非鋼材料：現(xiàn)代艦船新選擇

王婧涵/大連理工大學(xué)附屬高中

王曉旭/海軍駐四二六廠軍事代表室

非鋼材料：現(xiàn)代艦船新選擇

王婧涵/大連理工大學(xué)附屬高中

王曉旭/海軍駐四二六廠軍事代表室

“戴高樂(lè)”號(hào)航母

新型材料性能的提高和加工工藝的改善，使其很好地滿足了艦船設(shè)計(jì)與建造要求，并有助于提升艦船性能、降低其全壽期費(fèi)用。

眾所周知，絕大多數(shù)海軍艦船由鋼材建造。不過(guò)，有些具有特殊要求的艦船需要非鋼材料，如掃雷艦、小型游艇等。不僅如此，即使是鋼制艦船，其上的某些部位也可能需要使用非鋼材料。

近年來(lái)，隨著材料技術(shù)的飛速發(fā)展，非鋼材料性能大幅提升，材料費(fèi)及加工費(fèi)卻有所降低。復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金等新型材料性能的提高和加工工藝的改善，使其很好地滿足了艦船設(shè)計(jì)與建造要求；且非鋼材料的低磁、輕便、防腐等性能，也是鋼材所達(dá)不到的。因此，近年來(lái)，新型材料在艦船上得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。不僅如此，由于復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金等材料具備鋼質(zhì)材料所不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，因此，艦船若采用此類(lèi)材料，雖然初期建造成本較高一些，但全壽期成本費(fèi)用卻低于鋼質(zhì)船。

鋁合金在艦船上的應(yīng)用

與鋼材相比，鋁合金具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，如比鋼材更輕、更易于彎曲、或擠壓成多種復(fù)雜的形狀。缺點(diǎn)是鋁合金的焊接難度更大、對(duì)焊工技術(shù)水平要求更高。這是因?yàn)殇X合金比鋼材的熱膨脹系數(shù)更大、熱傳導(dǎo)性更高。與鋼材相比，鋁合金更易腐蝕，甚至是微量的氫氣都會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔；鋁合金也極易氧化；因此，鋁合金焊接作業(yè)時(shí)一般都采用惰性氣體加以保護(hù)，以避免焊接電弧直接暴露在空氣中，同時(shí)對(duì)焊接過(guò)程也有嚴(yán)格的時(shí)間要求。一般來(lái)說(shuō)，鋼材只需對(duì)10%的焊縫進(jìn)行探傷檢查，而鋁合金則需要對(duì)100%的焊縫進(jìn)行探傷檢查。鋁合金一般用著色法進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查，這種方法簡(jiǎn)單高效。

由于鋁是一種活性金屬，暴露在空氣中其表面會(huì)迅速產(chǎn)生一層氧化膜。在鋁中過(guò)飽和地混入鎂，可有效提高合金的機(jī)械強(qiáng)度，但在50℃以上的高溫環(huán)境中，鎂會(huì)從混合物中滲出并進(jìn)入晶界，這就是所謂的“敏化”現(xiàn)象（晶間腐蝕）。敏化后的鋁合金可能發(fā)生腐蝕斷裂。這對(duì)艦船來(lái)說(shuō)是極其危險(xiǎn)的。所以應(yīng)在艦船設(shè)計(jì)之初就考慮到這一問(wèn)題。船用鋁鎂合金材料應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫或陽(yáng)光直射的環(huán)境里。對(duì)于服役多年的鋁合金船體及暴露在高溫或陽(yáng)光直射環(huán)境里的鋁型材，可通過(guò)取樣化驗(yàn)來(lái)判定其腐蝕程度。方法如下：提取腐蝕部位的樣品放入酸性溶液中，通過(guò)計(jì)算消耗掉的質(zhì)量來(lái)判斷鋁合金的腐蝕程度。如果確實(shí)腐蝕嚴(yán)重，必須換掉整張板材。如果腐蝕部位的裂紋長(zhǎng)度超過(guò)400毫米，且周?chē)衅渌呙舾薪饘?，也必須換掉整張板材。目前,美國(guó)BAE系統(tǒng)船舶修造公司在處理鋁合金材料敏化和裂紋問(wèn)題方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并指出了產(chǎn)生敏化現(xiàn)象的三大主要原因，一是存在引起敏化反應(yīng)的金屬元素；二是必須承受應(yīng)力，三是必須處于腐蝕環(huán)境中。上述理論為防止敏化發(fā)生提供了技術(shù)支撐，如可使用新型涂料預(yù)防敏化反應(yīng)，這種涂料中含有活性緩蝕劑，可通過(guò)改變腐蝕環(huán)境來(lái)防止敏化反應(yīng)。

