船舶與海洋工程中鋁合金的運(yùn)用研究

胡海亮

(中國(guó)船級(jí)社北海辦事處, 廣西 北海 536000)

0 前 言

建造材料對(duì)船舶的質(zhì)量以及性能起到關(guān)鍵作用，因此，選擇建造材料時(shí)既要考慮耐腐蝕性也要考慮強(qiáng)度，要能有效地抵抗大氣、海水和雨水的腐蝕，還要具有良好的抗沖擊性和抗壓性，用來(lái)保護(hù)船只，減少外界對(duì)船舶的沖擊損害[1-3]。

船舶在海上行駛還需要考慮自身的重量問(wèn)題，鋁合金其中一個(gè)特性就是重量輕，強(qiáng)度大，因此可以提高船舶的輕便性，同等情況下船舶的速度更高，油耗量減少，增加船舶整體的穩(wěn)定性。此外，船舶較為輕便，也有利于控制室操作，從而增加船載量，為海運(yùn)提供更多的裝載空間，節(jié)約成本，提高利潤(rùn)。由此可見(jiàn)，加快鋁合金的應(yīng)用研究，使其特性被廣泛應(yīng)用于造船業(yè)，對(duì)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將起到不小的推動(dòng)作用。

1 船用鋁合金

1.1 船用鋁合金的耐腐蝕性

鋁是一種比較常見(jiàn)的金屬材料，它擁有很多優(yōu)點(diǎn)，如材料比較輕質(zhì)、更容易被加工，以及較好的韌性和耐腐蝕性。當(dāng)然鋁雖然擁有較好的耐腐蝕性，但仍然會(huì)受到腐蝕，因此會(huì)影響其物理性能以及外觀。所以，了解鋁制品其耐腐蝕機(jī)制尤為重要。鋁作為一種化學(xué)原材料，當(dāng)它在空氣中存放，隨著時(shí)間的推進(jìn)也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而該反應(yīng)的產(chǎn)物就是人們所需要的氧化鋁[4-5]。

氧化鋁會(huì)覆蓋在鋁的表面形成一種致密的膜類(lèi)物質(zhì)，而這層膜就是氧化鋁膜，也是耐腐性的根本。氧化鋁的化學(xué)方程式如下式：

該反應(yīng)視為一種氧化還原反應(yīng)，其中鋁作為氧化劑，氧氣作為還原劑，生成了氧化鋁（Al2O3）。而氧化鋁這一材料，其表面十分致密，在實(shí)際應(yīng)用中可以有效阻止空氣中的水分以及其他的有害物質(zhì)滲入到鋁表面，從而減少鋁的腐蝕。此外，氧化鋁還具有導(dǎo)電性，能有效防止被電腐蝕，還可以吸收電荷以此阻止正電荷累計(jì)到鋁表面，以此有效防止電荷帶來(lái)的腐蝕性，從而防止鋁的腐蝕，延長(zhǎng)鋁制品的使用壽命。該材料具體如圖1 所示。

根據(jù)上述描述可見(jiàn)，鋁制品的耐腐蝕性主要取決于氧化鋁化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的氧化鋁膜，使得氧化鋁不僅有著緊湊的結(jié)構(gòu)并具有高度耐腐蝕性，正因如此才能有效的阻止氧化物輕易進(jìn)入鋁的表面，從而防止鋁的進(jìn)一步腐蝕。由此可見(jiàn)，鋁制品的耐腐蝕性主要取決于氧化鋁的結(jié)構(gòu)，其化學(xué)方程式為：

1.2 鋁合金的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

船用鋁合金與鋼進(jìn)行對(duì)比，鋁合金船無(wú)論在強(qiáng)度還是剛度上，都與鋼材質(zhì)相當(dāng)。而鋁合金船則極大顯現(xiàn)出了重量輕的特點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算鋁合金重量進(jìn)行對(duì)比，質(zhì)量公式為：

式中：M為質(zhì)量；ρ為密度；V為體積。鋁合金的密度ρ為2.7g/cm3；鋁合金的體積V=長(zhǎng)*寬*高，代入計(jì)算得V=60*80*85=40 cm3。

綜上所述，船舶中使用鋁合金為原材料對(duì)輕便性有關(guān)鍵作用，所以在其他材質(zhì)都相同的情況下，鋁材質(zhì)的船更為輕便，圖2 為鋁材與鋼材的對(duì)比圖。鋁合金的輕便性使得船舶的油耗減少，速度也會(huì)提高，所以在同樣的油量下續(xù)航更高，從而提高了鋁合金船舶的性?xún)r(jià)比。

