一文了解国内外舰船用高端铝合金
2023-12-05 16:19:10
作者： 腐蚀与防护 来源： 腐蚀与防护
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铝合金应用于造船业已有近百年的历史。随着国内外造船业突飞猛进的发展，船舶的轻量化越来越被重视。由于铝的低密度、高强度、高刚性、耐腐性和可焊性，为建造对重量要求严格的船型提供了很好的选择，船舶设计者使用铝建造的船舶和使用钢材或其他合成材料建造的船舶相比，重量减轻了15%~20%。
铝合金可以作为板材，也可以进行挤压成型加工和铸造加工，铝的加工成本较低，再加上铝合金突出的物理特性，使得用铝合金制造船舶更具经济性。
从船舶设计者角度来看，使用铝合金制造的船舶可以达到更高的速度以及更长的使用寿命，铝合金的这些优点，使其在船舶的应用上发展得很快, 造船业为铝材提供了广阔的应用市场。
舰船上应用的铝合金可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金主要应用在大型水面舰船上层建筑、上千吨的全铝海洋研究船、远洋商船和客船、水翼艇、气垫船、旅客渡船、双体客船、交通艇、登陆艇等各类高速客船和军用快艇上。铸造铝合金主要应用于泵、活塞、舾装件及雨水雷壳体等部件。
航母是个庞然大物。它体积巨大，建造精良，是一个机动性很强的作战平台，对减轻结构重量具有极其迫切的需求。控制航母的重量，特别是上层建筑的重量，对改善航母的性能至关重要。初步统计，国外每艘航母铝合金材料用量大约在1000吨左右，例如，美国“独立”号（CVA62）航母用了1019吨铝合金；“企业”号核动力航母（CVA65）用了450吨铝合金；法国“福熙”号（R99）及“克里蒙梭”号（R98）航母上都用了1000多吨铝合金。铝合金在航母上的应用对减轻航母结构重量，提高稳定性、适航性、提高战技性能等具有重要意义。铝合金在航母上的应用部位包括起飞和降落甲板、升降机、大量管系、舷窗盖、吊灯架、门、舱室隔壁、舱室装饰、家具、厨房设备和部分辅机等。例如美国海军1961年服役的“企业”号航空母舰的4个巨大的升降机是用铝-镁合金焊接而成的。驱逐舰等大型水面舰船，为了减轻上层建筑的重量以保持稳定性，而广泛采用铝合金结构。事实上在许多驱逐舰等大型水面舰船中，主甲板上的全部结构都是用铝合金制造的。据统计，美国海军不同级的驱逐舰，在甲板以上结构中所用的铝合金数量分别如下：护航驱逐舰（DE）用铝量251.33吨；导弹驱逐舰（DLG）用铝量811.30吨；弹道导弹驱逐舰（DDG）用铝量515.88吨；弹道导弹核动力驱逐舰（DLGN）用铝量为930.35吨。 美国海军第一艘弹道导弹驱逐舰USS“杜威”号（DLG14）比第二次世界大战期间最大的驱逐舰长出50英尺，而吨位则几乎大两倍。在“杜威”号的上层建筑中应用的811.30吨铝合金中大部分是5466厚板和5086薄板。铝构件代替了钢后，节约了150吨不必要的重量。铝的总用量中20%左右是5456和5086合金。另外一些铝用来制造甲板下面的所有的柜、家具、床铺及有关设备。所用的铝合金材料包括6061合金、5052合金等。对于快艇体材料和高速船体材料，一般要求在保证足够的强度和刚度的条件下，尽量减轻重量，并要求材料具有良好的耐海水腐蚀性能和可焊性。例如美国300多吨的大型反潜水翼研究船、200多吨的炮艇及导弹水翼艇、PTF级快艇、LCM8登陆艇等大多采用铝-镁合金焊接结构。早些时期美国海军建造的五艘导弹水翼艇巡逻艇，称为“Pegasus”号的原型已于1974年11月下水。在这条潜艇的壳体、内部舱壁和甲板的板材和防扰材中，金属惰性气体保护焊缝的长度超过两英里。“MarkII”号水翼巡逻炮艇PGH-1重70吨，1968年下水，在美国海军和海岸警卫队中使用。选用5456合金作艇体材料，它具有高的焊接接头强度性能。H116和117状态用于板材，H111状态用于挤压件，选择具有较高抗裂性的5356合金焊丝用于焊接，建造时的焊接工艺为金属惰性气体保护的脉冲电弧焊和射流电弧焊以及钨极惰性气体保护焊。波音公司已建造了很多航速为43节的100吨级水翼艇，这些根据美国海军水翼艇的设计演变出来的民用艇为喷翼型。壳体和上层建筑全部是铝合金结构，采用5456-H116或H117合金。