在海洋資源開發(fā)與海洋權(quán)益維護(hù)的征程中，水下裝備扮演著至關(guān)重要的角色。隨著海洋探索向深海邁進(jìn)，水下裝備的結(jié)構(gòu)材料逐漸向鈦合金轉(zhuǎn)變，而增材制造技術(shù)（3D打印技術(shù)）的崛起，為水下鈦合金裝備的建造帶來了前所未有的機(jī)遇。
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水下裝備與鈦合金的 “不解之緣”
我國海洋資源豐富，水下裝備作為開發(fā)海洋的關(guān)鍵工具，其重要性不言而喻。早期，水下裝備多由鐵基材料制成，后為實(shí)現(xiàn)輕量化，鋁合金材料被廣泛應(yīng)用。但隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的推進(jìn)，水下裝備需要具備遠(yuǎn)航程、長(zhǎng)航時(shí)、大水深作業(yè)能力，鈦合金憑借輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、無磁等特性脫穎而出，成為水下裝備結(jié)構(gòu)材料的理想之選。然而，鈦合金加工難度大，傳統(tǒng)加工方式存在尺寸精度差、加工周期長(zhǎng)、成本高等問題，這也為增材制造技術(shù)的應(yīng)用提供了空間，它不僅能夠解決鈦合金加工中的難題，還能大幅提升制造效率和經(jīng)濟(jì)效益。
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增材制造技術(shù)：從萌芽到發(fā)展
增材制造技術(shù)的理念最早可追溯到19世紀(jì)末的美國，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，這一設(shè)想未能實(shí)現(xiàn)。直到20世紀(jì)80年代，高能量熱熔覆技術(shù)和快速成形技術(shù)的突破，為增材制造技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此后，這項(xiàng)技術(shù)不斷迭代，逐漸在航空航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域嶄露頭角，如今已成為制造業(yè)的前沿關(guān)鍵技術(shù)之一。
增材制造技術(shù)的核心在于“逐層堆積”，它通過激光、電子束或電弧等熱源熔化粉末或絲材，按照三維模型逐層堆積，最終實(shí)現(xiàn)零部件的整體成形。這種技術(shù)不僅突破了傳統(tǒng)制造的限制，還為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造提供了全新的解決方案。
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增材制造技術(shù)在水下鈦合金裝備建造中的應(yīng)用案例
螺旋槳的創(chuàng)新制造：螺旋槳是水下裝備的關(guān)鍵推進(jìn)部件。以往，鈦合金鑄造螺旋槳面臨成本高、工藝繁瑣的困境，批量較小時(shí)，采用厚板機(jī)械加工雖更便捷，但材料利用率極低。Damen集團(tuán)、德國螺旋槳制造商 Promarin、軟件供應(yīng)商Autodesk和鹿特丹增材制造實(shí)驗(yàn)室（RAMLAB）于2017年合作，通過弧絲增材制造技術(shù)成功完成了世界上首個(gè)三葉鎳鋁青銅合金螺旋槳（直徑1.35m、重量400kg），并通過相關(guān)性能測(cè)試，獲得法國船級(jí)社認(rèn)證。中國船舶集團(tuán)汾西重工有限責(zé)任公司聯(lián)合西安鉑力特，采用LMD技術(shù)試制出七葉鈦合金螺旋槳（直徑800mm，重量30kg），正在申請(qǐng)中國船級(jí)社認(rèn)證。相比傳統(tǒng)制造方式，增材制造在螺旋槳制造上展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，解決了諸多難題。
（a）沉積態(tài)的螺旋槳、（b）機(jī)加后的螺旋槳
空心殼體的制造突破：空心殼體是水下裝備中加工難度較大的部件，傳統(tǒng)的鍛環(huán)拼焊方式存在裝配難度大、焊縫多、焊接變形大、材料利用率低和加工周期長(zhǎng)等問題。中國船舶集團(tuán)汾西重工聯(lián)合西安鉑力特，運(yùn)用 LMD 技術(shù)完成了空心殼體的試制。經(jīng)測(cè)試，該制件順利通過力學(xué)性能測(cè)試和外水壓測(cè)試。與傳統(tǒng)加工方式相比，材料利用率從50%提高至95%，加工周期由7天縮短到1天，制造成本降低了20%，顯著提升了制造效率和經(jīng)濟(jì)效益。
（a）空心殼體結(jié)構(gòu) 、（b）LMD完成的空心殼體
壓力容器的探索嘗試：在國外，Breddermann團(tuán)隊(duì)通過LMD技術(shù)成功制備了TC4鈦合金半球殼體，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估與測(cè)試，以探索在水下裝備中的應(yīng)用潛力。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化構(gòu)建方向和引入支撐結(jié)構(gòu)，可提升第二批半球體的尺寸精度。破壞測(cè)試表明，第二批半球體的承壓能力大幅提升，這為水下鈦合金裝備的發(fā)展提供了重要參考。