要保證鋁合金焊接質(zhì)量，除了控制好設(shè)備和焊材外，焊接工人的技術(shù)水平也非常重要。挪威船級(jí)社就非常重視鋁合金焊接作業(yè)工人的技術(shù)培訓(xùn)，目的是降低人工成本、減少返工和廢料。BAE系統(tǒng)船舶修造公司也非常重視鋁合金焊接人員的培訓(xùn)工作，因?yàn)槠湓S多修理工作都涉及到鋁合金焊接作業(yè)，為此BAE系統(tǒng)船舶修造公司投入巨資購(gòu)買(mǎi)一套新型鋁材焊接培訓(xùn)設(shè)施，目的是提高培訓(xùn)效率和質(zhì)量，有效提高從事鋁合金焊接人員的施工技術(shù)水平。

“伊麗莎白”號(hào)航母下水儀式現(xiàn)場(chǎng)

復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用

相同強(qiáng)度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量只有鋼材的一半，比鋁合金結(jié)構(gòu)輕25%左右。相比之下復(fù)合材料的強(qiáng)度/重量比更高。若采用復(fù)合材料作為船體建造材料，船體自身重量會(huì)更輕，在燃油消耗、航速及隱身性等方面性能更優(yōu)。復(fù)合材料既不導(dǎo)電也無(wú)磁特征信號(hào)，可避免或減少磁感應(yīng)水雷帶來(lái)的威脅。雖然復(fù)合材料初期采購(gòu)成本高一些，但由于復(fù)合材料不會(huì)產(chǎn)生疲勞、裂紋、腐蝕等常見(jiàn)問(wèn)題，大大降低了艦船交付后的維護(hù)費(fèi)用，從而降低了艦船全壽期費(fèi)用。

另一方面，與鋼質(zhì)材料相比，復(fù)合材料的加工方法也有著非常大的差異。但技術(shù)的進(jìn)步使得復(fù)合材料加工更加便捷經(jīng)濟(jì)，可以根據(jù)需要被塑造成各種形狀，而鋼材做到這一點(diǎn)卻非常困難。

美國(guó)密西西比州格爾夫波特船廠采用玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)以及諸如巴爾沙輕木等夾芯復(fù)合材料建造了大型船體結(jié)構(gòu)，主要用于海軍掃雷艦建造項(xiàng)目。該船廠目前還在承擔(dān)“圣·安冬尼奧級(jí)”（LPD—17）兩棲船塢運(yùn)輸艦全封閉桅桿組件的建造。該船廠還運(yùn)用新型復(fù)合材料參與了“朱姆沃爾特”級(jí)（DDG—1000）驅(qū)逐艦機(jī)庫(kù)的建造工作。

瑞典考庫(kù)姆（kockums)公司有著非常悠久的艦船建造歷史，其于1974年建造的第1艘復(fù)合材料掃雷艦至今仍在作為潛水支援艦服役。該公司最近幾十年仍專(zhuān)注非鋼材料在艦船上的應(yīng)用研究。1995年簽訂了首批2艘“維斯比”級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦的建造合同，之后又簽訂了3艘，先后完成了瑞典皇家海軍5艘“維斯比”級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦的建造任務(wù)?；始液＼娨蟠w采用無(wú)磁性材料，且維護(hù)成本要低。考庫(kù)姆公司在建造該型船時(shí)使用了碳纖維材料，較好地滿足了海軍提出的各項(xiàng)要求，強(qiáng)度和操縱性也很好；碳纖維材料制成的船體構(gòu)件有效減輕了船體自身的重量，可降低50%的重量。采用玻璃纖維夾層結(jié)構(gòu)使船體重量降低了30%。由于復(fù)合材料具有阻尼效應(yīng)，在抗沖擊性能方面比鋁合金和鋼材要好得多。其在紅外輻射、水下噪聲、磁信號(hào)等隱身性方面也非常出色。

