综述 | 高性能先进舰船用合金材料的应用现状及展望

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​​海面战舰和水下潜艇既是战斗平台又是运输工具,是庞大的综合体系,需要大量的材料支撑,一种材料无法满足体系建造的所有需求。虽然不断开发的新型非常规船用材料在低温韧性、高温强度、低密度和高熔点等方面性能突出,但研究和使用时间短,应用部位有限,各种类型的钢、铝合金、铜合金和钛合金在当前及将来很长一段时期内仍然是船体结构、管路、冷却和推进等系统中最主要的建造材料。


本文详细介绍了截至2012年国内外已造及在造舰艇的船体结构、冷却器、管路和螺旋桨等关键部位的选材和使用情况,并论述了各类合金材料在应用中存在的问题和发展方向。

表5 日本潜艇用钢的化学成分

表6 日本潜艇用钢的力学性能


表9 部分铝合金的化学成分

表10 部分铝合金的力学性能



英国在20世纪80年代建造了全焊气垫船API88,是当时铝壳气垫船的最新发展。壳体采用N8铝合金,对应美国牌号5083,中国旧牌号LF4。型材采用H30,对应美国牌号6082。2000年,英国奈杰尔·吉协会有限公司为美国海军提出了用于快速运输的X-Craft运输船设计方案,该船采用双体船设计和铝合金材料,排水量1000t,采用喷水推进,最高航速约93km/h。该设计2003年初完成,2004年中期完成建造工作。俄罗斯当前已有各种类型的铝合金高速艇船约1000艘,其使用较多的快艇壳体材料是Al-Cu-Mg系锻造铝合金AK2、AK4和AK8,分别对应我国的2A90、2A80和2A14。含钪(Sc)的01575合金屈服强度为300MPa,抗拉强度为410MPa,是近年俄罗斯研制的强度水平最高的耐蚀可焊铝合金,用于掠海地效翼船等对速度和承载有特殊要求的构件,对我国含钪铝合金的研究和发展起到了重要的影响。我国最初用淬火、自然时效态的LY12即LY12CZ合金(现为2024(GB/T 16474-1996,GB/T 3190-2008)铝合金)作船体材料,用于水翼快艇的成批建造。之后,我国用7A19超强铝合金和5A30防锈铝合金制造全垫升气垫船和侧壁式气垫船。20世纪80年代,我国选用5A30(也称180、2103、LF16)铝合金建成了一艘全铝结构的海港工作艇“龙门”号,这也是目前我国船体结构铝合金的主要牌号。各合金的成分和性能见表9和表10。


1.3 钛在舰船结构中的应用

钛及钛合金虽然屈服强度高,但在焊接时需要惰性气体保护,成型难度大于钢材。由于一些舰艇用钢的屈服强度已能达到钛合金的水平,因此一般水面舰艇结构很少用钛。钛及钛合金主要用于潜艇、深潜器等舰艇中,以应付同时对屈服强度、密度和耐腐蚀性能要求很高的场合。


一直以来,俄罗斯(前苏联)在常规潜艇、核潜艇和深潜器的建造中都大量使用纯钛及钛合金,其钛制舰艇的制造技术、船用钛的研究和实际应用水平都居世界前列。典型应用实例有1968 年12 月下水的K166号试验艇钛合金壳体;1984年服役的“共青团”号第二代核潜艇钛合金壳体;1989年全部完成的“台风”级弹道导弹核潜艇钛制主耐压艇体、耐压中央舱段、鱼雷舱和第二代攻击核潜艇“阿尔法”级ΠT-3B钛合金耐压壳体。俄罗斯目前拥有490MPa、585MPa、686MPa、785MPa强度级别的船用钛合金系列,常用的有船体用钛合金пт-1м,船机用钛合金пт-7м,船舶动力装置用钛合金40、пт-3B、5B等,其成分和力学性能见表11(质量分数,%)和表12。但因钛合金的制造成本高、加工难度大等原因,在2009年开始建造的拟替代前苏联潜艇的“亚森”级核潜艇第二艘“喀山”号上,壳体材料选用了更先进的特种材料,其消磁效果与承压能力等都接近于钛合金,但价格仅为钛合金的几分之一,加工难度也小得多。


美国船用结构钛合金主要为一、二、三级工业纯钛(ASTM 标准)。深潜器耐压壳体除Ti-6Al-4V外,还有可潜6100m深的Seacliff载人深潜器上使用的近α型的Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo。此外,法国建造的SM97耐压壳和日本建造的“深海6500”级深海考察船的耐压壳使用的是含有很少间隙元素的低间隙Ti6Al4VELI合金。上述合金的成分和力学性能见表11和表12。

