舰船用铝合金的研究与应用

2019-11-12侯世忠

铝加工 2019年5期

侯世忠

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳471023）

0 前言

铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。其中，变形铝合金在造船中应用更为广泛。在各国造船中的应用中，从大型水面舰船上层建筑，上千吨的全铝海洋研究船、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，都广泛使用了众多变形铝合金。而铸造铝合金主要用于泵、活塞、舾装件及鱼雷、水雷壳体等零部件。水雷（鱼雷）壳体最好用超强度硬铝7×××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[1]。

1 概述

铝的密度小，资源丰富，价格适中，加工性能好，强度不低，无磁性，可焊接；特别是有优秀的摩擦搅拌焊接（FSW）性能，抗蚀性强，无低温脆性，在低温下其强度与塑性（伸长率、压缩性、韧性）均随着温度的降低而均衡地上升，可在-200℃以下或更低的温度下工作，高温性能尚可（但不能在180℃以上长期工作），可回收性强等等，因而适用于制造舰船的一些部件。

舰船铝合金的特点：使用铝合金制造船舶舰艇具有的优点是：密度小、质量轻；强度／密度比值大，约为钢的2～5倍；对海水有相当强的抗腐蚀性；可焊性也令人满意，特别是有优秀的摩擦搅拌焊接性能；良好的可成形性能；可以挤制形状复杂的中空薄壁型材与宽大壁板；无低温脆性，强度与伸长率随温度降低而均衡地上升；无磁性。

2 国内外舰船用铝合金的研究和发展

2.1 国内舰船用铝合金的研究和发展现状

我国舰船用铝合金的研究始于20世纪60年代初。目前研制成功的船用铝合金结构材料主要有变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金包括铝合金板材、型材、管材、锻件及其配套焊丝。研制成功的船用变形铝合金牌号主要有Al-Mg系的5A01、5A30、5A70合金和Al-Zn-Mg系的7A19合金；铸造铝合金牌号主要有ZL305和ZL115合金等。自1979年起，5A01、5A30、7A19、ZL305和ZL115等合金已广泛用于各种船舶及鱼雷壳体的建造，5A70合金已成功用于建造水撬模拟结构件。然而，我国舰船用铝合金的牌号、品种、规格却未能全面发展起来，我国用来制造高速舰船船体（包括军用快艇和高速客船）的铝合金几乎都依赖国外进口，其中使用最多的是进口5083铝合金[2]。

2.1.1 船用变形铝合金

目前在船舶上应用的变形铝合金主要有以下几个系列：铝-镁系、铝-镁-硅系和铝-锌-镁系，其中以铝-镁系合金在舰船上应用最广泛。

（1）铝-镁系合金。铝-镁系合金是一种具有中等强度、优良的耐蚀性和可焊性的非热处理强化合金。该系合金在海水和海洋大气条件中，不仅具有优良的抵抗一般腐蚀的性能，而且可以消除剥落腐蚀和晶间腐蚀等。其焊接性能在铝合金中也是优异的，因而很适合在船舶结构上使用。

中强耐蚀可焊的A1-Mg系合金是应用最广泛的船用铝合金系，其中含3.5%～5.5%Mg的Al-Mg合金得到了最广泛的应用，如美国的5086、5456合金，日本的5083合金，英国的N8合金。前苏联还使用了镁含量大于6.0%的高镁Al-Mg合金，如AMr6、AMr61合金。我国的船用Al-Mg系合金主要有5A01和5A30等。

（2）铝-镁-硅系合金。铝-镁-硅系合金是中强耐蚀的热处理强化合金，通常在淬火+人工时效状态下使用。该系船用铝合金主要有6063和6061等。铝-镁-硅系合金由于挤压性能优良，多用作挤压型材。该系的6061合金，在美国早期的造船中应用较多，但因其焊接性能差，该系合金只能用作铆接结构，因此发展受到限制。铝-镁-硅系合金主要作为型材与铝-镁合金配套使用。

（3）铝-锌-镁系合金。铝-锌-镁系合金在造船中应用很少。前苏联是最早采用A1-Zn-Mg系合金造船的国家，他们用牌号B48-4（01980）、K48-1、K48-2的合金建造了水翼艇、气垫船等高速海船，但都是铆接结构的。现仍有少量应用。我国的7A19合金也属于A1-Zn-Mg系合金。俄罗斯近些年还研制了用钪（Sc）进行合金化的高强度Al-Zn-Mg系合金（如01970、01975等），在这些合金中加入0.1%～0.3%Sc显著改善了组织和性能。加入Sc后，可使合金的屈服强度、抗焊接热裂性及基体金属和焊接接头的抗应力腐蚀、剥落腐蚀性能得到提高。因此它是可发展为海洋环境使用的材料。

