关于铝合金在船舶和海洋工程中应用的研究

作者：张毅

  铝合金用于船舶制造中有如下优点：减轻重量，提高船速，节约燃料；改善船的长宽比，增加稳定性，使船易于操作；易焊接；吸收冲击能力较强。因此，在造船业中铝合金具有很多的应用和发展空间。航母的制造一般体现了一个国家的最高建船水平，铝合金在现役的航母上获得大量的应用，例如，美国“独立”号( CVA62)航母用了1 019 t铝合金，“企业”号核动力航母(CVA65)用了450 t铝合金，法国“福熙”号(R99)及“克里蒙梭” 号( R98)航母上使用的铝合金超过1 000 t。

  此外，由于铝合金具有质量轻、耐蚀性好、易加工成形等特点，使它在海洋工程装备产业高端金属材料中占有重要的地位。

1  船用铝合金

  船舶用耐蚀铝合金主要在Al-Mg系和Al-Mg-Si系中选择，主要产品类型为Al-Mg系板材和型材、Al-Mg-Si系型材。船用铝合金按用途可分为船体结构用铝合金、上层舾装用铝合金。船体结构包括：船侧、船底外板、龙骨、肋板、隔壁等，舾装包括：操舵室、舷墙、烟筒、舷窗、桅杆等。很多国家都采用Al-Mg系合金作为船体结构材料。1966 - 1971年美国建成14艘“阿希维尔”级高速炮艇，主甲板和船底板为12.7 mm厚的5086-H32铝合金，型材用5086-H112铝合金。2003年美国海军装备航速高达78km/h的江海特种作战艇(SOCR)，艇体全部采用铝合金制造。美国铝业公司与美国奥斯达尔公司( Austal USA)签署了为期多年（至2014年）的供应5×××系铝合金造船用薄板与厚板的合同，所造船舶包括商用船与舰艇，包括海军用的高速艇10艘。此外，5052、5454铝合金还用于甲板等。在上层结构中，舷窗采用6063铝合金型材，舷梯、桅杆常采用6061、6063铝合金型材和棒材等。在舾装结构中，常采用由Al-Mg合金挤压成型的整体壁板，能够减少焊接变形而使应力分布更加合理。

  船舶的工作环境要求结构材料要具有一定的力学强度、疲劳强度、伸长率和抗冲击等性能。但高强度铝合金通常很难同时具有优良的耐蚀性和可焊性，因此舰船用铝合金一般选用具有中等强度的耐蚀可焊铝合金。

1.1  船用铝合金的耐蚀性

  铝合金的耐蚀性主要取决于其表面钝化膜的完好程度与破裂后的自我修复能力，海水中的氯离子对钝化膜的破坏尤为强烈，造成了铝合金在海水中钝态不稳定，易产生点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀，有时在某些情况下还会产生晶间腐蚀、应力腐蚀和剥落腐蚀等特殊腐蚀形貌。

Al-Mg系合金中w(Mg)<3%时，对应力腐蚀和剥落腐蚀不敏感；当w( Mg)≥3%时，则会形成沿晶界面的p相网状组织，B相对于基体来说是阳极，优先发生腐蚀，使合金具有极大的腐蚀敏感性。R．Goswami等人针对5083-H131铝合金材料的研究结果表明：将5083-H131铝合金材料在175℃退火处理15 d后，用TEM方法观察到了稳定的B相，其形态、衍射斑点及高分辨图谱如图1所示，同时他们还发现B相容易沿晶界及位错附近析出。20世纪60年代，美国对高镁铝合金采用H116和H117状态，消除了沿晶沉淀网膜，解决了其剥落腐蚀、晶间腐蚀等问题，这是20世纪60年代船用铝合金开发取得的重大进步¨叫。板材加工后要进行稳定化处理以保证耐蚀性，即以H32X状态供应。型材用H112状态（压力加工变形量小、一定程度的冷拔），焊后5 A01铝合金的R，。=300 N／rriff12，R．们2= 150 N／iriff12；5A05铝合金的R．。=250 N/mmz，Ri)o：=100 N/mm2。Carroll M C等人在5083铝合金中添加Zn，由于T相(Mg32( Al，Zri) 49)在晶界及其附近形成，能够使B相的析出受到抑制，从而降低了应力腐蚀敏感性。

