王婧涵/大連理工大學(xué)附屬高中

王曉旭/海軍駐四二六廠軍事代表室

非鋼材料：現(xiàn)代艦船新選擇

王婧涵/大連理工大學(xué)附屬高中

王曉旭/海軍駐四二六廠軍事代表室

“戴高樂”號航母

新型材料性能的提高和加工工藝的改善，使其很好地滿足了艦船設(shè)計(jì)與建造要求，并有助于提升艦船性能、降低其全壽期費(fèi)用。

眾所周知，絕大多數(shù)海軍艦船由鋼材建造。不過，有些具有特殊要求的艦船需要非鋼材料，如掃雷艦、小型游艇等。不僅如此，即使是鋼制艦船，其上的某些部位也可能需要使用非鋼材料。

近年來，隨著材料技術(shù)的飛速發(fā)展，非鋼材料性能大幅提升，材料費(fèi)及加工費(fèi)卻有所降低。復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金等新型材料性能的提高和加工工藝的改善，使其很好地滿足了艦船設(shè)計(jì)與建造要求；且非鋼材料的低磁、輕便、防腐等性能，也是鋼材所達(dá)不到的。因此，近年來，新型材料在艦船上得到了越來越多的應(yīng)用。不僅如此，由于復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金等材料具備鋼質(zhì)材料所不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，因此，艦船若采用此類材料，雖然初期建造成本較高一些，但全壽期成本費(fèi)用卻低于鋼質(zhì)船。

鋁合金在艦船上的應(yīng)用

與鋼材相比，鋁合金具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，如比鋼材更輕、更易于彎曲、或擠壓成多種復(fù)雜的形狀。缺點(diǎn)是鋁合金的焊接難度更大、對焊工技術(shù)水平要求更高。這是因?yàn)殇X合金比鋼材的熱膨脹系數(shù)更大、熱傳導(dǎo)性更高。與鋼材相比，鋁合金更易腐蝕，甚至是微量的氫氣都會導(dǎo)致焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔；鋁合金也極易氧化；因此，鋁合金焊接作業(yè)時(shí)一般都采用惰性氣體加以保護(hù)，以避免焊接電弧直接暴露在空氣中，同時(shí)對焊接過程也有嚴(yán)格的時(shí)間要求。一般來說，鋼材只需對10%的焊縫進(jìn)行探傷檢查，而鋁合金則需要對100%的焊縫進(jìn)行探傷檢查。鋁合金一般用著色法進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查，這種方法簡單高效。

由于鋁是一種活性金屬，暴露在空氣中其表面會迅速產(chǎn)生一層氧化膜。在鋁中過飽和地混入鎂，可有效提高合金的機(jī)械強(qiáng)度，但在50℃以上的高溫環(huán)境中，鎂會從混合物中滲出并進(jìn)入晶界，這就是所謂的“敏化”現(xiàn)象（晶間腐蝕）。敏化后的鋁合金可能發(fā)生腐蝕斷裂。這對艦船來說是極其危險(xiǎn)的。所以應(yīng)在艦船設(shè)計(jì)之初就考慮到這一問題。船用鋁鎂合金材料應(yīng)避免長時(shí)間暴露在高溫或陽光直射的環(huán)境里。對于服役多年的鋁合金船體及暴露在高溫或陽光直射環(huán)境里的鋁型材，可通過取樣化驗(yàn)來判定其腐蝕程度。方法如下：提取腐蝕部位的樣品放入酸性溶液中，通過計(jì)算消耗掉的質(zhì)量來判斷鋁合金的腐蝕程度。如果確實(shí)腐蝕嚴(yán)重，必須換掉整張板材。如果腐蝕部位的裂紋長度超過400毫米，且周圍有其他高敏感金屬，也必須換掉整張板材。目前,美國BAE系統(tǒng)船舶修造公司在處理鋁合金材料敏化和裂紋問題方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并指出了產(chǎn)生敏化現(xiàn)象的三大主要原因，一是存在引起敏化反應(yīng)的金屬元素；二是必須承受應(yīng)力，三是必須處于腐蝕環(huán)境中。上述理論為防止敏化發(fā)生提供了技術(shù)支撐，如可使用新型涂料預(yù)防敏化反應(yīng)，這種涂料中含有活性緩蝕劑，可通過改變腐蝕環(huán)境來防止敏化反應(yīng)。

