鋁合金應(yīng)用于造船業(yè)已有近百年的歷史。隨著國(guó)內(nèi)外造船業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，船舶的輕量化越來(lái)越被重視。由于鋁的低密度、高強(qiáng)度、高剛性、耐腐性和可焊性，為建造對(duì)重量要求嚴(yán)格的船型提供了很好的選擇，船舶設(shè)計(jì)者使用鋁建造的船舶和使用鋼材或其它合成材料建造的船舶相比重量減輕了15-20%。鋁合金可以作為板材，也可以進(jìn)行擠壓成型加工和鑄造加工，鋁的加工成本較低，再加上鋁合金突出的物理特性，使得用鋁合金制造船舶更具經(jīng)濟(jì)性。從船舶設(shè)計(jì)者角度來(lái)看，使用鋁合金制造的船舶可以達(dá)到更高的速度以及更長(zhǎng)的使用壽命，鋁合金的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在船舶的應(yīng)用上發(fā)展得很快，造船業(yè)為鋁材提供了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

第一章 鋁合金在國(guó)內(nèi)外艦船中的應(yīng)用現(xiàn)狀

艦船上應(yīng)用的鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金

變形鋁合金主要應(yīng)用在大型水面艦船上層建筑、上千噸的全鋁海洋研究船、遠(yuǎn)洋商船和客船、水翼艇、氣墊船、旅客渡船、雙體客船、交通艇、登陸艇等各類(lèi)高速客船和軍用快艇上。鑄造鋁合金主要應(yīng)用于泵、活塞、舾裝件及雨水雷殼體等部件。

1.1 航空母艦

航母是個(gè)龐然大物。它體積巨大，建造精良，是一個(gè)機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的作戰(zhàn)平臺(tái)，對(duì)減輕結(jié)構(gòu)重量具有極其迫切的需求。控制航母的重量，特別是上層建筑的重量，對(duì)改善航母的性能至關(guān)重要。

初步統(tǒng)計(jì)，國(guó)外每艘航母鋁合金材料用量大約在1000噸左右，例如，美國(guó)“獨(dú)立”號(hào)（CVA62）航母用了1019噸鋁合金；“企業(yè)”號(hào)核動(dòng)力航母（CVA65）用了450噸鋁合金；法國(guó)“福熙”號(hào)（R99）及“克里蒙梭”號(hào)（R98）航母上都用了1000多噸鋁合金。鋁合金在航母上的應(yīng)用對(duì)減輕航母結(jié)構(gòu)重量，提高穩(wěn)定性、適航性、提高戰(zhàn)技性能等具有重要意義。

鋁合金在航母上的應(yīng)用部位包括起飛和降落甲板、升降機(jī)、大量管系、舷窗蓋、吊燈架、門(mén)、艙室隔壁、艙室裝飾、家具、廚房設(shè)備和部分輔機(jī)等。例如美國(guó)海軍1961年服役的“企業(yè)”號(hào)航空母艦的四個(gè)巨大的升降機(jī)是用鋁-鎂合金焊接而成的。

1.2 驅(qū)逐艦等大型水面艦船上層建筑

驅(qū)逐艦等大型水面艦船，為了減輕上層建筑的重量以保持穩(wěn)定性，而廣泛采用鋁合金結(jié)構(gòu)。事實(shí)上在許多驅(qū)逐艦等大型水面艦船中，主甲板上的全部結(jié)構(gòu)都是用鋁合金制造的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)海軍不同級(jí)的驅(qū)逐艦，在甲板以上結(jié)構(gòu)中所用的鋁合金數(shù)量分別如下：護(hù)航驅(qū)逐艦（DE）用鋁量251.33噸；導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DLG）用鋁量811.30噸；彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DDG）用鋁量515.88噸；彈道導(dǎo)彈核動(dòng)力驅(qū)逐艦（DLGN）用鋁量為930.35噸。

