艦船用鋁合金的研究與應(yīng)用

侯世忠

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，洛陽(yáng)471023）

0 前言

鋁合金可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。其中，變形鋁合金在造船中應(yīng)用更為廣泛。在各國(guó)造船中的應(yīng)用中，從大型水面艦船上層建筑，上千噸的全鋁海洋研究船、遠(yuǎn)洋商船和客船的建造，到水翼艇、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，都廣泛使用了眾多變形鋁合金。而鑄造鋁合金主要用于泵、活塞、舾裝件及魚雷、水雷殼體等零部件。水雷（魚雷）殼體最好用超強(qiáng)度硬鋁7×××系合金擠壓無縫厚壁管制造，它們的發(fā)射管也可用鋁合金管制造[1]。

1 概述

鋁的密度小，資源豐富，價(jià)格適中，加工性能好，強(qiáng)度不低，無磁性，可焊接；特別是有優(yōu)秀的摩擦攪拌焊接（FSW）性能，抗蝕性強(qiáng)，無低溫脆性，在低溫下其強(qiáng)度與塑性（伸長(zhǎng)率、壓縮性、韌性）均隨著溫度的降低而均衡地上升，可在-200℃以下或更低的溫度下工作，高溫性能尚可（但不能在180℃以上長(zhǎng)期工作），可回收性強(qiáng)等等，因而適用于制造艦船的一些部件。

艦船鋁合金的特點(diǎn)：使用鋁合金制造船舶艦艇具有的優(yōu)點(diǎn)是：密度小、質(zhì)量輕；強(qiáng)度／密度比值大，約為鋼的2～5倍；對(duì)海水有相當(dāng)強(qiáng)的抗腐蝕性；可焊性也令人滿意，特別是有優(yōu)秀的摩擦攪拌焊接性能；良好的可成形性能；可以擠制形狀復(fù)雜的中空薄壁型材與寬大壁板；無低溫脆性，強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率隨溫度降低而均衡地上升；無磁性。

2 國(guó)內(nèi)外艦船用鋁合金的研究和發(fā)展

2.1 國(guó)內(nèi)艦船用鋁合金的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)艦船用鋁合金的研究始于20世紀(jì)60年代初。目前研制成功的船用鋁合金結(jié)構(gòu)材料主要有變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金包括鋁合金板材、型材、管材、鍛件及其配套焊絲。研制成功的船用變形鋁合金牌號(hào)主要有Al-Mg系的5A01、5A30、5A70合金和Al-Zn-Mg系的7A19合金；鑄造鋁合金牌號(hào)主要有ZL305和ZL115合金等。自1979年起，5A01、5A30、7A19、ZL305和ZL115等合金已廣泛用于各種船舶及魚雷殼體的建造，5A70合金已成功用于建造水撬模擬結(jié)構(gòu)件。然而，我國(guó)艦船用鋁合金的牌號(hào)、品種、規(guī)格卻未能全面發(fā)展起來，我國(guó)用來制造高速艦船船體（包括軍用快艇和高速客船） 的鋁合金幾乎都依賴國(guó)外進(jìn)口，其中使用最多的是進(jìn)口5083鋁合金[2]。

2.1.1 船用變形鋁合金

目前在船舶上應(yīng)用的變形鋁合金主要有以下幾個(gè)系列：鋁-鎂系、鋁-鎂-硅系和鋁-鋅-鎂系，其中以鋁-鎂系合金在艦船上應(yīng)用最廣泛。

（1）鋁-鎂系合金。鋁-鎂系合金是一種具有中等強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性和可焊性的非熱處理強(qiáng)化合金。該系合金在海水和海洋大氣條件中，不僅具有優(yōu)良的抵抗一般腐蝕的性能，而且可以消除剝落腐蝕和晶間腐蝕等。其焊接性能在鋁合金中也是優(yōu)異的，因而很適合在船舶結(jié)構(gòu)上使用。

