海洋铝合金的抗蚀性及其在舰船上的应用

李德奇

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326)

0 前言

不管是直接与海水接触的船体铝合金，舰船内结构件铝合金，还是制造岸基（离海＜5 km）设施用的铝材都可以称为海洋材料[1]。海洋金属材料多种多样，如钢材、某些铝及铝合金、铜及铜合金、大多数钛及钛合金都可以称为海洋材料，因为它们在制造海洋设施（直接与海水接触）、船舶（大船称舶）舰艇和岸基设施获得了广泛的应用，其中铝材与钛材的应用日益增多。

铝材作为海洋金属材料，其应用日益扩大，因为它具有诸多优点：①铝是地壳内最富裕的金属，几乎占地壳质量的7.8%。而且提取工艺成熟，取之不尽，用之不竭，同时是闭环使用性能最佳的金属；②密度适中，只有2.70 g/cm3，虽比镁的密度大55.2%，但其同等强度结构件的重量却比钢件的约轻50%[2]，能有效地改善舰船的宽高比，提高舰船的安全性和稳定性，提高航速；③具有较大的刚度与韧性，是制造船体与上层建筑的最佳材料。不过铝合金不是高温材料，一旦着火，结构强度会下降，跨塌；④铝对海水有较强的抗蚀性，一般情况下铝合金的腐蚀比纯铝的严重，包铝材料的抗蚀性仅比包铝层的稍差一些，例如用纯铝包覆的Al-Cu合金的抗蚀性与Al-Mn 合金的相等甚至更好一些。⑤铝无磁性，使其成为制造扫雷艇、特种船舰与装置的绝佳材料；⑥铝及铝合金是一类绝好低温材料，它们的强度与塑性均随着温度的下降而同步上升，不像大多数金属那样有低温脆性，因此铝材是一种难得的制造低温物质（LNG、液氢、液氮、液态CO2等）储存设备的不可或缺的材料。

1 海洋铝合金的抗蚀性

海洋铝合金必须有良好的抗蚀性，在海洋环境中铝合金的典型腐蚀为：

（1）点腐蚀。这是船体的吃水线腐蚀，由于铝合金船体处于气-液界面，海水中的氯离子（Cl-）会引起腐蚀。可采取局部防蚀处理。

（2）腐蚀开裂。船体结构凹槽处经常产生此类腐蚀，这是由于海水渗入后没有新鲜海水补充时发生的。在设计和制造时需采取预防措施。

（3）剥落腐蚀。该腐蚀多出现于材料加工平面的加工方向上。具有加工硬化和晶粒较扁平的材料更易发生，这类腐蚀多存在于轧制板材中。由于铸造组织在轧制时发生延伸或呈网状线，在腐蚀过程中沿加工方向或网状线发生剥落腐蚀。

（4）电化学腐蚀。主要出现在船体结构的不同金属结合部。

抗蚀性是衡量海洋铝合金性能最重要的指标之一，包括抵抗化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀开裂（SCC）的能力[3]。含Mg 量高的铸造Al-Mg 合金的SCC 是氢致开裂，晶界Mg 偏析加速SCC。在降低Mg 含量同时添加Si 的Al-Mg-Si 系合金的特点：力学性能好、抗蚀性高、SCC 敏感性低，特别是Al-0.6Mg-0.9Si的SCC敏感性很低。

Al-Mg 系的ZL301 合金如果铸造组织缺陷少，在淬火状态下会有很高的抗蚀性。但该合金的自然状态不稳定，铸件有SCC敏感性。因为Mg5Al8在过饱和固溶体中不稳定，会沿晶界析出，先析出孤立的分散的质点，而后聚集长大，呈连续网络状分布于晶界上，这不仅降低材料的塑性，而且由于有更负的电化学性能而成为阳极区，在外加应力和腐蚀介质中，优先沿晶界发生SCC。与ZL301 合金相比，ZL305 合金由于含有Zn、Ti 等元素而降低了Mg 原子的扩散速度，这不但改变了析出相的形状，而且抑制其长大，从而改善了合金的自然时效稳定性，提高了抗SCC 能力。ZL115合金抗SCC 能力与ZL305合金相当。