美國(guó)海軍第一艘彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦USS“杜威”號(hào)（DLG14）比第二次世界大戰(zhàn)期間最大的驅(qū)逐艦長(zhǎng)出50英尺，而噸位則幾乎大兩倍。在“杜威”號(hào)的上層建筑中應(yīng)用的811.30噸鋁合金中大部分是5466厚板和5086薄板。鋁構(gòu)件代替了鋼后，節(jié)約了150噸不必要的重量。鋁的總用量中20%左右是5456和5086合金。另外一些鋁用來(lái)制造甲板下面的所有的柜、家具、床鋪及有關(guān)設(shè)備。所用的鋁合金材料包括6061合金、5052合金等。

1.3 快艇及高速船

對(duì)于快艇體材料和高速船體材料，一般要求在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的條件下，盡量減輕重量，并要求材料具有良好的耐海水腐蝕性能和可焊性。例如美國(guó)300多噸的大型反潛水翼研究船、200多噸的炮艇及導(dǎo)彈水翼艇、PTF級(jí)快艇、LCM8登陸艇等大多采用鋁-鎂合金焊接結(jié)構(gòu)。

1.3.1 水翼艇

早些時(shí)期美國(guó)海軍建造的五艘導(dǎo)彈水翼艇巡邏艇，稱(chēng)為“Pegasus”號(hào)的原型已于1974年11月下水。在這條潛艇的殼體，內(nèi)部艙壁和甲板的板材和防擾材中，金屬惰性氣體保護(hù)焊縫的長(zhǎng)度超過(guò)兩英里。

“MarkII”號(hào)水翼巡邏炮艇PGH-1重70噸，1968年下水，在美國(guó)海軍和海岸警衛(wèi)隊(duì)中使用。選用5456合金作艇體材料，它具有高的焊接接頭強(qiáng)度性能。-H116和-117狀態(tài)用于板材。-H111狀態(tài)用于擠壓件。選擇具有較高抗裂性的5356合金焊絲用于焊接，建造時(shí)的焊接工藝為金屬惰性氣體保護(hù)的脈沖電弧焊和射流電弧焊以及鎢極惰性氣體保護(hù)焊。

波音公司已建造了很多航速為43節(jié)的100噸級(jí)水翼艇，這些根據(jù)美國(guó)海軍水翼艇的設(shè)計(jì)演變出來(lái)的民用艇為噴翼型。殼體和上層建筑全部是鋁合金結(jié)構(gòu)，采用5456-H116或-H117合金。焊接檢驗(yàn)很?chē)?yán)格，對(duì)全部焊縫進(jìn)行X射線(xiàn)、超聲波檢驗(yàn)和著色檢驗(yàn)。在著色前要對(duì)檢查部位作侵蝕處理，以除去污物。

前蘇聯(lián)是世界上成批生產(chǎn)水翼艇的領(lǐng)先國(guó)家，制造了幾百艘水翼艇并投入運(yùn)營(yíng)，還出口許多艘。

我國(guó)用5A01合金板材、型材和鍛件建造了“飛魚(yú)”號(hào)水翼艇，建造中采用了半自動(dòng)化熔化極脈沖氬弧焊和回轉(zhuǎn)胎架設(shè)備。

1.3.2 氣墊船

鋁合金在氣墊船應(yīng)用中值得一提的是1976年由Rohr工業(yè)公司承保的一項(xiàng)設(shè)計(jì)美國(guó)海軍3000噸、80節(jié)艦船“3KSES”的合同。該船為全焊鋁結(jié)構(gòu)。在選材時(shí)，焊件可選5456-H116或-H117，或強(qiáng)度較高的Al-Cu-Mn系2219合金，非焊件選用高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系7075-T73合金。這兩種合金在宇航領(lǐng)域的應(yīng)用中綜合性能較好的合金，能否在海洋環(huán)境中長(zhǎng)期使用是一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)時(shí)美國(guó)新研制的CS19（鎂含量高達(dá)8.7%左右）也有潛在的可能。因?yàn)槠浜附咏宇^的典型屈服強(qiáng)度達(dá)到