表11 船体结构用钛合金的主要成分

表12 船体结构用钛合金的强度性能 


我国于20世纪80年代设计了新型Ti80合金用于制造深潜器和潜艇的耐压壳体,该合金具有高强、高韧、耐蚀、可焊等优异性能,在抗拉强度880~925 MPa、屈服强度785~885MPa的条件下,断裂韧性和抗应力腐蚀能力明显优于Ti6Al4VELI合金。20世纪90年代设计的Ti91钛合金,屈服强度为700MPa,攻克了双曲成型、组焊等技术难题,成功制备出了钛合金声纳导流罩。Ti80和Ti91合金设计后的大量应用研究工作都是在随后的若干年间持续开展的,2000年后陆续批量生产并投入使用。

2、输舰船冷却器用合金材料

冷却设备是舰船冷却系统的重要组成部分,各类冷却设备用冷凝管在我国造船业中每年消耗量约6万t。冷凝管选材多从导热、耐蚀和可焊角度考虑,选择综合性能好的铜、双相不锈钢和钛等。在当前舰船中主要应用的是铜制冷凝管,钛因极其优异的耐蚀性能被逐渐广泛使用,而双相不锈钢的应用当前处于试验阶段,应用较少。


2.1 铜在舰船冷却器上的应用

我国科研工作者通过对不同水质条件下铜及铜合金的耐蚀性能进行深入研究,先后研制出适合不同海域水质的铝黄铜HAL77-2(对应美国ASTM C68700)、砷黄铜HSn70-1(对应美国ASTM C44300)以及添加了Mn、Ni和微量稀土元素Ce的HSn70-1AB铜合金,其强度和耐蚀性能进一步提高。HAL77-2、HSn70-1已列入国标GB/T 5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》,HSn70-1AB则增补进入修订后的国标。虽然HAL77-2、HSn70-1以及HSn70-1AB具有较优的耐蚀性能,但与铜镍合金相比,黄铜抗脱锌腐蚀和应力腐蚀的能力还有一定差距,目前逐渐被铁白铜代替。


当前海水淡化设备、大面积浸泡于海水受海水腐蚀的船舶领域大量使用BFe10-1-1(对应美国ASTM C70600)和BFe30-1-1(对应美国ASTM C71500)铜镍合金。针对含砂量大的海域,通常采用耐砂蚀性能更好的BFe30-2-2合金(对应美国ASTM C71640)。我国舰船“09”工程等即以BFe30-2-2作为冷凝管用材料。此外,我国近2年针对上述铜合金开发出了生产长度超过18m 的超长铜合金冷凝管的加工工艺,大大提高了铜冷凝管在舰船中的应用水平。常见的舰船冷凝器用铜合金的成分见表13(质量分数,%)。


表13 舰船冷凝器用冷凝管/板合金及成分


2.2 钛在舰船冷却器上的应用

由于钛及钛合金在海水中具有比其他合金更优异的耐蚀性能,且与常用的铜合金相比其强度高、密度低,可通过减薄管壁厚度和增加海水流速来保证传热效率。据报道,在发达国家,钛制换热器被普遍使用,在核潜艇等对设备安全运行可靠性有高要求的应用领域,其应用更受重视。当前美国应用最广泛的是工业纯钛(Grade 2,ASTM B338-2010),温度比较高的海水换热器使用Grade 16、Grade 17或Grade 12(ASTM B338-2010)。Grade 7(ASTM B338-2010)具有更高的抗腐蚀能力,但是成本较高。事实表明,Grade 1和Grade2等工业纯钛在天然水、海水和各种氯化物中具有特殊的抗应力腐蚀的能力。在海水流速为3~5m/s的淡化设备中,钛换热器的污堵系数仅为0.95~0.99。我国也成功研制出一些性能优异的钛合金,如Ti31低强钛合金,其用于余热排出冷却器、管路等,工作环境为高温海水或常温高速海水,耐180℃高温腐蚀。部分冷却器用钛合金的成分见表13。


2.3 不锈钢在舰船冷却器上的应用

不锈钢材料由于耐腐蚀能力强,6~7m/s高海水流速下的腐蚀性能与钛相近,经济性与铜-镍白铜相当,一直以来也被用于冷却器管路。其中6Mo高合金不锈钢在整个欧洲、加拿大、中东、美国应用较为普遍,用来制造板式、管式换热器,但多见用于滨海电站等领域,用于舰船的报道较少。


超低碳高铬(H)、双相(D)、耐蚀(R)不锈钢是近十几年来开发的一种新型不锈钢材料。HDR不锈钢可抗点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀,耐冲刷腐蚀性能也很优秀,已在某船的空调海水管路等部位试用17年,运行良好,管内外无腐蚀迹象。


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本文作者2019-4-13 10:04
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