要保證鋁合金焊接質(zhì)量，除了控制好設(shè)備和焊材外，焊接工人的技術(shù)水平也非常重要。挪威船級社就非常重視鋁合金焊接作業(yè)工人的技術(shù)培訓(xùn)，目的是降低人工成本、減少返工和廢料。BAE系統(tǒng)船舶修造公司也非常重視鋁合金焊接人員的培訓(xùn)工作，因?yàn)槠湓S多修理工作都涉及到鋁合金焊接作業(yè)，為此BAE系統(tǒng)船舶修造公司投入巨資購買一套新型鋁材焊接培訓(xùn)設(shè)施，目的是提高培訓(xùn)效率和質(zhì)量，有效提高從事鋁合金焊接人員的施工技術(shù)水平。

“伊麗莎白”號航母下水儀式現(xiàn)場

復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用

相同強(qiáng)度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量只有鋼材的一半，比鋁合金結(jié)構(gòu)輕25%左右。相比之下復(fù)合材料的強(qiáng)度/重量比更高。若采用復(fù)合材料作為船體建造材料，船體自身重量會更輕，在燃油消耗、航速及隱身性等方面性能更優(yōu)。復(fù)合材料既不導(dǎo)電也無磁特征信號，可避免或減少磁感應(yīng)水雷帶來的威脅。雖然復(fù)合材料初期采購成本高一些，但由于復(fù)合材料不會產(chǎn)生疲勞、裂紋、腐蝕等常見問題，大大降低了艦船交付后的維護(hù)費(fèi)用，從而降低了艦船全壽期費(fèi)用。

另一方面，與鋼質(zhì)材料相比，復(fù)合材料的加工方法也有著非常大的差異。但技術(shù)的進(jìn)步使得復(fù)合材料加工更加便捷經(jīng)濟(jì)，可以根據(jù)需要被塑造成各種形狀，而鋼材做到這一點(diǎn)卻非常困難。

美國密西西比州格爾夫波特船廠采用玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)以及諸如巴爾沙輕木等夾芯復(fù)合材料建造了大型船體結(jié)構(gòu)，主要用于海軍掃雷艦建造項(xiàng)目。該船廠目前還在承擔(dān)“圣·安冬尼奧級”（LPD—17）兩棲船塢運(yùn)輸艦全封閉桅桿組件的建造。該船廠還運(yùn)用新型復(fù)合材料參與了“朱姆沃爾特”級（DDG—1000）驅(qū)逐艦機(jī)庫的建造工作。

瑞典考庫姆（kockums)公司有著非常悠久的艦船建造歷史，其于1974年建造的第1艘復(fù)合材料掃雷艦至今仍在作為潛水支援艦服役。該公司最近幾十年仍專注非鋼材料在艦船上的應(yīng)用研究。1995年簽訂了首批2艘“維斯比”級導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦的建造合同，之后又簽訂了3艘，先后完成了瑞典皇家海軍5艘“維斯比”級導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦的建造任務(wù)?；始液＼娨蟠w采用無磁性材料，且維護(hù)成本要低。考庫姆公司在建造該型船時(shí)使用了碳纖維材料，較好地滿足了海軍提出的各項(xiàng)要求，強(qiáng)度和操縱性也很好；碳纖維材料制成的船體構(gòu)件有效減輕了船體自身的重量，可降低50%的重量。采用玻璃纖維夾層結(jié)構(gòu)使船體重量降低了30%。由于復(fù)合材料具有阻尼效應(yīng)，在抗沖擊性能方面比鋁合金和鋼材要好得多。其在紅外輻射、水下噪聲、磁信號等隱身性方面也非常出色。

