海洋鋁合金的抗蝕性及其在艦船上的應(yīng)用

李德奇

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326)

0 前言

不管是直接與海水接觸的船體鋁合金，艦船內(nèi)結(jié)構(gòu)件鋁合金，還是制造岸基（離海＜5 km）設(shè)施用的鋁材都可以稱為海洋材料[1]。海洋金屬材料多種多樣，如鋼材、某些鋁及鋁合金、銅及銅合金、大多數(shù)鈦及鈦合金都可以稱為海洋材料，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥圃旌Ｑ笤O(shè)施（直接與海水接觸）、船舶（大船稱舶）艦艇和岸基設(shè)施獲得了廣泛的應(yīng)用，其中鋁材與鈦材的應(yīng)用日益增多。

鋁材作為海洋金屬材料，其應(yīng)用日益擴(kuò)大，因?yàn)樗哂兄T多優(yōu)點(diǎn)：①鋁是地殼內(nèi)最富裕的金屬，幾乎占地殼質(zhì)量的7.8%。而且提取工藝成熟，取之不盡，用之不竭，同時(shí)是閉環(huán)使用性能最佳的金屬；②密度適中，只有2.70 g/cm3，雖比鎂的密度大55.2%，但其同等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的重量卻比鋼件的約輕50%[2]，能有效地改善艦船的寬高比，提高艦船的安全性和穩(wěn)定性，提高航速；③具有較大的剛度與韌性，是制造船體與上層建筑的最佳材料。不過(guò)鋁合金不是高溫材料，一旦著火，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)下降，跨塌；④鋁對(duì)海水有較強(qiáng)的抗蝕性，一般情況下鋁合金的腐蝕比純鋁的嚴(yán)重，包鋁材料的抗蝕性僅比包鋁層的稍差一些，例如用純鋁包覆的Al-Cu合金的抗蝕性與Al-Mn 合金的相等甚至更好一些。⑤鋁無(wú)磁性，使其成為制造掃雷艇、特種船艦與裝置的絕佳材料；⑥鋁及鋁合金是一類絕好低溫材料，它們的強(qiáng)度與塑性均隨著溫度的下降而同步上升，不像大多數(shù)金屬那樣有低溫脆性，因此鋁材是一種難得的制造低溫物質(zhì)（LNG、液氫、液氮、液態(tài)CO2等）儲(chǔ)存設(shè)備的不可或缺的材料。

1 海洋鋁合金的抗蝕性

海洋鋁合金必須有良好的抗蝕性，在海洋環(huán)境中鋁合金的典型腐蝕為：

（1）點(diǎn)腐蝕。這是船體的吃水線腐蝕，由于鋁合金船體處于氣-液界面，海水中的氯離子（Cl-）會(huì)引起腐蝕?？刹扇【植糠牢g處理。

（2）腐蝕開(kāi)裂。船體結(jié)構(gòu)凹槽處經(jīng)常產(chǎn)生此類腐蝕，這是由于海水滲入后沒(méi)有新鮮海水補(bǔ)充時(shí)發(fā)生的。在設(shè)計(jì)和制造時(shí)需采取預(yù)防措施。

（3）剝落腐蝕。該腐蝕多出現(xiàn)于材料加工平面的加工方向上。具有加工硬化和晶粒較扁平的材料更易發(fā)生，這類腐蝕多存在于軋制板材中。由于鑄造組織在軋制時(shí)發(fā)生延伸或呈網(wǎng)狀線，在腐蝕過(guò)程中沿加工方向或網(wǎng)狀線發(fā)生剝落腐蝕。

（4）電化學(xué)腐蝕。主要出現(xiàn)在船體結(jié)構(gòu)的不同金屬結(jié)合部。

抗蝕性是衡量海洋鋁合金性能最重要的指標(biāo)之一，包括抵抗化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）的能力[3]。含Mg 量高的鑄造Al-Mg 合金的SCC 是氫致開(kāi)裂，晶界Mg 偏析加速SCC。在降低Mg 含量同時(shí)添加Si 的Al-Mg-Si 系合金的特點(diǎn)：力學(xué)性能好、抗蝕性高、SCC 敏感性低，特別是Al-0.6Mg-0.9Si的SCC敏感性很低。

