摘 要：本文論述了美國航母高強度結構用鋼的歷史發展情況，對美國航母結構用鋼的性能特點、應用部位、機械性能、化學成份等進行了對比分析。通過分析認為，先進的高強度結構用鋼是一個國家海軍發展的基礎之一，良好的結構材料及其合理應用不但可以提高航母船體結構的強度和抗打擊能力，還能有效地減輕船體結構的重量，有利于進一步提高航母的總體性能，增加排水量。

關鍵詞： 航母 結構用鋼 美國

1 美國典型航母用鋼情況

美國航母的高強度結構用鋼已經從最初的HTS鋼及HY 鋼發展到現在的HSLA 鋼，其屈服強度值從352 MPa 到903 MPa 共5 個等級。其中HSLA 鋼目前共有HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100 和HSLA-115 四個品種，屈服強度分別為449 MPa、549 MPa、689 MPa 和795 MPa；其中，HSLA-65 鋼首次在航母上應用是“布什”號航母（CVN 77），而HSLA-115的首次應用將是在未來航母“福特”號航母（CVN78）上。

1）“尼米茲”級航母“尼米茲”級航母是目前世界上最先進的大型航空母艦，也是美國海軍現役航母的主要構成部分，共造10 艘。該級航母首艦“尼米茲”號于1968 年開始建造，1975 年3 月服役，到2008 年已經有9艘“尼米茲”級核動力航母在役；其最新的“喬治?布什”號（CVN 77）于2006 年下水，2009 年初服役。CVN 77 核動力航母總長332.9 m， 寬40.8 m，吃水11.3 m， 滿載排水量102 000 t； 飛行甲板長332.9 m，斜角甲板長237.7 m，寬76.8 m；機庫甲板長208.48 m，寬32.92 m，機庫凈高8.07 m；最大航速可達30 kn。

“尼米茲”級航空母艦從首艦建造到如今已有40年的時間，這段時間航母的船體結構材料得到了迅猛發展，從最初的HY 系列到現在已經擁有成熟技術的HSLA-80、 HSLA-100 鋼材，這些船體材料的發展在“尼米茲”級航母上都能充分體現出來。

“尼米茲”級航母飛行甲板由20 ~ 50 mm 厚的鋼板和復合裝甲材料組成。為減輕航母自身重量，早期的“尼米茲”級的艦體主要采用屈服強度為549 MPa的HY-80 高強度鋼， 裝甲結構采用屈服強度為689 MPa 的HY-100 超高強度鋼。20 世紀80 年代中期以后建造的“尼米茲”級航母主要結構材料改為HSLA-80 和HSLA-100 高強度低合金鋼。HSLA-100鋼在航母上的應用最初是在“尼米茲”級的“斯坦尼斯”號（CVN 74）上，用量約為2 080 t。圖1 及圖2 為“斯坦尼斯”號上相關板架圖例，圖3 是其應用示意。據初步估算，與采用HY-100 鋼相比，引入HSLA-100 鋼每噸可節省500 ~ 3 000 美元不等。不過對于厚度大于25.4 mm 的鋼板，仍需采用與HY-100相同的焊接預熱工藝，造成這種預熱要求的原因并不是材料本身，而是對焊條的各種限制。目前美國已經開發出低氫敏焊條，以便能在較低的預熱溫度下焊接較厚的HSLA-100 鋼材。

HSLA-100 鋼是美國為先進的攻擊型核潛艇（非耐壓殼體）和新建的航母殼體而研制的專用鋼，屬低碳銅沉淀強化鋼，其強度性能已達到HY-100 鋼的水平，板厚可達100 mm，焊接材料與HY100 鋼的相同。與HY100 鋼相比，不同之處在于可在較低的焊接預熱/ 層間溫度下施焊，從而降低了建造成本。該型號鋼焊接預熱溫度僅在15.6℃ ~ 93.3℃之間，而HY100鋼根據厚度不同預熱溫度在51.7 ℃ ~ 149 ℃ 之間。HSLA-100 鋼材在“斯坦尼斯”號上的應用取得了很好的效果，因而很快在“杜魯門”號航母（CVN75）上開始了大范圍應用。在“杜魯門”號航母上，該鋼用量已增加到大約11 600 t，在“里根”號（CVN-76）上的應用更為廣泛，但該鋼被禁止用于止裂結構及海軍海上系統司令部規定的08 編號區（核動力裝置區）。表1 列出了HSLA-100 在美海軍艦艇上的使用情況，圖4 是HSLA-80/100 鋼在美國海軍水面艦艇中的用量。總體而言，該級艦的艦橋、飛行甲板、舷部水線附近舷側外板、尾舵和螺旋槳附近外板均采用大厚度的HY-100 或HSLA-100 裝甲鋼板。

圖1 帶有縱/ 橫向加強結構的HSLA-100 甲板組件

圖2 帶密布加強桿的HSLA-100 主甲板板架

圖3 HSLA-100 甲板應用示意圖 （虛線表示背面結構）

表1 HSLA-100 在美海軍艦艇上的使用情況

圖4 HSLA-80/100 鋼在美海軍艦艇中的累積用量

2）“福特”級航母

“福特”級新型航母將逐艘替代“企業”號航母（美第一艘核動力航母）和“尼米茲”航母，將成為未來美海軍海上打擊的核心力量。早在2004年，諾思羅普? 格魯曼的紐波特? 紐斯船廠就獲得了一份價值13.9 億美元的合同，用于該級航母動力裝置的設計和裝備。“福特”級航母的首艦為“杰拉爾德? R ? 福特”號（CVN 78，以下簡稱“福特”號）。“福特”號航母長約255 m，寬80.8 m，滿載排水量約100 000 t。在船體材料的選擇上，“福特”號航母與“尼米茲”級航母的“布什”號在結構鋼使用上最大的區別是：美國海軍金屬材料研究中心計劃將HSLA-65 在“福特”號上推廣應用，而且將首次應用HSLA-115 鋼。目前已經完成了CVN 78 用HSLA-65 鋼板的大小及厚度評價，并且美國海軍海上系統司令部（NAVSEA）已經頒布了鑒定書，證明這種材料滿足“福特”號航母的采購要求及設計需求。目前該廠已經將HSLA-115 鋼納入到“福特”號航母的設計中。

