微裂纹位于圆筒焊缝外侧,主要沿圆周方向扩展。
外部海水压力会把筒壁向内压缩,看上去应该让裂纹闭合。
可圆筒受压后,筒壁会产生椭圆化。
局部区域仍会出现弯曲拉应力。每次下潜与上浮,裂纹尖端便张开、闭合一次。
应变片贴在裂纹两侧后,这种变化被直接记录下来。
外压从零升到九十六兆帕,裂纹中段确实闭合,尖端附近却因筒壁椭圆化出现短暂拉伸。压力每越过七十兆帕一次,尖端都会像呼吸一样张开几微米。
真正推动疲劳的不是最大压力,而是这次反复“呼吸”。
传统修复是把裂纹磨掉后补焊。
钛合金焊接必须在高纯氩气保护下进行。三百多个薄壁圆筒重新受热,不仅可能吸入更多氢,还会让已经加工好的密封面变形。
周野拒绝在裂纹上继续加热。
他给圆筒外侧套上一只高强度合金环。
合金环内径比筒体小零点一二毫米。
先将环加热膨胀,套到焊缝附近,冷却后紧紧箍住钛筒。裂纹所在区域会获得预先存在的压应力。
外部海压再怎样变化,也必须先抵消这层压应力,才能让裂纹张开。
过盈量不能一味增加。
小于零点零八毫米,压应力不足;超过零点一五毫米,套装时筒壁会先被箍出塑性变形。团队按每只圆筒实测外径配磨合金环,而不是用一种尺寸套所有产品。
加工记录精确到两微米,每只环只能对应自己的筒号。
第一只修复样品进入压力舱。
五十兆帕。
八十兆帕。
一百零五兆帕。
氦泄漏为零。
完成五十次压力循环后,裂纹长度没有增加。
韩启明刚露出笑容,拆检人员却发现合金环向端盖方向移动了零点四毫米。
圆筒外表非常光滑。
压力循环引起的微小轴向变形,让过盈环像一枚被慢慢摇松的戒指。它若继续移动,最终会离开裂纹区域。
移动还会擦伤陶瓷隔离层。
一旦露出金属接触点,海水会在狭窄缝隙里形成局部电偶。外观看不见,预紧力却可能在数月中慢慢下降。
所以轴向固定与电化学隔离必须同时解决,不能等潜航器回收后才发现环已经变成一只松动装饰品。
在筒壁加工止动槽可以固定。
可任何槽口都会削弱本就带裂纹的筒体。
使用胶粘剂也不行。
深海低温、海水与压力循环会让有机胶层老化,三个月实验无法证明数年可靠性。
梁师傅提出在合金环内表面加工微小倒钩。
周野摇头:“倒钩能防滑,也会在钛筒表面制造新的应力集中。”
最终,环的两侧被加工成方向相反的浅螺旋纹。
圆筒发生轴向伸缩时,一侧摩擦力试图让环向前转,另一侧则让它向后转。两个趋势互相抵消,环只会在原地产生极小扭矩。
浅螺旋纹没有锋利齿尖。
它的峰谷使用连续圆弧,接触压力分散在整圈表面。有限元验证显示,纹理产生的局部应力低于原筒加工刀纹,既能防滑,又不会制造下一条裂纹。
第二只样品完成两百次压力循环。
移动量不到零点零二毫米。
裂纹稳定。
但新的问题出现了。
合金环材料是高强度镍基合金。
它与钛合金直接接触,在海水中会形成电偶腐蚀。钛很稳定,镍基合金局部却可能在缝隙中发生腐蚀,过盈力随时间下降。
换成钛环可以避免电偶腐蚀。
同种材料的弹性模量和热膨胀相近,难以长期保持足够预紧力,而且钛与钛在高压微动下容易咬合。
周野在两种金属之间加入一层不到二十微米的陶瓷隔离膜。
膜太厚会碎。
太薄又存在针孔,海水仍会接通电化学回路。
第一批涂层在套装时出现肉眼不可见的裂缝。
盐雾试验二十四小时后,环下检测到腐蚀电流。
第二批改为硬颗粒与软金属交替的层状结构。
硬层负责绝缘。
软层在套装时流动,封住硬层裂纹。
盐雾与高压海水联合试验七百二十小时,腐蚀电流接近仪器底噪。
试验后团队将合金环剖开。
硬层存在十几道细裂,软层却已经挤入其中,把海水路径截成互不连通的小段。涂层不是绝对不裂,而是裂了以后仍然不让电流形成回路。
二百六十九只带裂纹圆筒获得修复方案。
可端盖内侧裂纹受的是轴向载荷。
外部箍环只能压住筒壁,无法托住端盖。
批量检测出的四十七只内圆角裂纹,仍然可能在深海压力下把端盖整个压进电池舱。