考庫姆公司近期向印度海軍交付了2批用于建造輕型護(hù)衛(wèi)艦上層建筑用的復(fù)合材料，并準(zhǔn)備向新加坡海軍提供8艘艦船上層建筑用復(fù)合材料。

鈦合金在艦船上的應(yīng)用

鈦合金具有重量輕、強(qiáng)度大、抗腐蝕性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)領(lǐng)域。目前民用飛機(jī)機(jī)體15%由鈦合金組成，但在上世紀(jì)90年代時(shí)還只有2%。而在戰(zhàn)斗機(jī)中，鈦合金所占重量比已達(dá)25%以上。在艦船領(lǐng)域，鈦合金除了應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)、外板、上層建筑外，還應(yīng)用于海水過濾、熱交換和蒸汽輪機(jī)等領(lǐng)域，在有高溫和重量限制的自動化設(shè)備中也廣泛應(yīng)用鈦合金。

鈦合金在水中粘附力較低，不易衍生海洋生物，無需像鋼質(zhì)船那樣在外表面涂裝價(jià)格昂貴的油漆和有毒添加劑，節(jié)省了油漆和涂裝費(fèi)用；艦船服役期內(nèi)也不用像鋼質(zhì)船那樣反復(fù)多次清理海洋生物，不用反復(fù)涂刷油漆，船體外板即使服役很長時(shí)間也不用更換，可大幅降低艦船全壽期費(fèi)用。由于鈦合金的上述特點(diǎn)，使其在水中的摩擦阻力很小，在其他條件相同的情況下艦船的航速更高、油耗更低、碳排放更少、對環(huán)境污染更小，更加符合環(huán)保要求。

美國新奧爾良市海洋工程大學(xué)董平沙（Pingsha Dong)教授執(zhí)教于墨西哥大學(xué)，目前他正帶領(lǐng)一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)從事《鈦合金實(shí)船尺度艙段制造工藝和結(jié)構(gòu)性能研究》科研項(xiàng)目，該項(xiàng)目獲美海軍研究局（ONR）的資助。該項(xiàng)研究旨在確定鈦合金船舶構(gòu)件的最佳建造方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，熔化極惰性氣體保護(hù)焊和摩擦攪拌焊在鈦合金焊接領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。董平沙教授通過研究指出，要將鈦合金廣泛應(yīng)用于艦船建造，其關(guān)鍵點(diǎn)在于研制出船用級鈦合金板，因?yàn)楹娇占夆伜辖鸢宀牧铣杀据^高，船用鈦合金板的加工和維修要求與航空級鈦合金板也有所不同。

據(jù)弗洛里達(dá)州圣露西港Keystone Synergistic公司的Raymond M.Walker介紹，將鈦合金用于艦船設(shè)計(jì)與建造無需研發(fā)新技術(shù)，只需在現(xiàn)有航空級鈦合金材料應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些針對性的改進(jìn)和調(diào)整。

美國德事隆海洋與陸地系統(tǒng)公司專家認(rèn)為，鈦合金初期成本確實(shí)較高，要比鋼材和鋁材貴很多。但鈦合金廢料、余料價(jià)值也很高，可有效抵消一部分初始成本。最重要的是，對于戰(zhàn)斗艦艇來說船體本身占總建造費(fèi)用比例很低，一般只占總成本的10%左右。

綜上所述，復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金等船用新材料的發(fā)展為其在艦船領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，為特種艦船的設(shè)計(jì)建造、常規(guī)艦船的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供了有力的技術(shù)支撐。不僅如此，隨著新型非鋼船用材料制造與加工技術(shù)的進(jìn)步，其費(fèi)用及加工費(fèi)會進(jìn)一步降低，從而在提升艦船性能、降低艦船全壽期費(fèi)用方面發(fā)揮越來越大的作用?！?/p>

2013年10月，“福特”號航母下水