圖2 鋁材與鋼材的對(duì)比圖Fig. 2 Comparison between aluminum and steel

鋁合金的強(qiáng)度方程如下式

可進(jìn)一步歸一化計(jì)算得到：

1.3 船用鋁合金的性?xún)r(jià)比

船用鋁合金不僅擁有耐腐蝕性以及重量更輕的優(yōu)點(diǎn)，還有較高的成形性易焊接性。鋁合金加工成形度好，針對(duì)船舶在海洋航行過(guò)程中對(duì)水阻力的影響，需要對(duì)船舶流線(xiàn)化格外關(guān)注，而鋁合金易加工這一特性就恰好滿(mǎn)足，鋁合金可以加工成各種不同類(lèi)的型材；船舶自身需要多種不同類(lèi)型的型材，鋁合金更加容易焊接，也可以減少焊縫數(shù)以此來(lái)提高安全性。船舶航行過(guò)程中風(fēng)浪的影響一直都是一個(gè)難點(diǎn)，而鋁合金彈性模量小可以減少?zèng)_擊力，使得航行時(shí)的阻力更小，航行更安全。船舶制造時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很多的邊角料，鋁材質(zhì)更容易回收，因此更綠色環(huán)保；沒(méi)有蟲(chóng)害，與最初用木質(zhì)等材料做船舶來(lái)對(duì)比，木質(zhì)更容易受潮，產(chǎn)生蟲(chóng)害影響使用。

鋁合金還有一個(gè)重要特性就是可以通過(guò)加工形成其他各種合金，如鎂鋁合金、合金鋼等，而通過(guò)加工形成的鋁合金性能對(duì)比優(yōu)質(zhì)的合金鋼也毫不遜色。

在海洋工程中，成本最大的就是材料成本，材料主要有鋼材、鋁材、焊料、涂料等，其他原材料品種繁多、數(shù)量偏少，不作為主要成本關(guān)注點(diǎn)。主要原材料計(jì)算公式為：

式中：Pi為各主要材料數(shù)量；μi為各主要材料單價(jià)；r為其他材料占比。

因?yàn)殇X合金的性?xún)r(jià)比較高，可以增加鋁合金材料的使用，減少其他的材料成本，提供更高的性?xún)r(jià)比。鋁合金中其他金屬含量對(duì)性?xún)r(jià)比的影響如圖3 所示。

圖3 鋁合金中其他金屬含量對(duì)性?xún)r(jià)比的影響Fig. 3 Influence of other metal content in aluminum alloy on cost performance

2 船用鋁合金的特性及應(yīng)用

2.1 鋁合金的應(yīng)用

通過(guò)前文論述可知，鋁合金之所以運(yùn)用到船舶建造中，與自身的特性是密不可分的。鋁合金自身?yè)碛形宕筇匦裕?）鋁合金密度低；2）耐腐蝕性強(qiáng)；3）加工性較好；4）不易燃燒；5）鋁廢料更容易被回收。鋁合金輕便、耐腐蝕等特性使得船舶速度提高，安全性增強(qiáng)且壽命增加，正因?yàn)榫邆溥@些優(yōu)點(diǎn)，使得船舶行業(yè)越來(lái)越多地使用鋁合金材料，兩者相輔相成，共同推動(dòng)船舶建造業(yè)的發(fā)展。

但是不同種類(lèi)的鋁材料，其性能也是不同的。一般而言，不同的船舶可能適用不同種類(lèi)的鋁材料，鋁材料的區(qū)分還是要看船舶適用的領(lǐng)域，但是在眾多的鋁材料中以鎂鋁合金（Al-Mg-Si 系）、鋁合金（Al-Mg）系型材為主。而其中的Al-MG 系列合金，在經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐證明后，被認(rèn)為在材料結(jié)構(gòu)上是目前最為適用的一種材質(zhì)，其應(yīng)用如圖4 所示。

圖4 鋁合金材料在船舶建造中大量使用Fig. 4 Aluminum alloy material widely used in shipbuilding

2.2 鋁合金的強(qiáng)度特性

鋁合金在多年來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中，也表現(xiàn)出了輕量化的特征。2021 年11 月，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的免熱處理鋁合金材料，在應(yīng)用于船舶一體化壓鑄中取得了突破性的進(jìn)展。船用鋁合金往往應(yīng)用在薄壁結(jié)構(gòu)中，其構(gòu)造復(fù)雜，熱處理容易變形，強(qiáng)度也隨著使用時(shí)間有所降低。其在應(yīng)用的過(guò)程中，不僅有效提升了船舶的航行速度，同時(shí)也有效縮短了國(guó)際貿(mào)易的航運(yùn)時(shí)間。鋁合金使用時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響如圖5 所示。

圖5 鋁合金使用時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響Fig. 5 Influence of service time of aluminum alloy on strength

3 鋁合金在船舶與海洋工程中的運(yùn)用

鋁合金在船舶建造業(yè)中的使用，也有近百年的歷史。隨著時(shí)代的不斷高速發(fā)展，針對(duì)船舶輕量化的需求，在國(guó)內(nèi)外造船業(yè)高速發(fā)展的今天，鋁合金材料也越來(lái)越受到重視。由于鋁材的密度低、強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)等特性，在船舶制造中廣泛應(yīng)用。