23Kg/mm2，而常用的5456合金一般為15~17Kg/mm2。該船是噸位最大的全焊鋁殼船，選材當(dāng)然及其慎重。5456-H116或-H117合金終于因機(jī)械性能、耐蝕性及成本三方面的優(yōu)點(diǎn)而被評(píng)為用于主殼體結(jié)構(gòu)的最佳材料。選用5456-H112合金作為擠壓件，因?yàn)槠浔葟?qiáng)度比5086-H112大19%，-H112狀態(tài)合金的組織中沒(méi)有會(huì)使合金在海洋環(huán)境中出現(xiàn)剝落腐蝕敏感性的β相晶界連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。

前些年，報(bào)道了西班牙海軍建造的36噸氣墊船原型用于試驗(yàn)和鑒定的情況，它是用鉚接方法建造的。蘇聯(lián)用Amr-61合金建造了“火焰”號(hào)氣墊船。

英國(guó)建造了全焊的氣墊船Apl-88，是當(dāng)時(shí)鋁殼氣墊船的最新發(fā)展。殼體采用Al-4.5Mg的N8合金，型材采用Al-1%Mg-1%Si的H30合金。采用深I(lǐng)型材和長(zhǎng)而寬的大型擠壓件以避免橫向焊縫和減小臨近焊件的熱影響。去年3月加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)向英國(guó)氣墊船公司訂購(gòu)了一批Apl-88。

前些年設(shè)計(jì)的氣墊船與早期相比有很大變化，包括使用冷柴油機(jī)取代燃?xì)廨啓C(jī)和用焊接的鋁結(jié)構(gòu)取代較復(fù)雜的玻璃鋼。Apl-88和“虎”級(jí)氣墊船就具有這些設(shè)計(jì)特征。最新的“虎-40”于1986年4月開(kāi)始設(shè)計(jì)，同年12月開(kāi)始試航。該艇總長(zhǎng)17.25米，總寬7.625米，高5.375米。除用作客船外，還可用作內(nèi)河和海岸巡邏艇以及工作艇等。

上個(gè)世紀(jì)七十年代至八十年代，我國(guó)用7A19合金、5A30合金等建造了全升氣墊船和側(cè)壁式氣墊船，無(wú)論是全墊升還是側(cè)壁式氣墊船所用的鋁合金板材厚度都較薄，一般為1-3mm。此外還用了許多規(guī)格的型材。由于板材較薄，多數(shù)鋁質(zhì)氣墊船采用的是鉚接鏈接，但也有全焊接氣墊船。

1.3.3 雙體船

英國(guó)麥克泰公司為英國(guó)海軍設(shè)計(jì)建造了第一批裝有升降舵的鋁殼雙體船。這些船有很多引人注目的特點(diǎn)：寬闊而穩(wěn)定的甲板；極低航速時(shí)良好的機(jī)動(dòng)性；良好的航向穩(wěn)定性；阻力小。

法國(guó)梅泰羅工業(yè)系統(tǒng)已完成一種軍用多用途鋁殼雙體船的設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)25米，寬10米，吃水0.7-1米，空船重45噸，載重量18噸，主機(jī)為兩臺(tái)1200馬力柴油機(jī)，噴水推進(jìn)，最大航速30節(jié)。

在挪威和瑞典，用鋁合金建造雙體船很盛行，如挪威設(shè)計(jì)的10艘高速雙體船全部采用對(duì)稱(chēng)船體，每艘載客449人，分別以32節(jié)和24節(jié)的航速橫渡海峽。

日本用鋁合金建造的“Marine shuttle”號(hào)小水線(xiàn)面雙體船長(zhǎng)41米，航速34節(jié)，是一艘280個(gè)客位的非對(duì)稱(chēng)船型高速雙體客船。

