船用铝合金的应用与发展

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船用铝合金的应用与发展

铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，其中变形铝合金在造船中应用更为广泛。

由于铝合金具有比强度高、耐海水腐蚀性能好、可焊接、易加工成形、无低温脆性、无磁性等特性，在造船中应用可有效减轻舰船的质量、提高稳定性、增大航速等。因此，当前铝合金在世界许多国家已成为舰船的主要结构材料之一。变形铝合金在各国造船中的应用，从大型水面舰船上层建筑，上千吨的全铝海洋研究船、远洋商船和客船的建造，到水翼艇、气垫船、旅客渡船、双体客船、交通艇、登陆艇等各类高速客船和军用快艇上都使用了一些变形铝合金。

铸造铝合金主要用于泵、活塞、晒装件及鱼水雷壳体等部件。目前，铝在船舶舰艇制造中的用量不多，就全世界来说，其用量仅占2013年铝消费总量的1.7%左右。今后，铝在船舶舰艇中的用量会有较大增长，但2025年前的年平均增长率不会超过7.5%。

最早应用于船舶上的铝合金为含Ni的Al-Cu系合金，继而采用的是2xxx系铝合金，但这些合金主要的缺点是抗腐蚀性能差，因而也限制了在造船中的应用。

20世纪30年代，采用6061-T6铝合金，并用铆接方法构造船体。40年代，开发出了可焊、耐蚀的5xxx系铝合金，50年代开始采用TIG焊接技术，这一时期铝合金在造船上的应用进展很快。20世纪60年代，美国海军先后开发出5086-H32和5456-H321铝合金板材、5086-H111和5456-H111铝合金挤压型材，由于采用了H116和H117状态，消除了沿晶沉淀网膜，解决了它们的剥落腐蚀和晶间腐蚀问题，这是60年代船用铝合金的开发取得的重大进步[1,2]。随后，由于需要屈服强度更高的材料，于是在造船中又广泛应用了耐海水腐蚀性能良好的6xxx系铝合金，在较长的一段时间内，船体铝合金主要在5xxx系铝合金和6xxx系铝合金中选择。而苏联则较多地选择2xxx系铝合金作为快艇壳体材料。近些年来对中强可焊的7xxx系铝合金的研究日益增多，并取得一些进展，已在造船中得到应用和发展。20世纪70年代以后，船舶结构的合理化和轻量化越来越被重视，大型舰船的上层结构和晒装件开始大量使用铝合金。为此，这一时期开发出许多上层结构和舾装用铝合金，其中包括特种规格的挤压型材、大型宽幅挤压壁板和铸件等。

在日本主要用5083，5086及6N01铝合金，而结构上使用的几乎全为5083铝合金，但应控制镁的质量分数在4.9%以下，以防应力腐蚀开裂(SCC)，但美国也用5456铝合金，其镁含量比5083铝合金的高，不过应采取防止应力腐蚀的热处理措施。

（舰船用铝合金按用途可分为船体结构铝合金、舾装铝合金和焊接添加用铝合金，其JIS标准规定的化学成分如表1-1所示[3]。

表1-1 JIS标准规定的船用铝合金化学成分（质量分数/%）

在舾装铝合金中，经阳极氧化处理的6063-T5铝合金挤压型材主要用于框架结构，H14、H24的工业纯铝和3203铝合金等的板材主要用于舱室内壁等内装结构，铸造性能优良的AC4A和AC4C铝合金铸件主要用于舾装件。AC7A铝合金具有很强的抗腐蚀性能，可望在舰船中应用，但它的铸造性能较差，铸件成本很高，在船舶上的使用少。

中强A1-Zn-Mg系铝合金热处理后的强度和工艺性能比Al-Mg系铝合金的还优越，并且可焊和有一定的抗蚀性，受到造船业的青睐。例如舰艇的上层结构可以用7004和7005铝合金，装甲板可用7039铝合金[4]。此外该系合金还可以用来制作涡轮、引导装置、容器的顶板和侧板等。但无铜的Al-Zn-Mg系合金的缺点是对SCC较为敏感，而且焊缝对SCC、剥落腐蚀和存放裂纹也较为敏感。

目前，在船壳体结构上用的铝合金主要是5083，5086和5456，它们的力学性能、耐腐蚀性和可焊接性能都很好。挪威船业协会规定使用5454铝合金，其板材的抗拉强度与5086铝合金的相同。而美国则主要采用5456铝合金，但最近在高速艇上使用5086-O铝合金板材和5086-H111铝合金挤压型材。

A1-Mg-Si系合金由于在海水中会发生晶间腐蚀，所以主要用于船舶的上部结构。日本在舰船的上部结构中使用6N01-T5铝合金，而美国则用6061-T6铝合金大型薄壁型材。考虑到6061-T6合金在战前和战后应用的实际情况，目的是使减轻船体的重量[5]，在较长的一段时间内，船体用铝合金主要在A1-Mg系合金和A1-Mg-Si系合金中选择。

参考文献

[1] 何健伟, 王祝堂, HEJian-wei,等. 船舶舰艇用铝及铝合金(2)[J]. 轻合金加工技术, 2015(9).
[2] 赵勇, 李敬勇, 严铿. 铝合金在舰船建造中的应用与发展[J]. 船舶物资与市场, 2005, 000(001):9-11.
[3] 金子孝雄, 竹内腾治. 轻合金溶接[M], 东京: 出版社不详, 1992: 166.
[4] 林肇琦, 几种船用铝合金研究工作的进展[M], 东北大学内部资料, 1981.
[5] 李念奎. 铝在船舶上的应用(1) (开发铝材新品种•扩大铝材新用途•拓宽铝材新市场系列文章之十三)[J]. 轻合金加工技术, 1993(08):3-9.