中強(qiáng)耐蝕可焊的A1-Mg系合金是應(yīng)用最廣泛的船用鋁合金系，其中含3.5%～5.5%Mg的Al-Mg合金得到了最廣泛的應(yīng)用，如美國(guó)的5086、5456合金，日本的5083合金，英國(guó)的N8合金。前蘇聯(lián)還使用了鎂含量大于6.0%的高鎂Al-Mg合金，如AMr6、AMr61合金。我國(guó)的船用Al-Mg系合金主要有5A01和5A30等。

（2）鋁-鎂-硅系合金。鋁-鎂-硅系合金是中強(qiáng)耐蝕的熱處理強(qiáng)化合金，通常在淬火+人工時(shí)效狀態(tài)下使用。該系船用鋁合金主要有6063和6061等。鋁-鎂-硅系合金由于擠壓性能優(yōu)良，多用作擠壓型材。該系的6061合金，在美國(guó)早期的造船中應(yīng)用較多，但因其焊接性能差，該系合金只能用作鉚接結(jié)構(gòu)，因此發(fā)展受到限制。鋁-鎂-硅系合金主要作為型材與鋁-鎂合金配套使用。

（3）鋁-鋅-鎂系合金。鋁-鋅-鎂系合金在造船中應(yīng)用很少。前蘇聯(lián)是最早采用A1-Zn-Mg系合金造船的國(guó)家，他們用牌號(hào)B48-4（01980）、K48-1、K48-2的合金建造了水翼艇、氣墊船等高速海船，但都是鉚接結(jié)構(gòu)的?，F(xiàn)仍有少量應(yīng)用。我國(guó)的7A19合金也屬于A1-Zn-Mg系合金。俄羅斯近些年還研制了用鈧（Sc）進(jìn)行合金化的高強(qiáng)度Al-Zn-Mg系合金（如01970、01975等），在這些合金中加入0.1%～0.3%Sc顯著改善了組織和性能。加入Sc后，可使合金的屈服強(qiáng)度、抗焊接熱裂性及基體金屬和焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕、剝落腐蝕性能得到提高。因此它是可發(fā)展為海洋環(huán)境使用的材料。

2.1.2 船用鑄造合金

船用鑄造鋁合金主要包括鋁-硅-鎂系合金、鋁-硅系合金和鋁-鎂系合金。

（1）鋁-硅-鎂系合金。該系合金具有良好的鑄造性能、中等強(qiáng)度，適于制作形狀比較復(fù)雜、致密性高的鑄件，如柴油機(jī)汽缸體、減速箱殼體、高壓閥件、泵、魚雷殼體、渦輪葉片及其它薄壁殼體等。其代表合金為前蘇聯(lián)的BAл5、Aл4M合金、美國(guó)的356合金及我國(guó)的ZL115A合金等。

（2）鋁-硅系合金。鋁-硅系鑄造鋁合金的耐熱性能和耐磨性能較好，主要用作活塞、襯套等材料。前蘇聯(lián)的Aл25合金和美國(guó)的SEM328合金為該系的代表合金。

（3）鋁-鎂系合金。含鎂量低于8%的鋁-鎂合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、較低的強(qiáng)度和較好的鑄造性能，適于制造在海水環(huán)境中工作的鑄件及低壓閥件等。代表合金為前蘇聯(lián)的Aл13，美國(guó)的514、535合金。含鎂量為10%的固溶強(qiáng)化型合金，強(qiáng)度極限達(dá)300MPa，耐腐蝕性能良好，用于制造承受較大載荷的零件，如舷窗、手柄、海水泵殼體、水泵導(dǎo)管及支柱等。代表合金為前蘇聯(lián)的Aл8、Aл27，美國(guó)的518、520、X250等[3]。