焊接检验很严格，需要对全部焊缝进行X射线、超声波检验和着色检验。在着色前要对检查部位作侵蚀处理，以除去污物。前苏联是世界上成批生产水翼艇的领先国家，制造了几百艘水翼艇并投入运营，还出口了许多艘。我国用5A01合金板材、型材和锻件建造了“飞鱼”号水翼艇，建造中采用了半自动化熔化极脉冲氩弧焊和回转胎架设备。铝合金在气垫船应用中值得一提的是1976年由Rohr工业公司承保的一项设计美国海军3000吨、80节舰船“3KSES”的合同。该船为全焊铝结构。在选材时，焊件可选5456-H116或H117，或强度较高的Al-Cu-Mn系2219合金，非焊件选用高强度Al-Zn-Mg-Cu系7075-T73合金。这两种合金在宇航领域的应用中综合性能较好的合金，能否在海洋环境中长期使用是一个问题。当时美国新研制的CS19（镁含量高达8.7%左右）也有潜在的可能。因为其焊接接头的典型屈服强度达到23 kg/mm²，而常用的5456合金一般为15~17 kg/mm²。该船是吨位最大的全焊铝壳船，选材及其慎重。5456-H116或H117合金终于因力学性能、耐蚀性及成本三方面的优点而被评为用于主壳体结构的最佳材料。选用5456-H112合金作为挤压件，因为其比强度比5086-H112大19%，H112状态合金的组织中没有会使合金在海洋环境中出现剥落腐蚀敏感性的β相晶界连续网络。前些年报道了西班牙海军建造的36吨气垫船原型用于试验和鉴定的情况，它是用铆接方法建造的。苏联用Amr-61合金建造了“火焰”号气垫船。英国建造了全焊的气垫船Apl-88，是当时铝壳气垫船的最新发展。壳体采用Al-4.5Mg的N8合金，型材采用Al-1%Mg-1%Si的H30合金。采用深I型材和长而宽的大型挤压件以避免横向焊缝和减小临近焊件的热影响。加拿大海岸警卫队向英国气垫船公司订购了一批Apl-88。前些年设计的气垫船与早期相比有很大变化，包括使用冷柴油机取代燃气轮机和用焊接的铝结构取代较复杂的玻璃钢。Apl-88和“虎”级气垫船就具有这些设计特征。最新的“虎-40”于1986年4月开始设计，同年12月开始试航。该艇总长17.25米，总宽7.625米，高5.375米。除用作客船外，还可用作内河和海岸巡逻艇以及工作艇等。上个世纪70-80年代，我国用7A19合金、5A30合金等建造了全升气垫船和侧壁式气垫船，无论是全垫升还是侧壁式气垫船所用的铝合金板材厚度都较薄，一般为1~3 mm。此外还用了许多规格的型材。由于板材较薄，多数铝质气垫船采用的是铆接链接，但也有全焊接气垫船。英国麦克泰公司为英国海军设计建造了第一批装有升降舵的铝壳双体船。这些船有很多引人注目的特点：宽阔而稳定的甲板、极低航速时良好的机动性、良好的航向稳定性、阻力小。法国梅泰罗工业系统已完成一种军用多用途铝壳双体船的设计，总长25米，宽10米，吃水0.7~1米，空船重45吨，载重量18吨，主机为两台1200马力柴油机，喷水推进，最大航速30节。在挪威和瑞典，用铝合金建造双体船很盛行，如挪威设计的10艘高速双体船全部采用对称船体，每艘载客449人，分别以32节和24节的航速横渡海峡。日本用铝合金建造的“Marine shuttle”号小水线面双体船长41米，航速34节，是一艘280个客位的非对称船型高速双体客船。我国国内航线中使用了不少双体船，其中有进口的，也有国内自行建造的。地效翼船是介于船舶与飞机之间，利用类似机翼的表面效应产生的气动升力，支撑船体离开水面低飞，偶尔能浮水航行的高技术新型舰船。地效翼船的航速高最快可达300多节，而且航行性好，具有良好的两栖性，能在水上、路上起降，在波浪上方低空飞行，受干扰少，又比较安全。可跨越沼泽、冰层、雷区、障碍物，可广泛用于军事行动。是快速登录的必备舰型，常与航母、两栖攻击舰配套，在登陆作战中极具突然性。此外，地效翼船的经济性好（油耗比常规飞机低30%以上）。比之飞机安全得多，造价也相对便宜，在经济和军事两方面都会产生巨大效益。地效翼船要求艇体采用铝合金材料，并且要求用焊接结构（在俄罗斯较大吨位地效翼船的船体主要使用了可焊接的铝合金材料）。而且要求艇体材料屈服强度大于300 MPa，抗拉强度达到400 MPa，同时要求材料具有良好的成型工艺性和良好的耐腐蚀性能等综合性能。