2.1.2 船用铸造合金

船用铸造铝合金主要包括铝-硅-镁系合金、铝-硅系合金和铝-镁系合金。

（1）铝-硅-镁系合金。该系合金具有良好的铸造性能、中等强度，适于制作形状比较复杂、致密性高的铸件，如柴油机汽缸体、减速箱壳体、高压阀件、泵、鱼雷壳体、涡轮叶片及其它薄壁壳体等。其代表合金为前苏联的BAл5、Aл4M合金、美国的356合金及我国的ZL115A合金等。

（2）铝-硅系合金。铝-硅系铸造铝合金的耐热性能和耐磨性能较好，主要用作活塞、衬套等材料。前苏联的Aл25合金和美国的SEM328合金为该系的代表合金。

（3）铝-镁系合金。含镁量低于8%的铝-镁合金具有优良的耐腐蚀性能、较低的强度和较好的铸造性能，适于制造在海水环境中工作的铸件及低压阀件等。代表合金为前苏联的Aл13，美国的514、535合金。含镁量为10%的固溶强化型合金，强度极限达300MPa，耐腐蚀性能良好，用于制造承受较大载荷的零件，如舷窗、手柄、海水泵壳体、水泵导管及支柱等。代表合金为前苏联的Aл8、Aл27，美国的518、520、X250等[3]。

2.2 国外舰船用铝合金的研究和发展现状

2.2.1 发展现状

铝合金在造船业的应用已有百余年的历史，尤其是近年来，铝合金在各类舰船中均有应用的实例。美国、日本、英国和前苏联早已把铝合金作为船舶结构的主要材料之一。

目前，日本已有一百多家公司正在建造铝合金高速船、客轮和渔船，铝合金船总数已超过2500艘；美国采用铝合金建造的各种舰船有2000多艘；北欧、法国、澳大利亚等国建造的铝合金客船、科学考察船等有约1000艘[4]。

国外在成分系列化这方面已经达到较高的水平，可供选择的合金已达系列化，同一合金可供选用的状态也有数种，品种配套、规格齐全，特别是大量采用适应船舶结构特点的型材和壁板，大大地减少了焊接工作量，同时又保证了船舶建造质量。国外现在已建立起比较完善的舰船用铝合金的体系及理论、方法、工艺等。

2.2.2 船用系列种类

多年来，世界各国对船用铝合金的研究与发展都非常重视。在美、日、英等发达国家，舰船用铝合金已成系列，品种配套、规格齐全，已成为海军舰船的主要结构材料之一。目前国外在船舶上应用的铝合金主要有以下几个系列：Al-Mg系、Al-Mg-Si系和Al-Zn-Mg系，其中以Al-Mg系合金在舰船上应用最广泛。

用微量钪（O.07%～0.35%，质量分数，以下同）合金化的铝合金称为铝钪合金或含钪铝合金。与不含钪的同类合金相比，铝钪合金强度高、塑韧性好、耐蚀性能和焊接性能优异，是继铝锂合金之后新一代航天、航空、舰船用轻质结构材料。上世纪70年代以后，俄罗斯科学院巴依科夫冶金研究院和全俄轻合金研究院相继对钪在铝合金中的存在形式和作用机制进行了系统的研究，开发了Al-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc、Al-Mg-Li-Sc和Al-Cu-Li-Sc五个系列17个牌号的铝钪合金，产品主要瞄准航天、航空、舰船的焊接荷重结构件以及碱性腐蚀介质环境用铝合金管材、铁路油罐、高速列车关键结构件等。

Al-Mg-Sc这个系的合金在俄罗斯有以下七个品种： 01570、01571、01545、01545K、 01535、01523和01515。

Al-Zn-Mg-Sc这个系的合金在俄罗斯有01970和01975两个牌号。

Al-Mg-Li-Sc系合金是在商用01420铝锂合金（Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr）基础上加入微量Sc形成了两种新的、称之为01421、01423的合金。

Al-Cu-Li-Sc系合金有01460合金和01464合金[5]。

除前苏联和现在的俄罗斯外，自70年代以来，世界其它一些发达国家如美国、日本、德国、加拿大等在含钪铝合金方面也开展了不少研究工作。美国研制的Al-Sc合金具有5456的耐蚀性和7075的强度，可焊性良好，挤压性也很好，将是未来代替目前使用的船用低强度铝合金的理想材料。它将对改善舰船性能、减轻重量和降低全寿命周期成本具有重大现实意义[6]。