2.2 國(guó)外艦船用鋁合金的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

鋁合金在造船業(yè)的應(yīng)用已有百余年的歷史，尤其是近年來，鋁合金在各類艦船中均有應(yīng)用的實(shí)例。美國(guó)、日本、英國(guó)和前蘇聯(lián)早已把鋁合金作為船舶結(jié)構(gòu)的主要材料之一。

目前，日本已有一百多家公司正在建造鋁合金高速船、客輪和漁船，鋁合金船總數(shù)已超過2500艘；美國(guó)采用鋁合金建造的各種艦船有2000多艘；北歐、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)建造的鋁合金客船、科學(xué)考察船等有約1000艘[4]。

國(guó)外在成分系列化這方面已經(jīng)達(dá)到較高的水平，可供選擇的合金已達(dá)系列化，同一合金可供選用的狀態(tài)也有數(shù)種，品種配套、規(guī)格齊全，特別是大量采用適應(yīng)船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的型材和壁板，大大地減少了焊接工作量，同時(shí)又保證了船舶建造質(zhì)量。國(guó)外現(xiàn)在已建立起比較完善的艦船用鋁合金的體系及理論、方法、工藝等。

2.2.2 船用系列種類

多年來，世界各國(guó)對(duì)船用鋁合金的研究與發(fā)展都非常重視。在美、日、英等發(fā)達(dá)國(guó)家，艦船用鋁合金已成系列，品種配套、規(guī)格齊全，已成為海軍艦船的主要結(jié)構(gòu)材料之一。目前國(guó)外在船舶上應(yīng)用的鋁合金主要有以下幾個(gè)系列：Al-Mg系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Mg系，其中以Al-Mg系合金在艦船上應(yīng)用最廣泛。

用微量鈧（O.07%～0.35%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下同）合金化的鋁合金稱為鋁鈧合金或含鈧鋁合金。與不含鈧的同類合金相比，鋁鈧合金強(qiáng)度高、塑韌性好、耐蝕性能和焊接性能優(yōu)異，是繼鋁鋰合金之后新一代航天、航空、艦船用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。上世紀(jì)70年代以后，俄羅斯科學(xué)院巴依科夫冶金研究院和全俄輕合金研究院相繼對(duì)鈧在鋁合金中的存在形式和作用機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，開發(fā)了Al-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc、Al-Mg-Li-Sc和Al-Cu-Li-Sc五個(gè)系列17個(gè)牌號(hào)的鋁鈧合金，產(chǎn)品主要瞄準(zhǔn)航天、航空、艦船的焊接荷重結(jié)構(gòu)件以及堿性腐蝕介質(zhì)環(huán)境用鋁合金管材、鐵路油罐、高速列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件等。

Al-Mg-Sc這個(gè)系的合金在俄羅斯有以下七個(gè)品 種： 01570、01571、01545、01545K、 01535、01523和01515。

Al-Zn-Mg-Sc這個(gè)系的合金在俄羅斯有01970和01975兩個(gè)牌號(hào)。

Al-Mg-Li-Sc系合金是在商用01420鋁鋰合金（Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr）基礎(chǔ)上加入微量Sc形成了兩種新的、稱之為01421、01423的合金。

Al-Cu-Li-Sc系合金有01460合金和01464合金[5]。

除前蘇聯(lián)和現(xiàn)在的俄羅斯外，自70年代以來，世界其它一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、德國(guó)、加拿大等在含鈧鋁合金方面也開展了不少研究工作。美國(guó)研制的Al-Sc合金具有5456的耐蝕性和7075的強(qiáng)度，可焊性良好，擠壓性也很好，將是未來代替目前使用的船用低強(qiáng)度鋁合金的理想材料。它將對(duì)改善艦船性能、減輕重量和降低全壽命周期成本具有重大現(xiàn)實(shí)意義[6]。

