循环使用，反复上浮下潜地作业，这要求材料具有非常好的韧性。

什么是韧性呢？我给大家举两个例子。汽车轮胎是用橡胶做的，橡胶是一种韧性的材料。橡胶表面可能会出现一些裂纹，但是橡胶阻碍裂纹扩展的能力还是非常强的，所以裂纹的扩展速率非常慢。然而橡胶的强度很低，我们轻轻一捏，橡胶就发生变形了，因此它的承载能力不行。

那么和韧性相对应的就是材料的脆性，玻璃就是一种脆性的材料，玻璃表面如果有一道裂纹，那么裂纹会很快地进行扩展。也就是说虽然它的强度很好，但韧性非常差。

结构材料的强度提升之后，往往导致韧性的下降。鱼和熊掌不可兼得，讲的就是这个道理，这是大自然的一个规律。但是对于结构材料的科研工作者，我们的目标就是要研发强度更高，同时韧性更好的材料。

那么对于载三个人的万米载人球舱，它的强度要求是在美国两人球舱的基础上提升20%以上，韧性要和它相当。

当时已有的其他材料，或者是强度不够，或者是韧性不够，都不能满足要求。所以我们从材料包括制备的工艺都需要重新研制，相当于是走前面没有人走过的一条路。

那么，如果我们把载人球舱的壁厚增大，这样是不是也会增加抵抗载荷的能力？厚了之后，这个球壳也重了，重了之后下潜时速度也会加大，这样的话它沉得不就更快，不就更好了吗？

可以告诉大家，确实厚了之后可以增加抵抗载荷的能力，下降速度也会更快。但是大家不要忘了，我们的球壳沉底之后还是要上浮回来的，还要回到水面上。如果太重了，对浮力的控制会非常非常难，可能就浮不上来了。

因此我们最终还是需要具有高强度、高韧性的材料来制备载人球舱。怎么来制备这个材料？首先我们要通过化学成分的调控来进行材料筛选，相当于我们炒菜，首先要选好主料和辅料是什么。像西红柿炒鸡蛋，我们有西红柿、有鸡蛋，还有一些调料等等。

这幅图是化学元素周期表，可以看到红色圈住的是钛元素，黄色的框里面都是一些可以往钛里面添加的元素。

为什么要添加这些元素呢？因为如果钛很纯的话，它的强度非常低，很软，达不到高强的要求。我们通过这些化学元素的添加，使钛合金同时具有高强度和高韧性。那么选哪些元素，选完之后添加多少量，怎么去判定？我们采用的是通过计算机模拟和实验相结合的方法，来加速材料研发进度和流程。

我们用化学成分调控的主要目的是为了使钛合金两种晶体结构发生协调变形，从而延迟裂纹萌生。钛合金有两种结构，一种是硬的，一种是软的。这两种结构挨在一起，在变形过程当中如果不协调的话，容易在坚硬地方产生裂纹，从而导致材料的失效断裂。

在右上角这个图里可以看到，不协调变形会在这个地方产生裂纹，我们通过化学成分调控就可以使两个产生协调变形，从而最终延迟裂纹的萌生。

我们可以延迟裂纹，但是我们不可能永远阻碍裂纹出现，裂纹最终一定会出现。那我们怎么在产生裂纹后来阻碍裂纹的扩展呢？

我们从自然界里去学习，从自然界里面找一些比较坚韧的材料进行观察，比如贝壳。我们把贝壳放在显微镜下放大几万倍进行观察，可以看到贝壳里面有好多个层状结构。那么当这些层状结构遇到裂纹时，会逐个阻碍裂纹的扩展，相当于裂纹扩展时候的阻力变大了，裂纹的路径非常曲折。

于是我们研发了钛合金的多级片层组织，相当于是有很大的片层，也有非常小的片层。当裂纹在遇到这些小片层的时候，就会在小片层之间发生曲折拐弯的扩展，从而使得裂纹扩展的路径非常曲折，以此阻碍裂纹的扩展。

最终，通过我们前面成分的调控以及结构的优化设计，我们在实验室里面先研制几十克的小样品，再放大到几公斤、几十公斤、几百公斤，最后到吨级。最终，我们通过反复地迭代优化研制的钛合金材料，它的强度比Ti64合金提升了20%，韧性也相当，从而满足了结构设计的要求。

制造载人舱

材料研制完成，实际上这仅仅是载人舱研制的第一步。我们还需要将材料从实验室放到工厂里面去应用。

这里展示的是载人舱研制的流程示意图，我们首先要制备一张大的板材，将大的板材分别制备出一个上半球和一个下半球，再将两个半球进行合拢，最终形成一个整球。

这是板材制作的一个过程。我们先熔炼12吨铸锭，将铸锭加热到1000摄氏度左右后进行反复地揉。因为材料在使用时非常硬，但是在1000摄氏度左右它就比较软。我们像揉面一样把这个材料反复来回地揉，使材料均匀一致。最终我们做出来一张大概有3米宽、120毫米厚的板材。