2.2.3 发展趋势

随着世界造船业的发展，世界许多国家在舰船用铝合金的研究发展和计划安排上都做出了很好的规划。目前美国、俄罗斯、欧洲等发达国家舰船用铝合金的发展趋势主要有以下几个方面：（1）向含钪铝合金方面发展；（2）向铝合金新型结构形式发展；（3）向超塑性发展；（4）积极开展铝基复合材料的研究。

3 应用情况

铝合金在舰艇上获得了广泛的应用，在建造航空母舰、巡洋舰、护卫舰、导弹驱逐舰、潜艇、快艇、炮艇、登陆艇时，应用铝合金的实例很多。

3.1 铝合金在航空母舰上的应用

凡排水量50 kt以上的航母其铝合金材料用量为500～l000t。例如，美国“独立”号（CVA62）航母用了1019t铝合金；“企业”号核动力航母（CVA65）用了450t铝合金；法国“福熙”号（R99）及“克里蒙梭”号（R98）航母各用了l000多吨铝合金。铝合金对减轻航母结构质量、提高稳定性、适航性及各项性能等具有重要的意义。

铝合金在航母上的应用部位从飞机起飞和降落的部分甲板、巨大的升降机、大量管道，覆盖到舷窗盖、吊灯架、门、舱室隔壁、舱室装饰、家具、厨房设备和部分辅机等。例如美国“企业”号航空母舰的四个巨大的升降机是用铝-镁合金焊接的。

“辽宁”号航母的铝材用量估计约650t，合金多为5052与6063。美国早在1933年就用5052合金制造航母、驱逐舰、巡洋舰等的桥楼、甲板舱室、飞机发射架、升降舵、桅杆等。6063合金于1945年面世定型[7]。

3.2 铝合金在大型水面舰上的应用

大型水面舰指巡洋舰与驱逐舰等。为了减轻上层建筑的质量，以保持稳定性等而广泛采用铝合金结构。在许多驱逐舰等大型水面舰中，主甲板上的全部结构都是用铝合金制造的。据报道，美国海军不同级别的驱逐舰的甲板以上结构中用的铝合金数量如下：护航驱逐舰（DE）用铝量251.33 t；导弹驱逐领舰（DLG）用铝量811.20 t；弹道导弹驱逐舰（DDG）用量515.88 t；弹道导弹核动力驱逐领舰（DLGN）用铝930.35 t。

美国海军每一艘弹道导弹驱逐舰如USS“杜威”号（DLGl4），其上层建筑中应用的811.30 t铝合金中大部分是5456铝合金厚板和5086铝合金薄板。铝构件代替钢后质量减轻了150t。铝的总用量中20%左右是5456和5086铝合金。另一些铝合金材料包括6061铝合金、5052铝合金等用来制造甲板下面的所有柜、家具、床铺及有关设备。

3.3 铝合金在潜艇与深潜器上的应用

铝材在潜艇与深潜器制造方面也有应用。泡沫铝材因有良好的隔声性能，可在潜水艇机房中获得应用，以降低发动机的声音，减少被敌方声呐发现的概率。1961年美国海军建造了一艘调查用的深潜器，名为“阿鲁米纳特（aluminaut）号”，长15m，直径2.4 m，排水量75t，下潜深度4500m，艇体为厚165mm的7079-T6铝合金锻件。7079是一种强度很高的Al-Zn-Mg-Cu系合金，由于产量不多，美国铝业协会公司（AA）于1989年将其划为非常用变形铝合金（inactive alloy）[8]。

3.4 铝合金在快艇及高速船上的应用

对于快艇艇体材料和高速船船体材料，一般要求在保证足够的强度和刚度的条件下，尽量减轻质量，并要求材料具有良好的耐海水腐蚀性能和可焊性。美国从300多吨的大型反潜水翼研究船、200多吨的炮艇及导弹水翼艇，到PTF级快艇、LCM8登陆艇等，大多采用5×××系铝合金焊接结构。应用包括：（1）鱼雷快艇；（2）巡逻艇、炮艇；（3）水翼艇；（4）登陆艇；（5）气垫船；（6）双体船；（7）地效翼船；（8）美国新型铝合金无人水面艇。

3.5 铝合金在民用船舶上的应用

1891年瑞士首次建造了铝汽艇，以后其他国家相继建造了铝艇体。20世纪20年代末冶金工业为造船工业提供了抗蚀性能较好的A1-Mg合金，因此铝合金在造船上的应用快速地发展起来。