2.2.3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著世界造船業(yè)的發(fā)展，世界許多國(guó)家在艦船用鋁合金的研究發(fā)展和計(jì)劃安排上都做出了很好的規(guī)劃。目前美國(guó)、俄羅斯、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家艦船用鋁合金的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：（1）向含鈧鋁合金方面發(fā)展；（2）向鋁合金新型結(jié)構(gòu)形式發(fā)展；（3）向超塑性發(fā)展；（4）積極開展鋁基復(fù)合材料的研究。

3 應(yīng)用情況

鋁合金在艦艇上獲得了廣泛的應(yīng)用，在建造航空母艦、巡洋艦、護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、潛艇、快艇、炮艇、登陸艇時(shí)，應(yīng)用鋁合金的實(shí)例很多。

3.1 鋁合金在航空母艦上的應(yīng)用

凡排水量50 kt以上的航母其鋁合金材料用量為500～l000t。例如，美國(guó)“獨(dú)立”號(hào)（CVA62）航母用了1019t鋁合金；“企業(yè)”號(hào)核動(dòng)力航母（CVA65）用了450t鋁合金；法國(guó)“福熙”號(hào)（R99）及“克里蒙梭”號(hào)（R98）航母各用了l000多噸鋁合金。鋁合金對(duì)減輕航母結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高穩(wěn)定性、適航性及各項(xiàng)性能等具有重要的意義。

鋁合金在航母上的應(yīng)用部位從飛機(jī)起飛和降落的部分甲板、巨大的升降機(jī)、大量管道，覆蓋到舷窗蓋、吊燈架、門、艙室隔壁、艙室裝飾、家具、廚房設(shè)備和部分輔機(jī)等。例如美國(guó)“企業(yè)”號(hào)航空母艦的四個(gè)巨大的升降機(jī)是用鋁-鎂合金焊接的。

“遼寧”號(hào)航母的鋁材用量估計(jì)約650t，合金多為5052與6063。美國(guó)早在1933年就用5052合金制造航母、驅(qū)逐艦、巡洋艦等的橋樓、甲板艙室、飛機(jī)發(fā)射架、升降舵、桅桿等。6063合金于1945年面世定型[7]。

3.2 鋁合金在大型水面艦上的應(yīng)用

大型水面艦指巡洋艦與驅(qū)逐艦等。為了減輕上層建筑的質(zhì)量，以保持穩(wěn)定性等而廣泛采用鋁合金結(jié)構(gòu)。在許多驅(qū)逐艦等大型水面艦中，主甲板上的全部結(jié)構(gòu)都是用鋁合金制造的。據(jù)報(bào)道，美國(guó)海軍不同級(jí)別的驅(qū)逐艦的甲板以上結(jié)構(gòu)中用的鋁合金數(shù)量如下：護(hù)航驅(qū)逐艦（DE）用鋁量251.33 t；導(dǎo)彈驅(qū)逐領(lǐng)艦（DLG）用鋁量811.20 t；彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DDG）用量515.88 t；彈道導(dǎo)彈核動(dòng)力驅(qū)逐領(lǐng)艦（DLGN）用鋁930.35 t。

美國(guó)海軍每一艘彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦如USS“杜威”號(hào)（DLGl4），其上層建筑中應(yīng)用的811.30 t鋁合金中大部分是5456鋁合金厚板和5086鋁合金薄板。鋁構(gòu)件代替鋼后質(zhì)量減輕了150t。鋁的總用量中20%左右是5456和5086鋁合金。另一些鋁合金材料包括6061鋁合金、5052鋁合金等用來制造甲板下面的所有柜、家具、床鋪及有關(guān)設(shè)備。

3.3 鋁合金在潛艇與深潛器上的應(yīng)用

鋁材在潛艇與深潛器制造方面也有應(yīng)用。泡沫鋁材因有良好的隔聲性能，可在潛水艇機(jī)房中獲得應(yīng)用，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音，減少被敵方聲吶發(fā)現(xiàn)的概率。1961年美國(guó)海軍建造了一艘調(diào)查用的深潛器，名為“阿魯米納特（aluminaut）號(hào)”，長(zhǎng)15m，直徑2.4 m，排水量75t，下潛深度4500m，艇體為厚165mm的7079-T6鋁合金鍛件。7079是一種強(qiáng)度很高的Al-Zn-Mg-Cu系合金，由于產(chǎn)量不多，美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司（AA）于1989年將其劃為非常用變形鋁合金（inactive alloy）[8]。