考庫(kù)姆公司近期向印度海軍交付了2批用于建造輕型護(hù)衛(wèi)艦上層建筑用的復(fù)合材料，并準(zhǔn)備向新加坡海軍提供8艘艦船上層建筑用復(fù)合材料。

鈦合金在艦船上的應(yīng)用

鈦合金具有重量輕、強(qiáng)度大、抗腐蝕性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)領(lǐng)域。目前民用飛機(jī)機(jī)體15%由鈦合金組成，但在上世紀(jì)90年代時(shí)還只有2%。而在戰(zhàn)斗機(jī)中，鈦合金所占重量比已達(dá)25%以上。在艦船領(lǐng)域，鈦合金除了應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)、外板、上層建筑外，還應(yīng)用于海水過(guò)濾、熱交換和蒸汽輪機(jī)等領(lǐng)域，在有高溫和重量限制的自動(dòng)化設(shè)備中也廣泛應(yīng)用鈦合金。

鈦合金在水中粘附力較低，不易衍生海洋生物，無(wú)需像鋼質(zhì)船那樣在外表面涂裝價(jià)格昂貴的油漆和有毒添加劑，節(jié)省了油漆和涂裝費(fèi)用；艦船服役期內(nèi)也不用像鋼質(zhì)船那樣反復(fù)多次清理海洋生物，不用反復(fù)涂刷油漆，船體外板即使服役很長(zhǎng)時(shí)間也不用更換，可大幅降低艦船全壽期費(fèi)用。由于鈦合金的上述特點(diǎn)，使其在水中的摩擦阻力很小，在其他條件相同的情況下艦船的航速更高、油耗更低、碳排放更少、對(duì)環(huán)境污染更小，更加符合環(huán)保要求。

美國(guó)新奧爾良市海洋工程大學(xué)董平沙（Pingsha Dong)教授執(zhí)教于墨西哥大學(xué)，目前他正帶領(lǐng)一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)從事《鈦合金實(shí)船尺度艙段制造工藝和結(jié)構(gòu)性能研究》科研項(xiàng)目，該項(xiàng)目獲美海軍研究局（ONR）的資助。該項(xiàng)研究旨在確定鈦合金船舶構(gòu)件的最佳建造方法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，熔化極惰性氣體保護(hù)焊和摩擦攪拌焊在鈦合金焊接領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。董平沙教授通過(guò)研究指出，要將鈦合金廣泛應(yīng)用于艦船建造，其關(guān)鍵點(diǎn)在于研制出船用級(jí)鈦合金板，因?yàn)楹娇占?jí)鈦合金板材料成本較高，船用鈦合金板的加工和維修要求與航空級(jí)鈦合金板也有所不同。

據(jù)弗洛里達(dá)州圣露西港Keystone Synergistic公司的Raymond M.Walker介紹，將鈦合金用于艦船設(shè)計(jì)與建造無(wú)需研發(fā)新技術(shù)，只需在現(xiàn)有航空級(jí)鈦合金材料應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些針對(duì)性的改進(jìn)和調(diào)整。

美國(guó)德事隆海洋與陸地系統(tǒng)公司專(zhuān)家認(rèn)為，鈦合金初期成本確實(shí)較高，要比鋼材和鋁材貴很多。但鈦合金廢料、余料價(jià)值也很高，可有效抵消一部分初始成本。最重要的是，對(duì)于戰(zhàn)斗艦艇來(lái)說(shuō)船體本身占總建造費(fèi)用比例很低，一般只占總成本的10%左右。

綜上所述，復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金等船用新材料的發(fā)展為其在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，為特種艦船的設(shè)計(jì)建造、常規(guī)艦船的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供了有力的技術(shù)支撐。不僅如此，隨著新型非鋼船用材料制造與加工技術(shù)的進(jìn)步，其費(fèi)用及加工費(fèi)會(huì)進(jìn)一步降低，從而在提升艦船性能、降低艦船全壽期費(fèi)用方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用?！?/p>

2013年10月，“福特”號(hào)航母下水