2 HSLA 鋼分析

HSLA 鋼即高強度低合金鋼，這種鋼工藝性能好，有良好的焊接性；此外，它們的應用還能顯著降低航母自重并提高結構的抗損能力。

HSLA 系列鋼中碳和碳當量都很低，加之其內部的非馬氏體組織，保證了該型鋼的高強韌化水平和優異的抗氫致開裂性能。在HSLA 鋼中，銅和鎳是主要合金元素。加入銅可使HSLA 在固熔處理和時效后形成富銅相，富銅析出相阻礙位錯運動，提高屈服強度，產生沉淀硬化；還改善了鋼材在海水中的耐蝕性；提高了鋼材的耐磨性。加入鎳可充分防止由銅引起的熱脆性，還可提高淬透性。鈮也是重要的元素，含量約為0.02% ~ 0.06%，它可使晶粒細化，加鈮后產生的細晶粒組織有利于HSLA 鋼的強韌化。此外，比起HY鋼，HSLA剛的韌性加強了，這對于艦體的直接好處就是提高了防彈效果；采用HY 型焊接材料焊接時，HSLA 鋼的熱裂抗力及冷裂抗力都優于HY 鋼，而且預熱成本較低，焊接成本可降低50% 以上，它有逐漸替代水面艦艇用HY 鋼的趨勢。

HSLA-80 和HSLA-100 鋼分別是HY-80 以及HY-100 鋼的替代品種，屈服強度分別為549 MPa、689 MPa，它們具有比HY 系列鋼更優異的焊接特性，不需預熱或預熱溫度較低，焊接時可以采用與HY 系列相同的焊條及焊接工藝，大大降低了水面艦艇的建造成本。此外，控扎得到的HSLA-80 鋼可取消熱處理，進一步降低了成本；這種以軋制狀態供應的控扎鋼板材尺寸不受熱處理爐的限制，可生產更長的板，既能減小橫向焊縫的總長度，又能將一些橫向焊件置于低應力區內。據美國海軍官方數據，若采用HSLA-80 鋼板，每磅（0.453 6 kg）HSLA-80鋼的純制造成本就比HY-80 鋼低40% ~ 90%。美海軍海上系統司令部曾作出預測，若用HSLA-80 取代HY-80 鋼板，每10 年就可節省經費2 億 ~ 10 億美元。對于HSLA-100 鋼而言，在航母上所用的鋼中一半以上都是在25.4 mm 以下（25.4 mm 以下鋼板可以在室溫下焊接，因為其預熱溫度為15.6 ℃），因此美國海軍預測，因為預熱成本的減少，美海軍在其研制成功后的10 年中節省的資金高達1 億美元/ 年。表2 是HSLA-80 鋼的焊接材料及焊接工藝。

表2 HSLA-80 鋼焊接材料及焊接工藝

HSLA-65 鋼由民船用鋼改進而來，美國海軍研究這種鋼材是準備在未來的艦船建造中代替HTS鋼。HSLA-65 鋼的屈服強度約為449 MPa，可以填補高強度鋼（HSS）DH/EH-36 與屈服強度為549 MPa 的HY 及HSLA 鋼之間的空白；同時又能克服HSLA-80 鋼作為船殼板時的缺陷。HSLA-80 鋼雖然用較薄的板和更少的焊接金屬可滿足強度要求，不過會產生扭曲，需要附加加強件，增加了成本和艦艇重量，因此美國海軍于20 世紀80 年代開發了HSLA-65 鋼，它的成本及加工費用基本與HSS 鋼相同，焊接工藝、程序和焊接材料也與HSS 相同。使用HSLA-65 代替HSS 可使用較薄的板材，從而使每艘艦重量減輕約1 500 t。

HSLA-65 鋼的化學成分與HTS 鋼相似，采用電爐冶煉，氬—氯脫碳精煉，真空脫氧，加鈣處理以控制夾雜物形成，控扎；其板厚可達51 mm，機械性能、韌性均能滿足艦艇用鋼的要求。表3 是這幾種鋼的機械性能。

表3 HSLA-65 鋼與HTS 鋼的機械性能

HSLA-115 由HSLA-100 經過改進熱處理而成，其屈服強度為115 千帕/ 平方英寸（約794 MPa），強于HSLA-100 的100 千帕/ 平方英寸（690 MPa）。如果通過測試，它將部分取代“福特”號航母上的HSLA-100 鋼和HY100 鋼，尤其是航母飛行甲板用鋼，可增強飛行甲板結構強度，還能有效節省空間及減輕重量，增加有效負載。據美海軍估計，如果在“福特”號航母上采用HSLA-115 鋼替代HSLA-100 鋼，則至少可以減輕400 t 的重量，其中僅上層建筑的重量就可以減少100 t ~ 200 t，進一步提高航母穩性，增加有效負載。

3 結束語

從美國航母船體結構用鋼發展歷史可以看出，美國海軍和航母設計人員一直高度重視航母結構用鋼的開發及應用研究，并進行了包括核爆炸在內的船體結構抗沖擊試驗，在船體結構用鋼領域積累了豐富的經驗。其船體結構用鋼的綜合性能在持續提高，為新型航母的設計及提高航母的綜合性能創造了條件。