Al-Mg 系的ZL301 合金如果鑄造組織缺陷少，在淬火狀態(tài)下會(huì)有很高的抗蝕性。但該合金的自然狀態(tài)不穩(wěn)定，鑄件有SCC敏感性。因?yàn)镸g5Al8在過(guò)飽和固溶體中不穩(wěn)定，會(huì)沿晶界析出，先析出孤立的分散的質(zhì)點(diǎn)，而后聚集長(zhǎng)大，呈連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀分布于晶界上，這不僅降低材料的塑性，而且由于有更負(fù)的電化學(xué)性能而成為陽(yáng)極區(qū)，在外加應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)中，優(yōu)先沿晶界發(fā)生SCC。與ZL301 合金相比，ZL305 合金由于含有Zn、Ti 等元素而降低了Mg 原子的擴(kuò)散速度，這不但改變了析出相的形狀，而且抑制其長(zhǎng)大，從而改善了合金的自然時(shí)效穩(wěn)定性，提高了抗SCC 能力。ZL115合金抗SCC 能力與ZL305合金相當(dāng)。

鹽水浸漬試驗(yàn)、鹽霧腐蝕試驗(yàn)和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)表明：低Mg、Si 含量的Al-Mg-Si 系合金抗蝕性比ZL301 合金的更好；同時(shí)，低Mg、Si 的Al-Mg-Si合金材料的初始色澤雖不如Al-Mg 合金那樣亮麗，但在鹽浸漬試驗(yàn)后卻亮麗平滑得多。

在含Sc的鋁合金中存在著Al3Sc相，是一種LI2型相，與母相鋁共格。共格錯(cuò)配度高，因此對(duì)位錯(cuò)及亞晶具有強(qiáng)烈的釘扎作用，會(huì)阻礙晶粒長(zhǎng)大，使合金始終具有細(xì)晶組織，而且有極高的彌散度，均質(zhì)形核，所以又有強(qiáng)烈的彌散強(qiáng)化作用，并能顯著提高鋁合金的再結(jié)晶溫度[4]。因此，Sc 能顯著改善鋁合金的抗蝕性、強(qiáng)度和可焊性等。在含Sc 的鋁合金中存在Al3（Sc，Zr）復(fù)合相，它能細(xì)化晶粒，有效地抑制合金中β相（Mg5Al8）的析出，使β相在合金基體中呈不連續(xù)分布，從而降低了合金的腐蝕敏感性。

今后海洋鋁合金的發(fā)展將是通過(guò)添加諸如Sc、Mn、Cr、Er、Zr、Ti等微量元素、控制加工及熱處理工藝參數(shù)等措施，保證合金具有較高的抗蝕性、良好的綜合性能，同時(shí)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單可行。中國(guó)常見(jiàn)海洋鋁合金的成分見(jiàn)表1[5]。

2 海洋鋁合金的應(yīng)用

2022 年，全世界制備船舶艦艇及建造海洋工程與港口設(shè)施用的鋁材約占全球鋁消耗的2.1%，即約1 700 kt。所用的海洋鋁合金為5083、5086、5456、5052、6061、6063、3003、3004 等。其中5083、5086、5456合金約占總消費(fèi)量93%以上，因?yàn)樗鼈冇凶罴训暮Ｑ缶C合性能。常用的海洋鋁合金（包括未列出的含微量Sc的（如含0.10%～0.40%Sc的5024合金、0.20%～0.40%Sc的5028合金））的品種見(jiàn)表2。艦船結(jié)構(gòu)常用鋁合金的性能見(jiàn)表3。

表2 常用海洋鋁合金及其產(chǎn)品

表3 鋁合金艦船結(jié)構(gòu)選材時(shí)的參考性能

2.1 船舶艦艇領(lǐng)域的應(yīng)用

鋁材在船舶艦艇上的應(yīng)用已有130 余年的歷史。1891 年瑞士鋁業(yè)公司生產(chǎn)的鋁材在世界鋁應(yīng)用史上首次用于制造小船；1940 年美國(guó)造船企業(yè)用美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）的鋁材建造了一條長(zhǎng)54.7 m、航速74 km/h 的魚雷艇；1954 年日本海上保安廳建造了一艘長(zhǎng)15 m、重量16 t，航速約39 km/h的全鋁巡邏艇。

