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舰船用海洋工程铝合金的“来世今生”

舰船用海洋工程铝合金的“来世今生”

铝合金可分成两类:一类为变形铝合金,用于加工板、带、箔、管、棒、型、线、粉、锻件等半成品;另一类为铸造铝合金,用于铸造各种铸件与压铸件。其中前者在海洋工程中用得最为广泛。由于铝合金具有比强度高、抗海水腐蚀性强、可焊接、易加工成形、回收性强、环保性好、无低温脆性、无磁性、磁撞时不产生火花等特性,在海洋工程中的应用可有效减轻舰船质量、提高稳定性、增大航速等。因此,当前铝合金在世界许多国家已成为舰船主要结构材料之一,并广泛用于建造海岸、滨湖、滨江设施等。图1为滨海建筑物的铝结构,由于铝材的抗蚀性高,不需要涂油漆,不需要保维护保养,可使用30年。铝材在碰撞时不产生火花这一特性使它特别适合于制造与易燃物资及油品接触的舰船零配件及结构,可以大大降低着火的危险性。
 
铝合金在舰船上的用量
目前,铝在舰舶舰艇制造的用量不多,就全世界来说,2013年的用量占其总消费量的1.1%左右。2012年日本国内轧制铝材消费量974.4kt,其中交通运输消费量159.0kt(汽车工业139.0kt,占87.42%,挤压铝材国内消费量784.5kt,其中交通运输量141.9kt(汽车工业131.6kt,占92.94%),这两种铝材在交通运输领域的用量占总消费量的17.11%,而汽车工业的用量则占交通运输用材的89.93,航空工业与海洋工程的用量还不到10%,日本是一个航空航天工业不发达的国家,所以在交通运输用的铝材中,估计海洋工程的用量也不会超过5%,日本的铝材消费量早已进入平稳阶段,自2004年以来海洋工程及舰船的用量一直20kt/a左右徘徊。在所用的铝材中,厚板为主,约占88%,挤压材为辅,但滨海设施用的多为挤压材。
中国舰船用铝合金结构与日本有所不同,日本是LNG(液化天然气)船制造大国,船上有4个巨大的用5083合金厚板焊接的LNG罐,厚板用量约4kt/条船,中国造LNG船用的是元低温脆性的Fe-Ni-Mn钢,中国仅一些厚板制造中小型舰艇,据估计2014年中国造船工业用的铝材不到230kt,还不到铝材总表观消费量的1%。不过,随着中国向海洋大国前进脚步的加快与加大,铝在船舶舰艇与海洋工程中的用量会有较大增长,但2025年前的年平均增长率也不会超过7.5%。
舰船铝合金的发展
铝的工业化生产始于全世界首个铝厂——美国匹兹堡冶金公司1988年的建成投产,1891年造船业第一次应用该厂生产的铝制造船用零件,经过120多年的研究和发展,铝材在船舶舰艇上的应用与在海洋工程中的应用越来越广泛,并成为这些部门很有发展前途的材料之一。
最早用于造船的铝合金为含Ni的Al-Cu系合金,继而采用的为2XXX系合金,不过它们抗海水腐蚀性能不高,限制了它们在造船工业中的应用。
上世纪30年代开始采用6061-T6合金,并用铆接法构造船体。40年代可焊耐腐蚀的5XXX系合金,50年代开始采用TIG(钨惰性气体)焊技术,这一时期铝合金在造船上的应用取得长足进展。60年代,美国海军先后开发出Al-Mg系的5086-H32和5456-H321合金板材、5086-H111和5456-H111合金挤压型材,由于采用了H116和H117状态,消除了沿晶沉淀的Al8Mg5化合物网膜,解决了它们的剥落腐蚀和晶间腐蚀问题,这是60年代来舰船铝合金研发方面取得的具有里程碑意义的重大进步。随后,由于需要屈服强度更高的材料,于是在舰船制造中广泛应用了6XXX系合金,在较长的一段时间内,欧、美、日等国家主要在5XXX系合金和6XXX系合金中选择船体铝合金,而苏联则较多地选择2XXX系合金。中国舰船工业在改革开放前以跟踪苏联为主,1980年以来又较多地跟踪欧、美、日等国的,2010年以后自主创新逐步加强。上世纪70年代以来,对中强可焊的7XXX系合金的研究日益增多,并取得一些进展,已在舰船制造中得到应用。
上世纪70年代以后,舰船结构的合理化和轻量化越来越被重视,大型舰船的上层结构和舾装件大量使用铝合金。为此,这一时期开发出许多有关这些领域用的铝合金和材料,其中包括特种规格的挤压型材、大型宽幅挤压壁板和铸件等。

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