一文了解國內外艦船用高端鋁合金
2023-12-05 16:19:10
作者： 腐蝕與防護 來源： 腐蝕與防護
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鋁合金應用于造船業已有近百年的歷史。隨著國內外造船業突飛猛進的發展，船舶的輕量化越來越被重視。由于鋁的低密度、高強度、高剛性、耐腐性和可焊性，為建造對重量要求嚴格的船型提供了很好的選擇，船舶設計者使用鋁建造的船舶和使用鋼材或其他合成材料建造的船舶相比，重量減輕了15%~20%。
鋁合金可以作為板材，也可以進行擠壓成型加工和鑄造加工，鋁的加工成本較低，再加上鋁合金突出的物理特性，使得用鋁合金制造船舶更具經濟性。
從船舶設計者角度來看，使用鋁合金制造的船舶可以達到更高的速度以及更長的使用壽命，鋁合金的這些優點，使其在船舶的應用上發展得很快, 造船業為鋁材提供了廣闊的應用市場。
艦船上應用的鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金主要應用在大型水面艦船上層建筑、上千噸的全鋁海洋研究船、遠洋商船和客船、水翼艇、氣墊船、旅客渡船、雙體客船、交通艇、登陸艇等各類高速客船和軍用快艇上。鑄造鋁合金主要應用于泵、活塞、舾裝件及雨水雷殼體等部件。
航母是個龐然大物。它體積巨大，建造精良，是一個機動性很強的作戰平臺，對減輕結構重量具有極其迫切的需求。控制航母的重量，特別是上層建筑的重量，對改善航母的性能至關重要。初步統計，國外每艘航母鋁合金材料用量大約在1000噸左右，例如，美國“獨立”號（CVA62）航母用了1019噸鋁合金；“企業”號核動力航母（CVA65）用了450噸鋁合金；法國“福熙”號（R99）及“克里蒙梭”號（R98）航母上都用了1000多噸鋁合金。鋁合金在航母上的應用對減輕航母結構重量，提高穩定性、適航性、提高戰技性能等具有重要意義。鋁合金在航母上的應用部位包括起飛和降落甲板、升降機、大量管系、舷窗蓋、吊燈架、門、艙室隔壁、艙室裝飾、家具、廚房設備和部分輔機等。例如美國海軍1961年服役的“企業”號航空母艦的4個巨大的升降機是用鋁-鎂合金焊接而成的。驅逐艦等大型水面艦船，為了減輕上層建筑的重量以保持穩定性，而廣泛采用鋁合金結構。事實上在許多驅逐艦等大型水面艦船中，主甲板上的全部結構都是用鋁合金制造的。據統計，美國海軍不同級的驅逐艦，在甲板以上結構中所用的鋁合金數量分別如下：護航驅逐艦（DE）用鋁量251.33噸；導彈驅逐艦（DLG）用鋁量811.30噸；彈道導彈驅逐艦（DDG）用鋁量515.88噸；彈道導彈核動力驅逐艦（DLGN）用鋁量為930.35噸。 美國海軍第一艘彈道導彈驅逐艦USS“杜威”號（DLG14）比第二次世界大戰期間最大的驅逐艦長出50英尺，而噸位則幾乎大兩倍。在“杜威”號的上層建筑中應用的811.30噸鋁合金中大部分是5466厚板和5086薄板。鋁構件代替了鋼后，節約了150噸不必要的重量。鋁的總用量中20%左右是5456和5086合金。另外一些鋁用來制造甲板下面的所有的柜、家具、床鋪及有關設備。所用的鋁合金材料包括6061合金、5052合金等。對于快艇體材料和高速船體材料，一般要求在保證足夠的強度和剛度的條件下，盡量減輕重量，并要求材料具有良好的耐海水腐蝕性能和可焊性。例如美國300多噸的大型反潛水翼研究船、200多噸的炮艇及導彈水翼艇、PTF級快艇、LCM8登陸艇等大多采用鋁-鎂合金焊接結構。早些時期美國海軍建造的五艘導彈水翼艇巡邏艇，稱為“Pegasus”號的原型已于1974年11月下水。在這條潛艇的殼體、內部艙壁和甲板的板材和防擾材中，金屬惰性氣體保護焊縫的長度超過兩英里。“MarkII”號水翼巡邏炮艇PGH-1重70噸，1968年下水，在美國海軍和海岸警衛隊中使用。選用5456合金作艇體材料，它具有高的焊接接頭強度性能。H116和117狀態用于板材，H111狀態用于擠壓件，選擇具有較高抗裂性的5356合金焊絲用于焊接，建造時的焊接工藝為金屬惰性氣體保護的脈沖電弧焊和射流電弧焊以及鎢極惰性氣體保護焊。波音公司已建造了很多航速為43節的100噸級水翼艇，這些根據美國海軍水翼艇的設計演變出來的民用艇為噴翼型。殼體和上層建筑全部是鋁合金結構，采用5456-H116或H117合金。