铝制工作船要求的维护较少、使用时间更长、行驶速度更快。毫无疑问，捕鱼船或任何其他海洋业有必要做这种投资。经验表明，任何一种铝质小型船都可以使用数十年，而不会遭受明显的腐蚀。这种船只的退役通常是出自技术过时的缘故，而非铝结构的老化。总的说来，5000和6000系铝-镁合金优异的耐海洋性气候，特别是耐海水浸蚀性能现已得到大家认可。液化天然气（LNG）可代替石油作为能源，在石油发生危机时，对它的需要将变得更为迫切。LNG是把天然气在低于-162℃的低温下液化而成的，因此在LNG的贮藏和运输中需要低温性能好的金属。一般使用铝合金、镍钢和不锈钢，而铝合金具有良好的耐海水腐蚀性能，因而都倾向使用重量轻和焊接性能好的铝合金。建造LNG货船主要有两大技术：隔板（膜片）或Moss-Rosenberg。Moss-Rosenberg型船的特征是有较大的球形储罐（每只船至少5个），它们是由较宽的铝镁合金板材制成的，采用一种特殊的高电流气态金属焊接工艺将其焊接在一起。对于作为交通工具的船舶来说，提高速度是其改进和发展的主要技术指标之一。目前，在各种交通运输工具中，船舶运输的速度发展最慢，而提高其速度的最有效方法之一是减轻船重，二是采用减小水阻力，这两种方法的有机结合，使得铝合金高速船艇正在飞速发展。我国水运条件十分优越，海岸线总长约18000多公里，内河航道上千条，随着经济和贸易的迅速发展，必将需要大量的船舶，因此开发铝合金船具有重要战略意义。
材料的屈服强度和弹性模量是进行船舶结构强度计算，确定结构尺寸的最基本参数。由于各种铝合金的弹性模量和密度都大体相同，而添加少量合金元素或改变热处理状态对它们的影响甚微，因此在一定范围内提高屈服强度对减轻舰船结构重量有利，一般铝合金的密度为2.7~2.8 g/cm³，弹性模量为70~73 GPa。但高强度铝合金通常很难同时具有优良的耐蚀性和可焊性，因此舰船用铝合金一般选用具有中等强度和耐蚀可焊铝合金，此外铸造铝合金在舰船领域也有一定的应用。
对于舰船而言，采用焊接连接比采用铆接连接具有明显的优点，因此焊接连接方法已在造船中广泛使用，基本上取代了铆接结构，目前在铝船建造中主要使用自动氩弧焊接方法。铝合金具有良好的可焊接性意味着铝合金在焊接时形成裂纹的趋向要小，即铝合金具有良好的焊接抗裂性，而且焊后焊接接头性能变化不大。因为在造船的条件下不能通过重新热处理的方法恢复因焊接而失去的性能，所以这是船用铝合金有别于其他结构用铝合金的重要特点之一。AL-Zn-Mg系和AL-Mg-Si系合金焊后强度明显降低，AL-Zn-Mg系合金焊后耐蚀性也差，因此该两系合金在作为焊接船用材料时受到一定的限制。而AL-Mg系合金无此弊端。AL-Zn-Mg系合金主要用于焊后可热处理的构件（如鱼雷壳体），AL-Mg-Si系合金主要用作型材。舰船结构多在苛刻的海水介质和海洋环境中使用，因此铝合金是否耐腐蚀是决定其可否作为船用铝合金的主要标志之一。一般要求船用铝合金基体和焊接接头在海水和海洋环境中无应力腐蚀、剥落腐蚀和晶间腐蚀倾向；要尽量避免接触腐蚀、缝隙腐蚀和海生物附着腐蚀；允许有较小的均匀腐蚀和点腐蚀。舰船在建造过程中要经受冷加工（如折边、卷边、辊弯、冲压等）和热加工（如热弯、火工矫形等）。所以要求船用铝合金易于加工成型，加工时不产生裂纹等缺陷，加工后仍能满足强度、耐蚀性等性能要求。铝合金具有比重和弹性模量小、耐腐蚀、可焊接、易加工、无磁性和低温性能好等特点，用于船舶中具有如下优势：(1) 由于其比重小，因而可减轻船重，可减小发动机单机容量，可提高速度；可减少燃料耗费，节约燃油；可以改善船的长宽比，增加稳定性，使船易于操纵；还可以增加载重量，获得额外利润。(2) 由于抗腐蚀性能好，能减少涂油等维修费用，可延长使用年限（通常在20年以上）。(3) 加工成形性能好，易于进行切割、冲压、冷弯、成形和切削等各种形式的加工，适合船体的流线化；可挤压出大型宽幅薄壁型材，减少焊缝数和使船体结构合理化和轻量化。(5) 弹性模量小，吸收冲击应力的能力大，有较好的安全性。(8) 由于非磁性，罗盘不受影响；全铝船可以避免水雷攻击，适合做扫雷艇。(9) 没有虫害和干燥变形；不燃烧，遇火灾较为安全。
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