船舶生產(chǎn)制造領(lǐng)域，對(duì)設(shè)備強(qiáng)度和抗腐蝕能力都有很高的要求，船舶用鋁合金按用途可分為船體結(jié)構(gòu)用鋁合金和舾裝用鋁合金。5083、5086 和5456合金主要應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)上，6×××系合金由于在海水中會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，所以主要用于船舶的上部結(jié)構(gòu)，7×××系合金熱處理后的強(qiáng)度和工藝性能比5×××系合金還要優(yōu)越，主要用于艦艇上層結(jié)構(gòu)，如壓擠結(jié)構(gòu)、裝甲板等，但是7×××合金的缺點(diǎn)是抗應(yīng)力腐蝕性能差[6]。

船舶上層建筑的輕量化，不僅減輕船體質(zhì)量，增加航行速度或運(yùn)載量，還可使船的結(jié)構(gòu)合理化，降低船的重心，提高定傾中心高度，改善船體穩(wěn)定性同排水量和船寬的關(guān)系[7]。為此，用鋁合金材料做各類船舶的上層建筑結(jié)構(gòu)和上部的其它裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。最初是用鉚釘連接船的上層結(jié)構(gòu)件，上世紀(jì)70 年代以后則主要采用焊接工藝。由于薄板焊接時(shí)易變形，因此最理想的是用整體擠壓壁板做上層結(jié)構(gòu)件，如用150 MN 左右的擠壓機(jī)生產(chǎn)的寬壁板。

現(xiàn)階段，造船廠已擁有制造各種鋁合金艦艇的技術(shù)，可生產(chǎn)各種艦艇，如快速攻擊艇、輔助性軍事飛艇、巡邏艇及大型高速渡輪等[8]。軍艦的一些上層建筑同樣可用鋁合金打造，如美國(guó)“恩特普賴斯號(hào)”（Enterpreis）航母的飛機(jī)甲板和飛機(jī)跑道是用鋁合金打造的，多數(shù)情況用的擠壓整體壁板。壁板裝于鋼框架內(nèi)，壁板與鋼框架之間有橡膠墊，以防接觸腐蝕。

在此需指出的是，鋁材不是一種高溫材料，在溫度大于450 ℃后，強(qiáng)度會(huì)大幅下降，故軍艦的上層結(jié)構(gòu)不宜用鋁合金材料制備。但鋁合金是一種很好的防火材料，即使在溫度高達(dá)2 000 ℃的熔融狀態(tài)也不會(huì)燃燒，僅會(huì)在溫度大于630 ℃時(shí)熔化變成液體流走。另外，鋁材可用于制造防火服、防火門、逃生滑梯等設(shè)施。

2.2 海洋設(shè)施中的應(yīng)用

海洋設(shè)施如石油和天燃?xì)獾你@探平臺(tái)、開(kāi)采平臺(tái)、輸送管網(wǎng)以及橋梁等設(shè)施與內(nèi)陸裝備不完全相同，有其獨(dú)特之處。一些供直升機(jī)起飛降落和短暫停留的甲板是用5083 合金擠壓型材制備的，包括上頂板和下底板，它們之間設(shè)置有帶筋板空腔，上頂板有企口，下底板兩側(cè)有延伸的連接部，以便將甲板固定于底架上。甲板塊通過(guò)企口拼接，用壓板或螺栓緊固于底架上，安裝便捷。在使用期內(nèi)，不用對(duì)鋁合金甲板進(jìn)行維護(hù)便可一直保持本色，節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。不過(guò)擠壓材在發(fā)貨前應(yīng)經(jīng)過(guò)表面處理。

海上直升機(jī)平臺(tái)甲板會(huì)使用鋁合金材料，而且會(huì)發(fā)揮這些材料耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)，提高材料應(yīng)用的效率。在一些碼頭上，也會(huì)應(yīng)用鋁合金材料[8-9]。海洋資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施—直升機(jī)平臺(tái)，是全鋁合金制的，90%以上材料為5×××系鋁合金，是供人員上下、救生、逃生等用的。它的支撐結(jié)構(gòu)除了應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還要考慮結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度、吊裝和焊接等工藝要求。因鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度大、模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)，鋁合金直升機(jī)平臺(tái)現(xiàn)已獲得廣泛應(yīng)用[10-11]。