3.1 鋁合金客船

最初傳統(tǒng)帆船使用的是杉木制造，但隨著工業(yè)時(shí)代開(kāi)始用鋼材、鋁材建造，還有極少數(shù)船舶會(huì)使用碳纖維材料。通過(guò)加強(qiáng)鋁制桅桿相關(guān)材料的應(yīng)用，就可以有效地對(duì)吊桿或斜桁架進(jìn)行支撐。此外，鋁合金客船也可以根據(jù)鋁材的特點(diǎn)，利用鋁材安裝信號(hào)燈、懸掛旗子、架設(shè)電報(bào)天線(xiàn)等。另外還可以對(duì)吊桿進(jìn)行支撐，對(duì)貨物進(jìn)行起吊、卸載等操作。

3.2 鋁鎂合金船

鋁鎂合金鋁板是在材料中添加少量的鎂或其他金屬材料，使鋁合金船硬度加強(qiáng)，不僅具備一定的抗腐蝕性，同時(shí)在導(dǎo)熱方面也取得了較為顯著的成效。此外，考慮到船舶對(duì)于材料強(qiáng)度的重視，相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行多方對(duì)比試驗(yàn)后，也得出了鋁鎂合金抗撞擊的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)不少沿海城市的漁船加工中就已悄然開(kāi)始使用這種材質(zhì)，平時(shí)用作高速行駛的小艇。

鋁的硬度一般在HB60~150 左右，但鋁合金的成分不同，在硬度上有很大的差別。鋁合金分為7 個(gè)系列，如1 110 和1 060 等系列，這些基本都是屬于工業(yè)純鋁，通常叫做鋁鋅合金，一般硬度都會(huì)在25~32 左右。

不同種類(lèi)的鋁，硬度、強(qiáng)度、剛度、密度等都不同。因此使用的焊接工藝以及制造手法都是有區(qū)別的。如7 075 鋁合金，這類(lèi)強(qiáng)度特別高，在做了熱處理以后，它的硬度會(huì)非常強(qiáng)。而且7 075 鋁合金的機(jī)械性能也非常好，所以其性能比較強(qiáng)，使用的范圍也非常廣。所以7 075 鋁合金在加工時(shí)比較方便，且因?yàn)榧庸さ某杀静凰愀撸湍バ阅苡址浅?qiáng)，比較受歡迎。

因?yàn)? 075 鋁合金還有2 個(gè)特性：一個(gè)是抗腐蝕性，另外一個(gè)是抗斷裂性，因此很多時(shí)候會(huì)作為高壓結(jié)構(gòu)的零件來(lái)使用。這種產(chǎn)品屬于高強(qiáng)度的材料，抗壓性能特別好。而且7 075 鋁合金會(huì)在內(nèi)部添加一些磷、銅等合金，其整體強(qiáng)度也比較好。不僅可以在生活中使用，還可以在航空航天以及各種模具加工時(shí)進(jìn)行使用，使用的范圍特別廣。除此之外，這些7 075 鋁合金材質(zhì)，還能作為加固件起到加固作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

鋁合金具有極高的性?xún)r(jià)比，因此被廣泛運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，尤其在海洋工程中得到大量使用，鋁的特性使其更容易運(yùn)用到不同種類(lèi)的船舶制造中。隨著不斷的深入研究，鋁合金的特性不斷被開(kāi)發(fā)融入到更多的領(lǐng)域，創(chuàng)造出更多高性?xún)r(jià)比的材料，因此在船舶中得到了廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)研究得到以下結(jié)論：

1）鋁材料主要以鎂鋁合金（Al-Mg-Si）、鋁合金（Al-Mg）系型材為主。增加Mg 的含量可以提高合金的強(qiáng)度，但因此會(huì)影響合金本身易焊接的特性，腐蝕性也容易受到影響，所以應(yīng)該對(duì)鋁合金進(jìn)一步研究，提高鋁合金的性能。

2）鋁合金廣泛應(yīng)用在船舶工業(yè)上，不僅在客船、游船得到了體現(xiàn)，鋁鎂合金船和高速客船也有越來(lái)越多的身影，所以鋁材料的研究對(duì)海洋工程的發(fā)展尤為突出，應(yīng)該投入更多力量應(yīng)對(duì)未來(lái)的發(fā)展需求。

3）鋁合金性?xún)r(jià)比較高，除了自身優(yōu)質(zhì)的特性外，還綠色環(huán)保，防火防潮，而鋁合金也有自身的缺點(diǎn)，所以應(yīng)該不斷的進(jìn)行研究來(lái)減少缺陷，為后期海洋工程的飛速發(fā)展奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。