  海水流动对船用铝合金在海水中的腐蚀行为具有显著的影响。A．乔治等人研究表明5456-H117铝合金的腐蚀速率取决于海水流速，随流速的增加急剧加大，表面氧化膜在流速超过大约9 m/s时破坏。王日义等人研究了海水流动速率对五种海洋常用铝合金腐蚀的影响。他们发现：5A05和SA30两种铝合金，从静水到最大流速7.6 m/s，腐蚀率都在102mm/a数量级，可认为这两种铝合金腐蚀率对海水流速不是很敏感，是比较耐流动海水腐蚀的材料。同时，在流动海水中，与自然腐蚀电位较正的金属偶合会强烈地加速铝合金的腐蚀。刘宇等人研究了5083铝合金与2205不锈钢在天然海水中的电偶腐蚀行为，5083铝合金与2205不锈钢在海水中形成电偶腐蚀，5083铝合金成了保护2205不锈钢的牺牲阳极材料，不断进行活性阳极溶解，因此在海水环境中应避免两种材料的接触。

缝隙腐蚀是铝合金在海水中一种常见的腐蚀行为，其主要腐蚀区域是船体水线以下装置或结构的缝隙。张晋等人研究了5083和6061铝合金缝隙腐蚀行为，如图2所示。发现Mg2 Si相充当阳极优先腐蚀；Al-Fe-Si相充当阴极相，促使周围基体发生腐蚀，对6061铝合金的腐蚀起到加速作用；最后Al-Fe-Si相发生腐蚀。5083铝合金中，低电位的Al3 Mg2相作为阴极优先腐蚀；Al-Fe-Mn周围基体发生腐蚀；最后Al-Fe-Mn自身发生腐蚀。

目前对船用铝合金的腐蚀防护主要采用阴极保护、防腐涂层、表面处理等技术。Seong-Jong KIM等人研究了船用5052-0铝合金在海水中的力学和电化学性能。图3所示为不同的保护电位下，合金表面腐蚀的微观形貌。发现最优的保护电位范围为-1.3 V~-0.7 V时，能克服诸如点蚀、腐蚀、应力腐蚀开裂和氢脆等行为的发生；美国海军在铝壳体舰中使用对基体有良好附着性的双组分环氧树脂底漆，这种底漆耐水性能优良；H．Allachi F等人研究了海洋环境下的6060铝合金的腐蚀行为，提出一种环境友好型的防腐蚀办法，在w( Cl)=3.5%的NaCl溶液中加入10 -3M CeCl，能够有效抑制合金的点蚀倾向。微弧氧化作为近年来兴起的一种表面处理新技术，在铝合金表面原位形成陶瓷质氧化膜，从而改善合金的耐蚀性。

1.2船用铝合金的力学性能

在船用Al-Mg系合金中，增加镁含量的主要作用是提高材料的强度，但合金化程度较高的材料是有腐蚀倾向的，并且会使加工变得困难。w(Mg)=2. 50%~5%的5052和5083等铝合金，随着镁含量的不同，具有196 N/mm2~ 294 N/mm2的抗拉强度。镁含量高的SA01铝合金具有较高的强度，其加工后的板材力学性能如表1所示。虽然抗拉强度和屈服强度较高，但因为镁含量的增加，使其耐蚀性能下降。通过调整船用5083铝合金的成分，研究出了538铝合金并已得到应用，其屈服强度比5083铝合金的高12%~14%，另外还具有较好的抗疲劳强度和耐腐蚀性能。Al-Mg-Si系合金中，抗拉强度随固溶处理温度的提高和溶质原子的充分固溶而提高，T6状态的铝合金比T4状态的力学性能高。王轶松等人研究了船用6082铝合金的静态力学性能，测出其抗拉强度为309.1 N／mrr12，伸长率为16.4%。SA30铝合金具有良好的抗弹击能力，当5A30铝合金板厚为2 mm、3 mm，子弹从两种角度对板材进行射击，弹孔入射面有明显的塑性变形，孔面周围铝板没有开裂，这防止了舰艇着弹后，飞溅的碎片使艇员受伤，保证了人身安全。