3 中國(guó)造船業(yè)奮進(jìn)高端市場(chǎng)

中國(guó)造船業(yè)為向高端市場(chǎng)邁進(jìn)，足足作了長(zhǎng)達(dá)20 年的準(zhǔn)備工作和學(xué)習(xí)，已初步達(dá)到目的。造船業(yè)高端市場(chǎng)指的有兩個(gè)，一是大型和超大型郵輪市場(chǎng)，二是運(yùn)輸?shù)蜏匾夯瘹猓↙NG、CO2、NH3等）的大船。經(jīng)過(guò)近20 年的學(xué)習(xí)，中國(guó)已準(zhǔn)備好要挑戰(zhàn)歐洲造船廠在郵輪領(lǐng)域的霸主地位。這對(duì)于世界排名領(lǐng)先的法國(guó)大西洋造船公司、意大利芬坎蒂耶里造船公司和德國(guó)邁爾造船公司來(lái)說(shuō)，是一個(gè)巨浪般的競(jìng)爭(zhēng)威脅。這3家公司過(guò)去長(zhǎng)期占據(jù)了全球郵輪市場(chǎng)的90%左右。

中國(guó)已經(jīng)平穩(wěn)地向尖端船舶市場(chǎng)進(jìn)軍。2014—2022 年，招商工業(yè)江蘇海門基地建造了10艘載容量350～400 人的小型郵輪。中國(guó)主要的船舶艦艇企業(yè)有10 個(gè)，大多在沿海和長(zhǎng)江流域。而制造航空母艦、LNG船和超級(jí)郵輪的企業(yè)如大連造船有限公司、上海江南船舶有限公司、滬東造船有限公司以及外高橋造船有限公司等則全在沿海大城市，如航空母艦是大連造船公司生產(chǎn)的。全球造船業(yè)領(lǐng)頭羊中國(guó)船舶集團(tuán)建造的第一艘大型郵輪—“愛(ài)達(dá)·魔都號(hào)”大型郵輪已于2023 年6 月6 日出塢，這是中國(guó)全力構(gòu)建郵輪全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)程中里程碑意義的事件。豪華郵輪一直與大型液化氣（LNG）運(yùn)輸船和航母一道，被譽(yù)為造船業(yè)皇冠上的“三大明珠”，它們代表著客運(yùn)、貨運(yùn)和軍艦領(lǐng)域的最高水平。當(dāng)前，世界上只有美國(guó)、日本、英國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家可以生產(chǎn)這些大型超級(jí)裝備。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)在許多類型船舶艦艇設(shè)計(jì)制造上取得了一系列突破，成為此領(lǐng)域的世界級(jí)旗手與引領(lǐng)者，不僅因?yàn)橹袊?guó)艦船企業(yè)在制造能力方面趕上與超越了對(duì)手，還因?yàn)橹袊?guó)眾多船廠過(guò)去幾年的出色表現(xiàn)提高了國(guó)內(nèi)外船東的信心。中國(guó)制造的高附加值船如液化化工產(chǎn)品（LNG、液氫、液氮、液化石油氣等）船和大型郵輪的數(shù)量在大幅增加。中國(guó)的未來(lái)艦船產(chǎn)業(yè)不僅在于自身建造能力的提高，更在于完整產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)。一是一些關(guān)鍵設(shè)備如LNG 運(yùn)輸船上用于確保超低溫度的系統(tǒng)不再依賴進(jìn)口。二是鋁材在大型船艦如航空母艦、驅(qū)逐艦、低溫運(yùn)輸船、大型郵輪上的應(yīng)用還大有潛力可挖，如120 kt以上的郵輪的鋁材采購(gòu)量達(dá)到10 kt 是完全可能的。三是如有需求可組建超低溫鋁合金研發(fā)組。另外，還需要對(duì)新能源船舶艦艇進(jìn)行必要的研發(fā)與適當(dāng)?shù)闹苽洹?/p>