3.4 鋁合金在快艇及高速船上的應(yīng)用

對(duì)于快艇艇體材料和高速船船體材料，一般要求在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的條件下，盡量減輕質(zhì)量，并要求材料具有良好的耐海水腐蝕性能和可焊性。美國(guó)從300多噸的大型反潛水翼研究船、200多噸的炮艇及導(dǎo)彈水翼艇，到PTF級(jí)快艇、LCM8登陸艇等，大多采用5×××系鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。應(yīng)用包括：（1）魚雷快艇；（2）巡邏艇、炮艇；（3）水翼艇；（4）登陸艇；（5）氣墊船；（6） 雙體船；（7）地效翼船； （8）美國(guó)新型鋁合金無人水面艇。

3.5 鋁合金在民用船舶上的應(yīng)用

1891年瑞士首次建造了鋁汽艇，以后其他國(guó)家相繼建造了鋁艇體。20世紀(jì)20年代末冶金工業(yè)為造船工業(yè)提供了抗蝕性能較好的A1-Mg合金，因此鋁合金在造船上的應(yīng)用快速地發(fā)展起來。

1931年8月，英國(guó)制造了“黛安娜Ⅱ”號(hào)（DianaⅡ）全世界首艘全鋁游艇。該游艇銀光熠熠，材料為鋁-鎂合金，長(zhǎng)16.75m，寬3.65m，吃水1.74m。使用了20多年以后，仍完好如初，艇體無腐蝕。

蘇聯(lián)在1958年建造了“拉克泰”（Paketa）號(hào)水翼客艇，載客66人，艇體材料為硬鋁；1959年又建造了載客130人至150人的“梅焦?fàn)枴保∕eteor）號(hào)水翼客艇，長(zhǎng)34.4m，最大航速80km/h，艇體材料為硬鋁，鉚接。他們后來建造的水翼艇采用了鋁-鎂系合金焊接而成。

鋁合金材料還用于制造其他民用船舶：上世紀(jì)50年代初期鋁合金廣泛用于建造油輪，英國(guó)建造的一些油輪的內(nèi)襯板為5×××系5054合金，每艘30kt級(jí)油輪用鋁超過1000t；每艘30000t級(jí)的油輪用鋁量1000t。1951年英國(guó)建造的“紅玫瑰”（Red Rose）號(hào)漁船，用鋁27t。1964年匈牙利設(shè)計(jì)了一艘100 t全鋁漁船，主要是采用含W（Mg）=2.5%～4%的鋁合金建造。鋁合金在駁船上也廣泛應(yīng)用，美國(guó)在1964年建造一艘全鋁駁船，應(yīng)用180多噸鋁材。板材和擠壓件是5083鋁合金，比鋼質(zhì)駁船提高載貨量14%。鋁合金在拖船上的應(yīng)用也很廣泛，美國(guó)“索特”（Sauter）號(hào)拖船應(yīng)用5083和5086鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)建造，比鋼殼拖船的建造工時(shí)減少30%。蘇聯(lián)建造的火車渡輪應(yīng)用AMr5B、AMr6T等Al-Mg合金，采用焊接結(jié)構(gòu)。1963年英國(guó)建造兩條沼氣運(yùn)輸船，船上的九個(gè)沼氣倉(cāng)均由鋁合金焊制而成。表1簡(jiǎn)要列舉了鋁合金在船舶上的一些應(yīng)用實(shí)例[10]。

