艦船與海洋工程鋁合金

鋁合金可分成兩類：一類為變形鋁合金，用于加工板、帶、箔、管、棒、型、線、粉、鍛件等半成品；另一類為鑄造鋁合金，用于鑄造各種鑄件與壓鑄件。其中前者在海洋工程中用得最為廣泛。由于鋁合金具有比強度高、抗海水腐蝕性強、可焊接、易加工成形、回收性強、環(huán)保性好、無低溫脆性、無磁性、磁撞時不產(chǎn)生火花等特性，在海洋工程中的應(yīng)用可有效減輕艦船質(zhì)量、提高穩(wěn)定性、增大航速等。因此，當(dāng)前鋁合金在世界許多國家已成為艦船主要結(jié)構(gòu)材料之一，并廣泛用于建造海岸、濱湖、濱江設(shè)施等。圖1為濱海建筑物的鋁結(jié)構(gòu)，由于鋁材的抗蝕性高，不需要涂油漆，不需要保維護保養(yǎng)，可使用30年。鋁材在碰撞時不產(chǎn)生火花這一特性使它特別適合于制造與易燃物資及油品接觸的艦船零配件及結(jié)構(gòu)，可以大大降低著火的危險性。

鋁合金在艦船上的用量

目前，鋁在艦舶艦艇制造的用量不多，就全世界來說，2013年的用量占其總消費量的1.1%左右。2012年日本國內(nèi)軋制鋁材消費量974.4kt，其中交通運輸消費量159.0kt（汽車工業(yè)139.0kt，占87.42%，擠壓鋁材國內(nèi)消費量784.5kt，其中交通運輸量141.9kt（汽車工業(yè)131.6kt，占92.94%），這兩種鋁材在交通運輸領(lǐng)域的用量占總消費量的17.11%，而汽車工業(yè)的用量則占交通運輸用材的89.93，航空工業(yè)與海洋工程的用量還不到10%，日本是一個航空航天工業(yè)不發(fā)達的國家，所以在交通運輸用的鋁材中，估計海洋工程的用量也不會超過5%，日本的鋁材消費量早已進入平穩(wěn)階段，自2004年以來海洋工程及艦船的用量一直20kt/a左右徘徊。在所用的鋁材中，厚板為主，約占88%，擠壓材為輔，但濱海設(shè)施用的多為擠壓材。

中國艦船用鋁合金結(jié)構(gòu)與日本有所不同，日本是LNG（液化天然氣）船制造大國，船上有4個巨大的用5083合金厚板焊接的LNG罐，厚板用量約4kt/條船，中國造LNG船用的是元低溫脆性的Fe-Ni-Mn鋼，中國僅一些厚板制造中小型艦艇，據(jù)估計2014年中國造船工業(yè)用的鋁材不到230kt，還不到鋁材總表觀消費量的1%。不過，隨著中國向海洋大國前進腳步的加快與加大，鋁在船舶艦艇與海洋工程中的用量會有較大增長，但2025年前的年平均增長率也不會超過7.5%。

艦船鋁合金的發(fā)展

鋁的工業(yè)化生產(chǎn)始于全世界首個鋁廠——美國匹茲堡冶金公司1988年的建成投產(chǎn)，1891年造船業(yè)第一次應(yīng)用該廠生產(chǎn)的鋁制造船用零件，經(jīng)過120多年的研究和發(fā)展，鋁材在船舶艦艇上的應(yīng)用與在海洋工程中的應(yīng)用越來越廣泛，并成為這些部門很有發(fā)展前途的材料之一。

最早用于造船的鋁合金為含Ni的Al-Cu系合金，繼而采用的為2XXX系合金，不過它們抗海水腐蝕性能不高，限制了它們在造船工業(yè)中的應(yīng)用。

上世紀(jì)30年代開始采用6061-T6合金，并用鉚接法構(gòu)造船體。40年代可焊耐腐蝕的5XXX系合金，50年代開始采用TIG（鎢惰性氣體）焊技術(shù)，這一時期鋁合金在造船上的應(yīng)用取得長足進展。60年代，美國海軍先后開發(fā)出Al-Mg系的5086-H32和5456-H321合金板材、5086-H111和5456-H111合金擠壓型材，由于采用了H116和H117狀態(tài)，消除了沿晶沉淀的Al8Mg5化合物網(wǎng)膜，解決了它們的剝落腐蝕和晶間腐蝕問題，這是60年代來艦船鋁合金研發(fā)方面取得的具有里程碑意義的重大進步。隨后，由于需要屈服強度更高的材料，于是在艦船制造中廣泛應(yīng)用了6XXX系合金，在較長的一段時間內(nèi)，歐、美、日等國家主要在5XXX系合金和6XXX系合金中選擇船體鋁合金，而蘇聯(lián)則較多地選擇2XXX系合金。中國艦船工業(yè)在改革開放前以跟蹤蘇聯(lián)為主，1980年以來又較多地跟蹤歐、美、日等國的，2010年以后自主創(chuàng)新逐步加強。上世紀(jì)70年代以來，對中強可焊的7XXX系合金的研究日益增多，并取得一些進展，已在艦船制造中得到應(yīng)用。

上世紀(jì)70年代以后，艦船結(jié)構(gòu)的合理化和輕量化越來越被重視，大型艦船的上層結(jié)構(gòu)和舾裝件大量使用鋁合金。為此，這一時期開發(fā)出許多有關(guān)這些領(lǐng)域用的鋁合金和材料，其中包括特種規(guī)格的擠壓型材、大型寬幅擠壓壁板和鑄件等。