非钢材料：现代舰船新选择

王婧涵/大连理工大学附属高中

王晓旭/海军驻四二六厂军事代表室

非钢材料：现代舰船新选择

王婧涵/大连理工大学附属高中

王晓旭/海军驻四二六厂军事代表室

“戴高乐”号航母

新型材料性能的提高和加工工艺的改善，使其很好地满足了舰船设计与建造要求，并有助于提升舰船性能、降低其全寿期费用。

众所周知，绝大多数海军舰船由钢材建造。不过，有些具有特殊要求的舰船需要非钢材料，如扫雷舰、小型游艇等。不仅如此，即使是钢制舰船，其上的某些部位也可能需要使用非钢材料。

近年来，随着材料技术的飞速发展，非钢材料性能大幅提升，材料费及加工费却有所降低。复合材料、铝合金、钛合金等新型材料性能的提高和加工工艺的改善，使其很好地满足了舰船设计与建造要求；且非钢材料的低磁、轻便、防腐等性能，也是钢材所达不到的。因此，近年来，新型材料在舰船上得到了越来越多的应用。不仅如此，由于复合材料、铝合金、钛合金等材料具备钢质材料所不具备的一些优点，因此，舰船若采用此类材料，虽然初期建造成本较高一些，但全寿期成本费用却低于钢质船。

铝合金在舰船上的应用

与钢材相比，铝合金具有一些明显的优点，如比钢材更轻、更易于弯曲、或挤压成多种复杂的形状。缺点是铝合金的焊接难度更大、对焊工技术水平要求更高。这是因为铝合金比钢材的热膨胀系数更大、热传导性更高。与钢材相比，铝合金更易腐蚀，甚至是微量的氢气都会导致焊接时产生气孔；铝合金也极易氧化；因此，铝合金焊接作业时一般都采用惰性气体加以保护，以避免焊接电弧直接暴露在空气中，同时对焊接过程也有严格的时间要求。一般来说，钢材只需对10%的焊缝进行探伤检查，而铝合金则需要对100%的焊缝进行探伤检查。铝合金一般用着色法进行焊接质量检查，这种方法简单高效。

由于铝是一种活性金属，暴露在空气中其表面会迅速产生一层氧化膜。在铝中过饱和地混入镁，可有效提高合金的机械强度，但在50℃以上的高温环境中，镁会从混合物中渗出并进入晶界，这就是所谓的“敏化”现象（晶间腐蚀）。敏化后的铝合金可能发生腐蚀断裂。这对舰船来说是极其危险的。所以应在舰船设计之初就考虑到这一问题。船用铝镁合金材料应避免长时间暴露在高温或阳光直射的环境里。对于服役多年的铝合金船体及暴露在高温或阳光直射环境里的铝型材，可通过取样化验来判定其腐蚀程度。方法如下：提取腐蚀部位的样品放入酸性溶液中，通过计算消耗掉的质量来判断铝合金的腐蚀程度。如果确实腐蚀严重，必须换掉整张板材。如果腐蚀部位的裂纹长度超过400毫米，且周围有其他高敏感金属，也必须换掉整张板材。目前,美国BAE系统船舶修造公司在处理铝合金材料敏化和裂纹问题方面积累了丰富的经验，并指出了产生敏化现象的三大主要原因，一是存在引起敏化反应的金属元素；二是必须承受应力，三是必须处于腐蚀环境中。上述理论为防止敏化发生提供了技术支撑，如可使用新型涂料预防敏化反应，这种涂料中含有活性缓蚀剂，可通过改变腐蚀环境来防止敏化反应。

要保证铝合金焊接质量，除了控制好设备和焊材外，焊接工人的技术水平也非常重要。挪威船级社就非常重视铝合金焊接作业工人的技术培训，目的是降低人工成本、减少返工和废料。BAE系统船舶修造公司也非常重视铝合金焊接人员的培训工作，因为其许多修理工作都涉及到铝合金焊接作业，为此BAE系统船舶修造公司投入巨资购买一套新型铝材焊接培训设施，目的是提高培训效率和质量，有效提高从事铝合金焊接人员的施工技术水平。

“伊丽莎白”号航母下水仪式现场

复合材料在舰船上的应用

相同强度的复合材料结构重量只有钢材的一半，比铝合金结构轻25%左右。相比之下复合材料的强度/重量比更高。若采用复合材料作为船体建造材料，船体自身重量会更轻，在燃油消耗、航速及隐身性等方面性能更优。复合材料既不导电也无磁特征信号，可避免或减少磁感应水雷带来的威胁。虽然复合材料初期采购成本高一些，但由于复合材料不会产生疲劳、裂纹、腐蚀等常见问题，大大降低了舰船交付后的维护费用，从而降低了舰船全寿期费用。