焊接檢驗很嚴格，需要對全部焊縫進行X射線、超聲波檢驗和著色檢驗。在著色前要對檢查部位作侵蝕處理，以除去污物。前蘇聯是世界上成批生產水翼艇的領先國家，制造了幾百艘水翼艇并投入運營，還出口了許多艘。我國用5A01合金板材、型材和鍛件建造了“飛魚”號水翼艇，建造中采用了半自動化熔化極脈沖氬弧焊和回轉胎架設備。鋁合金在氣墊船應用中值得一提的是1976年由Rohr工業公司承保的一項設計美國海軍3000噸、80節艦船“3KSES”的合同。該船為全焊鋁結構。在選材時，焊件可選5456-H116或H117，或強度較高的Al-Cu-Mn系2219合金，非焊件選用高強度Al-Zn-Mg-Cu系7075-T73合金。這兩種合金在宇航領域的應用中綜合性能較好的合金，能否在海洋環境中長期使用是一個問題。當時美國新研制的CS19（鎂含量高達8.7%左右）也有潛在的可能。因為其焊接接頭的典型屈服強度達到23 kg/mm²，而常用的5456合金一般為15~17 kg/mm²。該船是噸位最大的全焊鋁殼船，選材及其慎重。5456-H116或H117合金終于因力學性能、耐蝕性及成本三方面的優點而被評為用于主殼體結構的最佳材料。選用5456-H112合金作為擠壓件，因為其比強度比5086-H112大19%，H112狀態合金的組織中沒有會使合金在海洋環境中出現剝落腐蝕敏感性的β相晶界連續網絡。前些年報道了西班牙海軍建造的36噸氣墊船原型用于試驗和鑒定的情況，它是用鉚接方法建造的。蘇聯用Amr-61合金建造了“火焰”號氣墊船。英國建造了全焊的氣墊船Apl-88，是當時鋁殼氣墊船的最新發展。殼體采用Al-4.5Mg的N8合金，型材采用Al-1%Mg-1%Si的H30合金。采用深I型材和長而寬的大型擠壓件以避免橫向焊縫和減小臨近焊件的熱影響。加拿大海岸警衛隊向英國氣墊船公司訂購了一批Apl-88。前些年設計的氣墊船與早期相比有很大變化，包括使用冷柴油機取代燃氣輪機和用焊接的鋁結構取代較復雜的玻璃鋼。Apl-88和“虎”級氣墊船就具有這些設計特征。最新的“虎-40”于1986年4月開始設計，同年12月開始試航。該艇總長17.25米，總寬7.625米，高5.375米。除用作客船外，還可用作內河和海岸巡邏艇以及工作艇等。上個世紀70-80年代，我國用7A19合金、5A30合金等建造了全升氣墊船和側壁式氣墊船，無論是全墊升還是側壁式氣墊船所用的鋁合金板材厚度都較薄，一般為1~3 mm。此外還用了許多規格的型材。由于板材較薄，多數鋁質氣墊船采用的是鉚接鏈接，但也有全焊接氣墊船。英國麥克泰公司為英國海軍設計建造了第一批裝有升降舵的鋁殼雙體船。這些船有很多引人注目的特點：寬闊而穩定的甲板、極低航速時良好的機動性、良好的航向穩定性、阻力小。法國梅泰羅工業系統已完成一種軍用多用途鋁殼雙體船的設計，總長25米，寬10米，吃水0.7~1米，空船重45噸，載重量18噸，主機為兩臺1200馬力柴油機，噴水推進，最大航速30節。在挪威和瑞典，用鋁合金建造雙體船很盛行，如挪威設計的10艘高速雙體船全部采用對稱船體，每艘載客449人，分別以32節和24節的航速橫渡海峽。日本用鋁合金建造的“Marine shuttle”號小水線面雙體船長41米，航速34節，是一艘280個客位的非對稱船型高速雙體客船。我國國內航線中使用了不少雙體船，其中有進口的，也有國內自行建造的。地效翼船是介于船舶與飛機之間，利用類似機翼的表面效應產生的氣動升力，支撐船體離開水面低飛，偶爾能浮水航行的高技術新型艦船。地效翼船的航速高最快可達300多節，而且航行性好，具有良好的兩棲性，能在水上、路上起降，在波浪上方低空飛行，受干擾少，又比較安全。可跨越沼澤、冰層、雷區、障礙物，可廣泛用于軍事行動。是快速登錄的必備艦型，常與航母、兩棲攻擊艦配套，在登陸作戰中極具突然性。此外，地效翼船的經濟性好（油耗比常規飛機低30%以上）。比之飛機安全得多，造價也相對便宜，在經濟和軍事兩方面都會產生巨大效益。地效翼船要求艇體采用鋁合金材料，并且要求用焊接結構（在俄羅斯較大噸位地效翼船的船體主要使用了可焊接的鋁合金材料）。而且要求艇體材料屈服強度大于300 MPa，抗拉強度達到400 MPa，同時要求材料具有良好的成型工藝性和良好的耐腐蝕性能等綜合性能。鋁制工作船要求的維護較少、使用時間更長、行駛速度更快。