我國(guó)國(guó)內(nèi)航線(xiàn)中使用了不少雙體船，其中有進(jìn)口的，也有國(guó)內(nèi)自行建造的。

1.3.4 地效翼船

地效翼船是介于船舶與飛機(jī)之間，利用類(lèi)似機(jī)翼的表面效應(yīng)產(chǎn)生的氣動(dòng)升力，支撐船體離開(kāi)水面低飛，偶爾能浮水航行的高技術(shù)新型艦船。地效翼船的航速高最快可達(dá)300多節(jié)，而且航行性好，具有良好的兩棲性，能在水上、路上起降，在波浪上方低空飛行，受干擾少，又比較安全?？煽缭秸訚?、冰層、雷區(qū)、障礙物，可廣泛用于軍事行動(dòng)。是快速登錄的必備艦型，常與航母、兩棲攻擊艦配套，在登陸作戰(zhàn)中極具突然性。此外，地效翼船的經(jīng)濟(jì)性好（油耗比常規(guī)飛機(jī)低30%以上）。比之飛機(jī)安全的多，造價(jià)也相對(duì)便宜，在經(jīng)濟(jì)和軍事兩方面都會(huì)產(chǎn)生巨大效益。

地效翼船要求艇體采用鋁合金材料，并且要求用焊接結(jié)構(gòu)（在俄羅斯較大噸位地效翼船的船體主要使用了可焊接的鋁合金材料）。而且要求艇體材料屈服強(qiáng)度大于300Mpa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到400Mpa，同時(shí)要求材料具有良好的成型工藝性，良好的耐腐蝕性能等綜合性能。

1.4 鋁合金在其他船型上的應(yīng)用

1.4.1 工作船

鋁制工作船要求的維護(hù)較少、使用時(shí)間更長(zhǎng)、行駛速度更快。毫無(wú)疑問(wèn)，捕魚(yú)船或任何其它海洋業(yè)有必要做這種投資。

經(jīng)驗(yàn)表明，任何一種鋁質(zhì)小型船都可以使用數(shù)十年，而不會(huì)遭受任何明顯的腐蝕。這種船只的退役通常是出自技術(shù)過(guò)時(shí)的緣故，而非鋁結(jié)構(gòu)的老化。總的說(shuō)來(lái)，5000和6000系鋁-鎂合金優(yōu)異的耐海洋性氣候，特別是耐海水浸蝕性能現(xiàn)已得到大家認(rèn)可。

1.4.2 LNG(液化天然氣)貨船

LNG(液化天然氣)可代替石油作能源，在石油發(fā)生危機(jī)時(shí)，對(duì)它的需要將變得更迫切。LNG是把天然氣在低于-162℃的低溫下液化而成的，因此在LNG的貯藏和運(yùn)輸中需要低溫性能好的金屬。一般使用鋁合金、鎳鋼和不銹鋼，而鋁合金具有良好的耐海水腐蝕性能，因而都傾向使用重量輕和焊接性能好的鋁合金。建造LNG貨船主要有兩大技術(shù):隔板(膜片)或Moss-Rosenberg。Moss-Rosenberg型船的特征是有較大的球形儲(chǔ)罐(每只船至少5個(gè))，它們是由較寬的鋁鎂合金板材制成的，采用一種特殊的高電流氣態(tài)金屬焊接工藝將其焊接在一起。