另一方面，与钢质材料相比，复合材料的加工方法也有着非常大的差异。但技术的进步使得复合材料加工更加便捷经济，可以根据需要被塑造成各种形状，而钢材做到这一点却非常困难。

美国密西西比州格尔夫波特船厂采用玻璃纤维、碳纤维增强以及诸如巴尔沙轻木等夹芯复合材料建造了大型船体结构，主要用于海军扫雷舰建造项目。该船厂目前还在承担“圣·安冬尼奥级”（LPD—17）两栖船坞运输舰全封闭桅杆组件的建造。该船厂还运用新型复合材料参与了“朱姆沃尔特”级（DDG—1000）驱逐舰机库的建造工作。

瑞典考库姆（kockums)公司有着非常悠久的舰船建造历史，其于1974年建造的第1艘复合材料扫雷舰至今仍在作为潜水支援舰服役。该公司最近几十年仍专注非钢材料在舰船上的应用研究。1995年签订了首批2艘“维斯比”级导弹护卫舰的建造合同，之后又签订了3艘，先后完成了瑞典皇家海军5艘“维斯比”级导弹护卫舰的建造任务。皇家海军要求船体采用无磁性材料，且维护成本要低。考库姆公司在建造该型船时使用了碳纤维材料，较好地满足了海军提出的各项要求，强度和操纵性也很好；碳纤维材料制成的船体构件有效减轻了船体自身的重量，可降低50%的重量。采用玻璃纤维夹层结构使船体重量降低了30%。由于复合材料具有阻尼效应，在抗冲击性能方面比铝合金和钢材要好得多。其在红外辐射、水下噪声、磁信号等隐身性方面也非常出色。

考库姆公司近期向印度海军交付了2批用于建造轻型护卫舰上层建筑用的复合材料，并准备向新加坡海军提供8艘舰船上层建筑用复合材料。

钛合金在舰船上的应用

钛合金具有重量轻、强度大、抗腐蚀性好、寿命长等优点，被广泛应用于很多工业领域。目前民用飞机机体15%由钛合金组成，但在上世纪90年代时还只有2%。而在战斗机中，钛合金所占重量比已达25%以上。在舰船领域，钛合金除了应用于船体结构、外板、上层建筑外，还应用于海水过滤、热交换和蒸汽轮机等领域，在有高温和重量限制的自动化设备中也广泛应用钛合金。

钛合金在水中粘附力较低，不易衍生海洋生物，无需像钢质船那样在外表面涂装价格昂贵的油漆和有毒添加剂，节省了油漆和涂装费用；舰船服役期内也不用像钢质船那样反复多次清理海洋生物，不用反复涂刷油漆，船体外板即使服役很长时间也不用更换，可大幅降低舰船全寿期费用。由于钛合金的上述特点，使其在水中的摩擦阻力很小，在其他条件相同的情况下舰船的航速更高、油耗更低、碳排放更少、对环境污染更小，更加符合环保要求。

美国新奥尔良市海洋工程大学董平沙（Pingsha Dong)教授执教于墨西哥大学，目前他正带领一个科研团队从事《钛合金实船尺度舱段制造工艺和结构性能研究》科研项目，该项目获美海军研究局（ONR）的资助。该项研究旨在确定钛合金船舶构件的最佳建造方法。通过研究发现，熔化极惰性气体保护焊和摩擦搅拌焊在钛合金焊接领域展现出了巨大的潜力。董平沙教授通过研究指出，要将钛合金广泛应用于舰船建造，其关键点在于研制出船用级钛合金板，因为航空级钛合金板材料成本较高，船用钛合金板的加工和维修要求与航空级钛合金板也有所不同。

据弗洛里达州圣露西港Keystone Synergistic公司的Raymond M.Walker介绍，将钛合金用于舰船设计与建造无需研发新技术，只需在现有航空级钛合金材料应用技术的基础上进行一些针对性的改进和调整。

美国德事隆海洋与陆地系统公司专家认为，钛合金初期成本确实较高，要比钢材和铝材贵很多。但钛合金废料、余料价值也很高，可有效抵消一部分初始成本。最重要的是，对于战斗舰艇来说船体本身占总建造费用比例很低，一般只占总成本的10%左右。

综上所述，复合材料、铝合金、钛合金等船用新材料的发展为其在舰船领域的应用提供了可能，为特种舰船的设计建造、常规舰船的特殊结构设计等提供了有力的技术支撑。不仅如此，随着新型非钢船用材料制造与加工技术的进步，其费用及加工费会进一步降低，从而在提升舰船性能、降低舰船全寿期费用方面发挥越来越大的作用。★

2013年10月，“福特”号航母下水