盐水浸渍试验、盐雾腐蚀试验和应力腐蚀试验表明：低Mg、Si 含量的Al-Mg-Si 系合金抗蚀性比ZL301 合金的更好；同时，低Mg、Si 的Al-Mg-Si合金材料的初始色泽虽不如Al-Mg 合金那样亮丽，但在盐浸渍试验后却亮丽平滑得多。

在含Sc的铝合金中存在着Al3Sc相，是一种LI2型相，与母相铝共格。共格错配度高，因此对位错及亚晶具有强烈的钉扎作用，会阻碍晶粒长大，使合金始终具有细晶组织，而且有极高的弥散度，均质形核，所以又有强烈的弥散强化作用，并能显著提高铝合金的再结晶温度[4]。因此，Sc 能显著改善铝合金的抗蚀性、强度和可焊性等。在含Sc 的铝合金中存在Al3（Sc，Zr）复合相，它能细化晶粒，有效地抑制合金中β相（Mg5Al8）的析出，使β相在合金基体中呈不连续分布，从而降低了合金的腐蚀敏感性。

今后海洋铝合金的发展将是通过添加诸如Sc、Mn、Cr、Er、Zr、Ti等微量元素、控制加工及热处理工艺参数等措施，保证合金具有较高的抗蚀性、良好的综合性能，同时生产工艺简单可行。中国常见海洋铝合金的成分见表1[5]。

2 海洋铝合金的应用

2022 年，全世界制备船舶舰艇及建造海洋工程与港口设施用的铝材约占全球铝消耗的2.1%，即约1 700 kt。所用的海洋铝合金为5083、5086、5456、5052、6061、6063、3003、3004 等。其中5083、5086、5456合金约占总消费量93%以上，因为它们有最佳的海洋综合性能。常用的海洋铝合金（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））的品种见表2。舰船结构常用铝合金的性能见表3。

表2 常用海洋铝合金及其产品

表3 铝合金舰船结构选材时的参考性能

2.1 船舶舰艇领域的应用

铝材在船舶舰艇上的应用已有130 余年的历史。1891 年瑞士铝业公司生产的铝材在世界铝应用史上首次用于制造小船；1940 年美国造船企业用美国铝业公司（Alcoa）的铝材建造了一条长54.7 m、航速74 km/h 的鱼雷艇；1954 年日本海上保安厅建造了一艘长15 m、重量16 t，航速约39 km/h的全铝巡逻艇。

船舶生产制造领域，对设备强度和抗腐蚀能力都有很高的要求，船舶用铝合金按用途可分为船体结构用铝合金和舾装用铝合金。5083、5086 和5456合金主要应用于船体结构上，6×××系合金由于在海水中会发生晶间腐蚀，所以主要用于船舶的上部结构，7×××系合金热处理后的强度和工艺性能比5×××系合金还要优越，主要用于舰艇上层结构，如压挤结构、装甲板等，但是7×××合金的缺点是抗应力腐蚀性能差[6]。

船舶上层建筑的轻量化，不仅减轻船体质量，增加航行速度或运载量，还可使船的结构合理化，降低船的重心，提高定倾中心高度，改善船体稳定性同排水量和船宽的关系[7]。为此，用铝合金材料做各类船舶的上层建筑结构和上部的其它装置的应用越来越广泛。最初是用铆钉连接船的上层结构件，上世纪70 年代以后则主要采用焊接工艺。由于薄板焊接时易变形，因此最理想的是用整体挤压壁板做上层结构件，如用150 MN 左右的挤压机生产的宽壁板。

现阶段，造船厂已拥有制造各种铝合金舰艇的技术，可生产各种舰艇，如快速攻击艇、辅助性军事飞艇、巡逻艇及大型高速渡轮等[8]。军舰的一些上层建筑同样可用铝合金打造，如美国“恩特普赖斯号”（Enterpreis）航母的飞机甲板和飞机跑道是用铝合金打造的，多数情况用的挤压整体壁板。壁板装于钢框架内，壁板与钢框架之间有橡胶垫，以防接触腐蚀。