1.5 鋁合金的用量

鋁合金在船舶應(yīng)用方面的前景

對(duì)于作為交通工具的船舶來(lái)說(shuō)，提高速度是其改進(jìn)和發(fā)展的主要技術(shù)指標(biāo)之一。目前，在各種交通運(yùn)輸工具中，船舶運(yùn)輸?shù)乃俣劝l(fā)展最慢，而提高其速度的最有效方法一是減輕船重，二是采用減小水阻力方法，這兩種方法的有機(jī)結(jié)合，使得鋁合金高速船艇正在飛速發(fā)展中。我國(guó)水運(yùn)條件十分優(yōu)越，海岸線(xiàn)總長(zhǎng)約1萬(wàn)8千多公里，內(nèi)河航道1千余條，隨著經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的迅速發(fā)展，必將需要大量的船舶。因此，開(kāi)發(fā)鋁合金船具有重要戰(zhàn)略意義。

第二章 船舶用鋁合金的選材原則與優(yōu)勢(shì)

2.1 高的比強(qiáng)度和比模量

材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量是進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)尺寸的最基本參數(shù)。由于各種鋁合金的彈性模量和密度都大體相同，而添加少量合金元素或改變熱處理狀態(tài)對(duì)它們的影響甚微，因此在一定范圍內(nèi)提高屈服強(qiáng)度對(duì)減輕艦船結(jié)構(gòu)重量有利，一般鋁合金的密度為2.7~2.8g/cm3，彈性模量為70~73GPa左右。但高強(qiáng)度鋁合金通常很難同時(shí)具有優(yōu)良的耐蝕性和可焊性，因此艦船用鋁合金一般選用具有中等強(qiáng)度和耐蝕可焊鋁合金，此外鑄造鋁合金在艦船領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。

2.2 優(yōu)良的焊接性能

對(duì)于艦船而言，采用焊接連接比采用鉚接連接具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此焊接連接方法已在造船中廣泛使用，基本上取代了鉚接結(jié)構(gòu)，目前在鋁船建造中主要使用自動(dòng)氬弧焊接方法。鋁合金具有良好的可焊接性意味著鋁合金在焊接時(shí)形成裂紋的趨向要小，即鋁合金具有良好的焊接抗裂性，而且焊后焊接接頭性能變化不大。因?yàn)樵谠齑臈l件下不能通過(guò)重新熱處理的方法恢復(fù)因焊接而失去的性能，所以這是船用鋁合金有別于其它結(jié)構(gòu)用鋁合金的重要特點(diǎn)之一。AL-Zn-Mg系和AL-Mg-Si系合金焊后強(qiáng)度明顯降低，AL-Zn-Mg系合金焊后耐蝕性也差，因此該兩系合金在作為焊接船用材料時(shí)受到一定的限制。而AL-Mg系合金無(wú)此弊端。AL-Zn-Mg系合金主要用于焊后可熱處理的構(gòu)件（如魚(yú)雷殼體），AL-Mg-Si系合金主要用作型材。

2.3 優(yōu)良的耐蝕性能

艦船結(jié)構(gòu)多在苛刻的海水介質(zhì)和海洋環(huán)境中使用，因此鋁合金是否耐腐蝕是決定其可否作為船用鋁合金的主要標(biāo)志之一。一般要求船用鋁合金基體和焊接接頭在海水和海洋環(huán)境中無(wú)應(yīng)力腐蝕、剝落腐蝕和晶間腐蝕傾向；要盡量避免接觸腐蝕、縫隙腐蝕和海生物附著腐蝕；允許有較小的均勻腐蝕和點(diǎn)腐蝕。

2.4 良好的冷、熱成型性能

艦船在建造過(guò)程中要經(jīng)受冷加工（如折邊、卷邊、輥彎、沖壓等）和熱加工（如熱彎、火工矯形等）。所以要求船用鋁合金易于加工成型，加工時(shí)不產(chǎn)生裂紋等缺陷，加工后仍能滿(mǎn)足強(qiáng)度、耐蝕性等性能要求。

2.5 鋁合金在船舶應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)

鋁合金具有比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無(wú)磁性和低溫性能好等特點(diǎn)，用于船舶中具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)由于其比重小，因而可減輕船重，可減小發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)容量，可增加速度；可減少燃料耗費(fèi)，節(jié)約燃油；可以改善船的長(zhǎng)寬比，增加穩(wěn)定性，使船易于操縱；還可以增加載重量，獲得額外利潤(rùn)。