表1 鋁合金在船舶上的應(yīng)用實(shí)例

2013年初意大利薩洛倫佐公司為阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)制造一艘超級(jí)鋁合金游艇（Super yacht），長(zhǎng)40m，艇身與上層結(jié)構(gòu)都是用5083鋁合金制造，達(dá)到了力學(xué)性能與抗蝕性最完美的結(jié)合。艇身用2 m×6 m板材焊接而成，上部結(jié)構(gòu)骨架由此種尺寸厚板切割成的小厚板焊接。艇底板厚度7mm，艇側(cè)板厚度5mm，上部結(jié)構(gòu)板厚度4mm～5mm，用的大部分?jǐn)D壓鋁型材為T字形的。

日本在民用船舶制造中使用的鋁材較多。日本從1950年開始用鋁合金制造民用船舶，從漁船、渡船、游船到大洋型游輪都有，如琵琶湖輪船公司的“平安卡”號(hào)鋁合金客輪。

日本各縣的漁業(yè)監(jiān)理船多為高速鋁船。液化天然氣（LNG）運(yùn)輸船貯罐也是采用鋁合金制成。

中國(guó)從1958年開始建造小型鋁合金（使用2A12鋁合金）水翼船與快艇等，到2013年可以建造各種中小型鋁船艇以及大型的LNG船、豪華旅游船等。

3.6 海洋鉆探平臺(tái)與鉆探管

海洋鉆探平臺(tái)的甲板、直升機(jī)停機(jī)臺(tái)、內(nèi)部設(shè)施等可以用鋁材制作，鉆探管也可用鋁合金制造。美國(guó)在20世紀(jì)60年代開始采用2014和7075鋁合金管鉆探石油與天然氣。

因具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、所需回轉(zhuǎn)扭矩小、抗沖擊能力強(qiáng)、耐腐蝕性好、與孔壁間摩擦阻力小等特點(diǎn)，在鉆機(jī)能力一定的情況下，應(yīng)用鋁合金鉆桿能夠達(dá)到鋼質(zhì)鉆桿無法達(dá)到的井深。目前，鋁合金鉆桿已經(jīng)成功應(yīng)用于石油勘探中。自20世紀(jì)60年代以來，鋁合金鉆桿在蘇聯(lián)地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，在蘇聯(lián)地區(qū)采用鋁合金鉆桿鉆進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到總進(jìn)尺的70%～75%。在海洋鉆井平臺(tái)中，結(jié)合鋁合金耐海水腐蝕這一優(yōu)勢(shì)，高性能鋁合金鉆桿在海洋工程中有很大的應(yīng)用前景[9]。

船舶艦艇用的鋁合金配件種類繁多，主要有：普通矩形窗、舷窗、小型快艇窗、天窗、百頁(yè)窗、提窗、艙口蓋、移動(dòng)門、風(fēng)雨密門、艙室空腹門、跳板、座椅、沙發(fā)、梯等等。廣東省番禺市橋聯(lián)鋁窗廠是中國(guó)主要的船舶配件企業(yè)之一，制造這些產(chǎn)品用的合金有6061、6N01、6063、6082、1200與3003合金等，它們不但有較高的力學(xué)性能，而且有相當(dāng)強(qiáng)的抗腐蝕性能和良好的成形加工性能與表面陽(yáng)極氧化處理性能。鋁-硅系鑄造鋁合金也有一些應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)鋁合金的研究越來越深入，鋁合金在船舶和海洋工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增多，也彰顯了其作為結(jié)構(gòu)材料的突出地位。鋁工業(yè)應(yīng)該與造船業(yè)聯(lián)合研發(fā)、設(shè)計(jì)新型船體結(jié)構(gòu)，不斷開發(fā)新型船用鋁合金，研究新的加工工藝，才能使鋁材的性能進(jìn)一步滿足船體結(jié)構(gòu)的要求，使鋁材在海運(yùn)業(yè)上的應(yīng)用再上一個(gè)新臺(tái)階。