在此需指出的是，铝材不是一种高温材料，在温度大于450 ℃后，强度会大幅下降，故军舰的上层结构不宜用铝合金材料制备。但铝合金是一种很好的防火材料，即使在温度高达2 000 ℃的熔融状态也不会燃烧，仅会在温度大于630 ℃时熔化变成液体流走。另外，铝材可用于制造防火服、防火门、逃生滑梯等设施。

2.2 海洋设施中的应用

海洋设施如石油和天燃气的钻探平台、开采平台、输送管网以及桥梁等设施与内陆装备不完全相同，有其独特之处。一些供直升机起飞降落和短暂停留的甲板是用5083 合金挤压型材制备的，包括上顶板和下底板，它们之间设置有带筋板空腔，上顶板有企口，下底板两侧有延伸的连接部，以便将甲板固定于底架上。甲板块通过企口拼接，用压板或螺栓紧固于底架上，安装便捷。在使用期内，不用对铝合金甲板进行维护便可一直保持本色，节约维护费用。不过挤压材在发货前应经过表面处理。

海上直升机平台甲板会使用铝合金材料，而且会发挥这些材料耐腐蚀的优势，提高材料应用的效率。在一些码头上，也会应用铝合金材料[8-9]。海洋资源开发的基础设施—直升机平台，是全铝合金制的，90%以上材料为5×××系铝合金，是供人员上下、救生、逃生等用的。它的支撑结构除了应满足强度要求外，还要考虑结构自身质量、结构刚度、吊装和焊接等工艺要求。因铝合金具有质量轻、强度高、刚度大、模块化程度高等优点，铝合金直升机平台现已获得广泛应用[10-11]。

3 中国造船业奋进高端市场

中国造船业为向高端市场迈进，足足作了长达20 年的准备工作和学习，已初步达到目的。造船业高端市场指的有两个，一是大型和超大型邮轮市场，二是运输低温液化气（LNG、CO2、NH3等）的大船。经过近20 年的学习，中国已准备好要挑战欧洲造船厂在邮轮领域的霸主地位。这对于世界排名领先的法国大西洋造船公司、意大利芬坎蒂耶里造船公司和德国迈尔造船公司来说，是一个巨浪般的竞争威胁。这3家公司过去长期占据了全球邮轮市场的90%左右。

中国已经平稳地向尖端船舶市场进军。2014—2022 年，招商工业江苏海门基地建造了10艘载容量350～400 人的小型邮轮。中国主要的船舶舰艇企业有10 个，大多在沿海和长江流域。而制造航空母舰、LNG船和超级邮轮的企业如大连造船有限公司、上海江南船舶有限公司、沪东造船有限公司以及外高桥造船有限公司等则全在沿海大城市，如航空母舰是大连造船公司生产的。全球造船业领头羊中国船舶集团建造的第一艘大型邮轮—“爱达·魔都号”大型邮轮已于2023 年6 月6 日出坞，这是中国全力构建邮轮全产业链进程中里程碑意义的事件。豪华邮轮一直与大型液化气（LNG）运输船和航母一道，被誉为造船业皇冠上的“三大明珠”，它们代表着客运、货运和军舰领域的最高水平。当前，世界上只有美国、日本、英国等少数几个国家可以生产这些大型超级装备。

4 结束语

中国在许多类型船舶舰艇设计制造上取得了一系列突破，成为此领域的世界级旗手与引领者，不仅因为中国舰船企业在制造能力方面赶上与超越了对手，还因为中国众多船厂过去几年的出色表现提高了国内外船东的信心。中国制造的高附加值船如液化化工产品（LNG、液氢、液氮、液化石油气等）船和大型邮轮的数量在大幅增加。中国的未来舰船产业不仅在于自身建造能力的提高，更在于完整产业链的建设。一是一些关键设备如LNG 运输船上用于确保超低温度的系统不再依赖进口。二是铝材在大型船舰如航空母舰、驱逐舰、低温运输船、大型邮轮上的应用还大有潜力可挖，如120 kt以上的邮轮的铝材采购量达到10 kt 是完全可能的。三是如有需求可组建超低温铝合金研发组。另外，还需要对新能源船舶舰艇进行必要的研发与适当的制备。