1931年8月，英国制造了“黛安娜Ⅱ”号（DianaⅡ）全世界首艘全铝游艇。该游艇银光熠熠，材料为铝-镁合金，长16.75m，宽3.65m，吃水1.74m。使用了20多年以后，仍完好如初，艇体无腐蚀。

苏联在1958年建造了“拉克泰”（Paketa）号水翼客艇，载客66人，艇体材料为硬铝；1959年又建造了载客130人至150人的“梅焦尔”（Meteor）号水翼客艇，长34.4m，最大航速80km/h，艇体材料为硬铝，铆接。他们后来建造的水翼艇采用了铝-镁系合金焊接而成。

铝合金材料还用于制造其他民用船舶：上世纪50年代初期铝合金广泛用于建造油轮，英国建造的一些油轮的内衬板为5×××系5054合金，每艘30kt级油轮用铝超过1000t；每艘30000t级的油轮用铝量1000t。1951年英国建造的“红玫瑰”（Red Rose）号渔船，用铝27t。1964年匈牙利设计了一艘100 t全铝渔船，主要是采用含W（Mg）=2.5%～4%的铝合金建造。铝合金在驳船上也广泛应用，美国在1964年建造一艘全铝驳船，应用180多吨铝材。板材和挤压件是5083铝合金，比钢质驳船提高载货量14%。铝合金在拖船上的应用也很广泛，美国“索特”（Sauter）号拖船应用5083和5086铝合金全焊接结构建造，比钢壳拖船的建造工时减少30%。苏联建造的火车渡轮应用AMr5B、AMr6T等Al-Mg合金，采用焊接结构。1963年英国建造两条沼气运输船，船上的九个沼气仓均由铝合金焊制而成。表1简要列举了铝合金在船舶上的一些应用实例[10]。

表1 铝合金在船舶上的应用实例

2013年初意大利萨洛伦佐公司为阿拉伯联合酋长国制造一艘超级铝合金游艇（Super yacht），长40m，艇身与上层结构都是用5083铝合金制造，达到了力学性能与抗蚀性最完美的结合。艇身用2 m×6 m板材焊接而成，上部结构骨架由此种尺寸厚板切割成的小厚板焊接。艇底板厚度7mm，艇侧板厚度5mm，上部结构板厚度4mm～5mm，用的大部分挤压铝型材为T字形的。

日本在民用船舶制造中使用的铝材较多。日本从1950年开始用铝合金制造民用船舶，从渔船、渡船、游船到大洋型游轮都有，如琵琶湖轮船公司的“平安卡”号铝合金客轮。

日本各县的渔业监理船多为高速铝船。液化天然气（LNG）运输船贮罐也是采用铝合金制成。

中国从1958年开始建造小型铝合金（使用2A12铝合金）水翼船与快艇等，到2013年可以建造各种中小型铝船艇以及大型的LNG船、豪华旅游船等。

3.6 海洋钻探平台与钻探管

海洋钻探平台的甲板、直升机停机台、内部设施等可以用铝材制作，钻探管也可用铝合金制造。美国在20世纪60年代开始采用2014和7075铝合金管钻探石油与天然气。

因具有密度小、重量轻、比强度高、所需回转扭矩小、抗冲击能力强、耐腐蚀性好、与孔壁间摩擦阻力小等特点，在钻机能力一定的情况下，应用铝合金钻杆能够达到钢质钻杆无法达到的井深。目前，铝合金钻杆已经成功应用于石油勘探中。自20世纪60年代以来，铝合金钻杆在苏联地区得到广泛应用，在苏联地区采用铝合金钻杆钻进进尺达到总进尺的70%～75%。在海洋钻井平台中，结合铝合金耐海水腐蚀这一优势，高性能铝合金钻杆在海洋工程中有很大的应用前景[9]。

船舶舰艇用的铝合金配件种类繁多，主要有：普通矩形窗、舷窗、小型快艇窗、天窗、百页窗、提窗、舱口盖、移动门、风雨密门、舱室空腹门、跳板、座椅、沙发、梯等等。广东省番禺市桥联铝窗厂是中国主要的船舶配件企业之一，制造这些产品用的合金有6061、6N01、6063、6082、1200与3003合金等，它们不但有较高的力学性能，而且有相当强的抗腐蚀性能和良好的成形加工性能与表面阳极氧化处理性能。铝-硅系铸造铝合金也有一些应用。