紧接着，我们用这个板材冲压成一个半球，这个半球相当于我们吃饭用的碗一样。再将半球表面进行开孔，开完孔之后进行部件焊接，最后在高温下进行热处理，完成半球的制备。

半球制作完之后，需要将上下两个半球进行合拢焊接。焊接的焊缝长度接近6米，厚度是110毫米，这个难度也是非常大的。

我们再反过头来看，同期美国载人潜水器的载人舱是采用什么方法进行合拢的？它并未采用焊接，而采用的是螺栓的连接。为什么呢？

我们分析，是因为这么厚的时候，焊接导致的应力非常大，应力大了之后相当于是焊缝的地方容易产生缺陷，应力会把这个缺陷拉成一个裂纹。

作为最后一步，这时一旦出现裂纹，前面的工作都前功尽弃了，因此难度和风险都非常大。焊接是比螺纹连接更加可靠的一个制备方案，但是从材料到制备工艺都是国际上没有验证过的路线，都需要创新。失败、挫折是极大概率出现的，而且往往是不可避免的。但是我们为了研制载人舱，勇于去突破关键技术。

但是问题还是出现了。在2018年12月份，我们的两个载人舱半球在对拢焊接时出现了裂纹。这时距离最终交付时间只有半年了，这个问题的出现瞬间牵动了整个万米载人潜水器研制线几十家单位、1000多名科研人员的神经。如果没有载人舱，这1000多名科研人员在过去5年的科研工作都将付之一炬，所以我们压力非常大。

但是我们把压力转化为了动力和高效的执行力，我和我的导师雷家峰研究员一直在现场跟踪，包括分析焊缝裂纹出现的原因。

同时，我们也紧急启动了第二条焊接的技术路线，这第二条路线在国际上也没有相关的应用案例，为什么？因为这种特殊的焊接工艺难度非常大。但是为了实现载人深潜器建造，为了万米下潜和国家需要，我们就要有所作为。

我们焊接施工团队——船舶725所日夜攻关，解决了又一个研究难题，进行了几十轮次的焊接工艺实验，最终在2019年6月份圆满完成了载人舱赤道缝的焊接工作。

就像船舶725所吕逸帆研究员讲的：我们不怕苦、不怕累，只要国家需要，我们要勇于创新，为祖国而战。

最终我们研制出了满足要求的载人舱，应用于我国“奋斗者”号载人潜水器，也支撑了我们“奋斗者”的海试和后续的常规科研。“奋斗者”号的载人舱相比于国外，包括美国同期的载人舱，它的人数增加到了三人，人均的容积也更大，这样也更加舒适了。

这是在2020年11月份“奋斗者”号海试的现场情况，当一步步抵达11000米的时候，所有的科研人员都非常激动。

当时央视还对“奋斗者”号海试进行了现场直播。这个直播不是在船上直播，而是我们派一个御用“摄影师”——“沧海号”着陆器，在11000米的海底对“奋斗者”号进行直播。这是世界上第一回在该深度下进行直播，看到“奋斗者”号前面这两个灯像两个眼睛一样，非常非常漂亮。

“奋斗者”号海试成功之后，目前也正在继续开展常规科考。目前载人舱已经支撑“奋斗者”号实现了25次万米下潜，我们国家已经成为全球万米下潜次数和人数最多的国家。

这样的工作靠一个人是完成不了的，这是我们金属所载人舱研制团队的主要成员，负责人是我的导师杨锐研究员。

同时，我们也联合国内其他一些具有技术优势的团队，包括设计单位是中船702所，应用单位是中国科学院深海所，建设单位包括中国科学院金属所、宝钛股份、中船725所，还有航空制造院以及中国科学院深海所，正是集全国之力才攻克了一系列这样的困难，最终实现了载人舱建造。

我们的建造也实现了多个技术的创新，包括开创了国际上900兆帕强度级别钛合金的材料应用领域，开创了一种新型的高强钛合金的焊接领域，包括制备出国内最大规模的钛合金板材等等。

这些创新的技术也显示出“奋斗者”号载人舱“钛”不一样的地方，同时这些技术也带动了国家钛工业能力的发展和提升。

技术创新不是一朝一夕能够完成的，我们从2008年开始制备样品，在2013年到2015年之间做了一个模型球，一直到2020年实现了载人舱1:1的建造和应用，这个过程花了12年的时间。

12年的时间很长，但是也不长。在中国科学院金属研究所，有很多应用领域研发周期要更长。比如在钛合金领域，我们面向航空发动机的高温钛合金，从上世纪80年代开始研究，研发了将近40年，最终才在2021年实现了应用。相当于是靠几代人坚守，最终才攻克了材料的一系列难关。

甘做科研“冷板凳”的精神一直是我们所提倡的，今年是中国科学院金属所创建70周年，也是金属所的创始人、首任所长李熏先生逝世40周年。

李熏先生曾经多次提倡要发扬科研“冷板凳”精神，杨锐研究员也经常告诫我们，当我们完成一件事情之后，要迅速回归平静，再坐10年“冷板凳”。

面向国家重大需求，我们金属所钛合金团队，我的老师和我的同事，一直在持续地进行关键技术攻关。在座的各位同学也是我们国家下一代科技创新、科技自立自强的生力军。我们都是奋斗者，我们会一直在奋斗的路上。

谢谢大家！