毫無疑問，捕魚船或任何其他海洋業有必要做這種投資。經驗表明，任何一種鋁質小型船都可以使用數十年，而不會遭受明顯的腐蝕。這種船只的退役通常是出自技術過時的緣故，而非鋁結構的老化。總的說來，5000和6000系鋁-鎂合金優異的耐海洋性氣候，特別是耐海水浸蝕性能現已得到大家認可。液化天然氣（LNG）可代替石油作為能源，在石油發生危機時，對它的需要將變得更為迫切。LNG是把天然氣在低于-162℃的低溫下液化而成的，因此在LNG的貯藏和運輸中需要低溫性能好的金屬。一般使用鋁合金、鎳鋼和不銹鋼，而鋁合金具有良好的耐海水腐蝕性能，因而都傾向使用重量輕和焊接性能好的鋁合金。建造LNG貨船主要有兩大技術：隔板（膜片）或Moss-Rosenberg。Moss-Rosenberg型船的特征是有較大的球形儲罐（每只船至少5個），它們是由較寬的鋁鎂合金板材制成的，采用一種特殊的高電流氣態金屬焊接工藝將其焊接在一起。對于作為交通工具的船舶來說，提高速度是其改進和發展的主要技術指標之一。目前，在各種交通運輸工具中，船舶運輸的速度發展最慢，而提高其速度的最有效方法之一是減輕船重，二是采用減小水阻力，這兩種方法的有機結合，使得鋁合金高速船艇正在飛速發展。我國水運條件十分優越，海岸線總長約18000多公里，內河航道上千條，隨著經濟和貿易的迅速發展，必將需要大量的船舶，因此開發鋁合金船具有重要戰略意義。
材料的屈服強度和彈性模量是進行船舶結構強度計算，確定結構尺寸的最基本參數。由于各種鋁合金的彈性模量和密度都大體相同，而添加少量合金元素或改變熱處理狀態對它們的影響甚微，因此在一定范圍內提高屈服強度對減輕艦船結構重量有利，一般鋁合金的密度為2.7~2.8 g/cm³，彈性模量為70~73 GPa。但高強度鋁合金通常很難同時具有優良的耐蝕性和可焊性，因此艦船用鋁合金一般選用具有中等強度和耐蝕可焊鋁合金，此外鑄造鋁合金在艦船領域也有一定的應用。
對于艦船而言，采用焊接連接比采用鉚接連接具有明顯的優點，因此焊接連接方法已在造船中廣泛使用，基本上取代了鉚接結構，目前在鋁船建造中主要使用自動氬弧焊接方法。鋁合金具有良好的可焊接性意味著鋁合金在焊接時形成裂紋的趨向要小，即鋁合金具有良好的焊接抗裂性，而且焊后焊接接頭性能變化不大。因為在造船的條件下不能通過重新熱處理的方法恢復因焊接而失去的性能，所以這是船用鋁合金有別于其他結構用鋁合金的重要特點之一。AL-Zn-Mg系和AL-Mg-Si系合金焊后強度明顯降低，AL-Zn-Mg系合金焊后耐蝕性也差，因此該兩系合金在作為焊接船用材料時受到一定的限制。而AL-Mg系合金無此弊端。AL-Zn-Mg系合金主要用于焊后可熱處理的構件（如魚雷殼體），AL-Mg-Si系合金主要用作型材。艦船結構多在苛刻的海水介質和海洋環境中使用，因此鋁合金是否耐腐蝕是決定其可否作為船用鋁合金的主要標志之一。一般要求船用鋁合金基體和焊接接頭在海水和海洋環境中無應力腐蝕、剝落腐蝕和晶間腐蝕傾向；要盡量避免接觸腐蝕、縫隙腐蝕和海生物附著腐蝕；允許有較小的均勻腐蝕和點腐蝕。艦船在建造過程中要經受冷加工（如折邊、卷邊、輥彎、沖壓等）和熱加工（如熱彎、火工矯形等）。所以要求船用鋁合金易于加工成型，加工時不產生裂紋等缺陷，加工后仍能滿足強度、耐蝕性等性能要求。鋁合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無磁性和低溫性能好等特點，用于船舶中具有如下優勢：(1) 由于其比重小，因而可減輕船重，可減小發動機單機容量，可提高速度；可減少燃料耗費，節約燃油；可以改善船的長寬比，增加穩定性，使船易于操縱；還可以增加載重量，獲得額外利潤。(2) 由于抗腐蝕性能好，能減少涂油等維修費用，可延長使用年限（通常在20年以上）。(3) 加工成形性能好，易于進行切割、沖壓、冷彎、成形和切削等各種形式的加工，適合船體的流線化；可擠壓出大型寬幅薄壁型材，減少焊縫數和使船體結構合理化和輕量化。(5) 彈性模量小，吸收沖擊應力的能力大，有較好的安全性。(8) 由于非磁性，羅盤不受影響；全鋁船可以避免水雷攻擊，適合做掃雷艇。(9) 沒有蟲害和干燥變形；不燃燒，遇火災較為安全。
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