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海洋材料(19):舰船铝合金列传(一)

日期:2018-11-12 16:58

  导读: 铝合金可分为变形的和铸造的两大类,前者用于塑性变形加工各种半成品——板、带、箔、管、棒、型、线、锻件,后者用于铸造各种压铸与铸造产品,变形铝合金在舰船制造中的应用更为广泛。由于铝合金具有比强度高、抗海水腐蚀性强、可焊接、易加工成形、无低温脆性、无磁性等特点,在造船中的应用可有效减轻舰船质量、提高稳定性、增大航速等。因此,铝合金已成为当前舰船制造主要结构材料之一。

  铝合金可分为变形的和铸造的两大类,前者用于塑性变形加工各种半成品——板、带、箔、管、棒、型、线、锻件,后者用于铸造各种压铸与铸造产品,变形铝合金在舰船制造中的应用更为广泛。由于铝合金具有比强度高、抗海水腐蚀性强、可焊接、易加工成形、无低温脆性、无磁性等特点,在造船中的应用可有效减轻舰船质量、提高稳定性、增大航速等。因此,铝合金已成为当前舰船制造主要结构材料之一。

  变形铝合金在各国造船中的应用,从大型水面舰船上层建筑,上千吨级的全铝海洋研究船、远洋商船和客船的建造,到水翼艇、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都使用了一些变形铝合金。

  铸造铝合金主要用于泵、活塞、舾装件及鱼、水雷壳体等零部件,水雷(鱼雷)壳体最好用超强度硬铝7xxx系合金挤压无缝厚壁管制造,它们的发射管也可用铝合金管制造。

  目前,铝在船舶舰艇制造中的用量不多,就全世界来说,其用量仅占2013年铝消费总量的1.7%左右。2012年,日本国内轧制铝材消费量974.4kt,其中交通运输消费量159.0kt(汽车工业139.0kt,占87.42%);挤压铝材国内消费量784.5kt,其中交通运输消费量141.9kt(汽车工业131.6kt,占92.94%kt),这两种铝材在交通运输领域的用量占总消费量的17.11%,而汽车工业的用量则占交通运输用材的89.93%,航空工业与船舶工业的用量仅占10%,日本是一个航空航天工业不发达的国家,所以在交通运输用的铝材中,船舶工业的用量估计也仅占6%左右。今后,铝在船舶舰艇中的用量会有较大增长,但2025年前的年平均增长率不会超过7.5%。

  铝合金材料从1891年在船、舶、舰、艇上应用以来,经过120多年的发展,其应用越来越广泛,并成为造船工业很有发展前途的材料之一。最早应用与舰船上的铝合金为Ni的铝-铜系合金,继而采用的为Al-Cu-Mg系合金,但它们的主要缺点是抗腐蚀性能差,因而限制了其应用。

  上世纪30年代,开始采用6061-Tb合金,并用铆接法制造船体;40年代开发出了可焊接耐蚀的5xxx系合金,50年代开始采用钨惰性气体(TIG)焊技术,这一时期铝合金在造船上的应用进展很快;60年代,美国海军先后开发出属于Al-Mg系合金的5086-H32和5456-H321合金板材、5086-H111和5456-H111合金挤压型材,由于采用了H116和H117状态,消除了沿晶沉淀网膜,解决了它们的剥落腐蚀和晶间腐蚀问题,这是在舰船铝合金开发方面取得的重大进展。随后,由于需要屈服强度更高的材料,于是在造船中又广泛应用了耐海水腐蚀性能良好的6xxx系合金,在相当长的一段时间内,船体铝合金主要在5xxx系合金和6xxx系合金中选择,而苏联则较多地选用2xxx系合金作为快艇壳体材料。近年来对中强可焊的7xxx系合金的研究日暂增多,并取得一些进展,已在造船中得到应用和发展。

  70年代以后,船舶结构的合理化和轻量化越来越被重视,大型舰船的上层建筑和舾装件开始大量使用铝合金。为此,这一时期开发出许多上层建筑和舾装用铝合金,其中包括特种规格的挤压型材、大型宽幅挤压壁板和铸件等。

  在日本主要用5083、5086及6N01合金,而结构上使用的几乎全为5083合金,但应控制镁含量在4.9%以下,以防应力腐蚀开裂(SCC),但美国也用5456合金,其镁含量比5083合金的高,不过应采取防止应力腐蚀的热处理措施。

  舰船铝合金可分为船体结构合金、舾装合金和焊接填加合金,日本造船用的JIS(日本工业标准)铝合金的化学成分见表。目前,在船壳结构上用的铝合金主要是5083、5086和5456。

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