(2)由于抗腐蝕性能好，能減少涂油等維修費(fèi)用，可延長(zhǎng)使用年限(通常在20年以上)。

(3)加工成形性能好，易于進(jìn)行切割、沖壓、冷彎、成形和切削等各種形式的加工，適合船體的流線(xiàn)化；可擠壓出大型寬幅薄壁型材，減少焊縫數(shù)和使船體結(jié)構(gòu)合理化和輕量化。

(4)焊接性能好，能較容易地進(jìn)行焊接。

(5)彈性模量小，吸收沖擊應(yīng)力的能力大，有較大的安全性。

(6)鋁廢料容易回收，可以循環(huán)使用。

(7)無(wú)低溫脆性，最適合做低溫設(shè)備。

(8)由于非磁性，羅盤(pán)不受影響；全鋁船可以避免水雷攻擊，適合做掃雷艇。

(9)沒(méi)有蟲(chóng)害和干燥變形；不燃燒，遇火災(zāi)較安全。

第三章 船用鋁合金的種類(lèi)、特性、用途等

船用鋁合金按制造工藝的不同可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，由于船用鋁合金對(duì)強(qiáng)度、耐腐蝕性、可焊接性等有特殊的要求，所以船用鋁合金多選用鋁-鎂系合金、鋁-鎂-硅系合金和鋁-鋅-鎂系合金，其中鋁-鎂系合金在艦船上應(yīng)用最廣泛，按公司產(chǎn)品生產(chǎn)情況，下面主要對(duì)船用變形鋁合金做重點(diǎn)介紹。

3.1 船用鋁合金的特性、用途和化學(xué)成分

船舶用鋁合金按用途可分為船體結(jié)構(gòu)用鋁合金、舾裝用鋁合金，船殼體結(jié)構(gòu)上用的鋁合金主要是5083、5086和5456這三種合金，6000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)，舾裝鋁合金主要用的是擠壓型材，7000系合金熱處理后的強(qiáng)度和工藝性能比5000系合金還要優(yōu)越，在船舶制造中的應(yīng)用前景廣闊，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7000合金的缺點(diǎn)是抗應(yīng)力腐蝕性能差，所以限制了該系合金的使用范圍。

3.2 船用鋁合金的種類(lèi)及用途示例

船用鋁合金按產(chǎn)品種類(lèi)可分為板材、型材、管、棒、鍛件、鑄件。

注：

1、舾裝也使用5052合金，品種有板、管和棒；

2、5083、5086和6N01合金可生產(chǎn)出寬幅薄壁擠壓型材；

3、板材的使用厚度是由船體結(jié)構(gòu)、船舶規(guī)格和使用部位等所決定，從船體輕量化角度考慮，一般盡量采用薄板，但還應(yīng)考慮在使用時(shí)間內(nèi)板材腐蝕的深度，通常使用的板材有1.6mm以上的薄板和30mm以上的厚板。為減少焊接，常使用2.0m寬的鋁板，大型船則使用2.5m寬的鋁板，長(zhǎng)度一般是6m，也有按造船廠合同使用一些特殊規(guī)格的板材。為防滑，甲板采用花紋板。

3.3 船用鋁合金的狀態(tài)

鋁合金的狀態(tài)標(biāo)志著材料的加工方法，內(nèi)部組織和機(jī)械性能，一般制造商根據(jù)用途不同而采用不同狀態(tài)的材料，船體結(jié)構(gòu)用的5000系合金采用O和H狀態(tài)，6000系合金采用T狀態(tài)，按日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定列出的5000系合金的H狀態(tài)細(xì)目和6000系合金和AC系鑄造合金的狀態(tài)代號(hào)如下表所示。