（a） 成形模擬 （b）、（c） 成形殼體
04
增材制造技術(shù)的 “閃光點(diǎn)”
增材制造技術(shù)有別于傳統(tǒng)加工技術(shù)，它依據(jù)三維模型，通過分層處理，利用激光、電子束或電弧等熱源熔化粉末或絲材，逐層堆積實(shí)現(xiàn)零部件整體成形。在水下鈦合金裝備建造中，這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。
尺寸適應(yīng)性強(qiáng)：激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)，雖受真空艙室空間限制，但國內(nèi)外設(shè)備也能覆蓋水下裝備60%以上零部件，且隨著技術(shù)發(fā)展，成形尺寸不斷增大。而激光熔融沉積（LMD）和電弧增材制造（WAAM）技術(shù)，零件成形尺寸基本不受限，能滿足大型部件需求，經(jīng)后續(xù)精加工，可達(dá)到裝備使用要求。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造優(yōu)勢(shì)顯著：以螺旋槳和空心殼體為例，傳統(tǒng)制造方式成本高、工藝繁瑣、材料利用率低。采用增材制造技術(shù)后，不僅能解決這些問題，還能提高生產(chǎn)效率。如中國船舶集團(tuán)汾西重工聯(lián)合西安鉑力特試制的七葉鈦合金螺旋槳和空心殼體，在性能、成本和加工周期上都有極大改善。
材料成分及性能有保障：研究表明，增材制造技術(shù)加工的鈦合金零部件化學(xué)成分能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，部分工藝制備的 TC4 鈦合金制件力學(xué)性能也能滿足標(biāo)準(zhǔn)，雖沖擊功較鍛件低，但整體表現(xiàn)良好。
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發(fā)展路上的 “絆腳石”
盡管增材制造技術(shù)前景廣闊，但在水下鈦合金裝備應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險(xiǎn)：增材制造零件存在孔隙問題，雖可通過后處理降低孔隙率，但難以完全消除?？紫稌?huì)削弱制件耐蝕性，加上水下裝備服役環(huán)境惡劣，增材制件在深海環(huán)境中的可靠性面臨考驗(yàn)。
大型結(jié)構(gòu)件形性控制難題：大型結(jié)構(gòu)件增材制造時(shí)，底層金屬熱循環(huán)易引發(fā)過熱、變形和開裂，且金屬流動(dòng)和充實(shí)性控制難度大，易出現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量問題。
評(píng)價(jià)體系不完善：目前，增材制件評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范缺失，缺乏耐蝕性評(píng)價(jià)指導(dǎo)、定量指標(biāo)以及特殊工況環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估，影響不同產(chǎn)品質(zhì)量性能比較與評(píng)估。
材料與成本問題：增材制造材料未針對(duì)工藝熱源特點(diǎn)開發(fā)，水下裝備部分材料體系研究空白，且增材制造加工成本偏高，限制了其在水下裝備中的應(yīng)用。
06
未來展望：光明與挑戰(zhàn)并存
增材制造技術(shù)在水下鈦合金裝備建造領(lǐng)域潛力巨大。隨著技術(shù)的不斷成熟和市場(chǎng)的逐步開拓，有望為水下裝備的設(shè)計(jì)與制造帶來革命性變革。針對(duì)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，固相增材制造技術(shù)（如攪拌摩擦增材技術(shù)）因在制造過程中無孔隙，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、類似鍛件的組織結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)將為水下裝備的高質(zhì)量制造提供有力支持。此外，先在水下裝備的非觸水部件上應(yīng)用增材制造技術(shù)，有助于積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)在水下裝備制造中的實(shí)用性發(fā)展。
海洋探索的步伐從未停止，水下裝備的發(fā)展也在持續(xù)加速。增材制造技術(shù)雖面臨挑戰(zhàn)，但它為水下鈦合金裝備建造帶來的創(chuàng)新機(jī)遇不容忽視。相信在科研人員的不懈努力下，這項(xiàng)技術(shù)將不斷突破瓶頸，在海洋領(lǐng)域發(fā)揮更大的價(jià)值。