船舶结构往往承受着交变载荷的作用，由于焊接、施工等因素在船舶结构中通常会产生一定尺寸的裂纹或缺陷，在交变应力的作用下，裂纹和缺陷扩展而导致疲劳断裂。高应力低周疲劳对船舶的安全和寿命具有重要的意义，产生低周疲劳时的特点是最大应力能达到或超过材料的屈服强度，应力的持续时间长，疲劳寿命短。彭金波等人对5083-Hlll轧制铝合金板材做了低周疲劳试验，发现在相同的加载条件下，沿轧制方向、与轧制方向呈45。方向以及垂直于轧制方向的响应应力幅无明显的差别，都表现出了明显的循环硬化特性；循环硬化程度均随着应变幅的增大而增加，在应变幅较大时循环硬化一直持续到材料发生破坏，在应变幅较小时会出现循环硬化的稳定现象。石永久等人对6061-T6铝合金进行了疲劳试验，S-N曲线（应力一寿命曲线）如图4所示，发现其对裂纹比较敏感，疲劳特性对加载应力幅值有较大的依赖性。6061-T6铝合金材料的疲劳寿命在120 N/mff12下超过200万次。铝合金材料的疲劳强度大致与抗拉强度成正比，抗拉强度高的疲劳强度也高。

1.3高性能船用铝合金

随着造船业的发展，对速度和承载有特殊要求的船体构件被大量需求。Al-Mg合金热处理不可强化，主要通过加工硬化和微合金化的手段来提高该系合金的综合性能。俄罗斯中央结构材料研究院研制成新型非热处理强化的耐蚀可焊含钪( Sc)Al-Mg系的01575合金等，合金屈服强度为300 N/mm2，抗拉强度为410 N/mm2。在Al-Mg合金中加入微量元素Sc后，在铝合金中形成Al3 Sc相，与母相铝共格，有极大的共格错配，因此对位错及亚晶具有强烈的钉扎作用，从而阻碍晶粒长大，细化晶粒，同时具有强烈的弥散强化的作用，并能显著提高合金的再结晶温度。采用Sc元素合金化后，合金的屈服强度、抗焊接热裂性及耐蚀性提高。尹志民等人研究了添加不同元素的Al-Mg合金的晶粒尺寸，发现Sc与Zr复合添加，合金组分为Al-5 Mg-0. 2Sc-0.  lZr时，晶粒细化最明显，晶粒尺寸达到42 ym，如图5所示。Sc和Zr的复合添加主要形成了Al3( Sc，Zr)粒子，起非均质形核和细化晶粒的作用‘”3。Al，( Sc，Zr)复合相能够有效抑制合金中B相(M9s Al8)的析出，使I3相在合金基体中呈不连续分布，从而降低了合金的腐蚀敏感性。近年来，研究出廉价的Er具有和Sc相似的强化效果，Zhaohe Gao等人研究Er和Zr的复合添加比单独加入Er或Zr的强化效果好。Er元素在铝合金中可形成纳米级Al3 Er强化相，并通过与Zr的复合形成Al3（Zr，Er1一。）复合相，比Al3Sc相具有更好的热稳定性。Van Dalen M E等人研究了Er在Al中的固溶度小于Sc在Al中的固溶度，并且Al3Er尺寸小于Al，Sc粒子尺寸，所以Al3Er可起到更好的弥散强化。利用Er代替Sc也成为一种研究趋势。国内东北轻合金有限责任公司正在研究微合金化成分设计、控制强化相弥散析出等工程应用难题，进而得到新型高强、可焊、耐蚀的Al-Mg-Sc和Al-Mg-Er舰船用铝合金新材料，使高性能铝合金尽早的应用于船舶制造中。

2  铝合金在海洋工程中的应用与发展

  近年来，国家把发展海洋科技、经营海洋、建设海洋强国放在了国家战略的高度。材料是装备制造业发展的关键，铝合金凭借着其比强度高、耐蚀等优点在海洋工程装备领域也得到了广泛应用。

2.1  海上直升机平台的应用

  海上石油钻井平台采用钢作为主要结构材料，因长期暴露于海洋环境中，钢虽然有较高的强度，但也面临着锈蚀、使用寿命短等一系列问题。在海上油气资源开发的基础设施中，直升机停机坪是非常重要的组成部分，它用于直升机的起降，是与陆地保持联系的重要纽带。由于其体积庞大，还应有自重、结构刚度等方面的要求，铝制直升机甲板模块自重轻、强度和刚度好而被广泛应用。

  铝合金直升机平台包括底架和固定于底架上的由铝合金型材拼接而成的甲板块，型材截面类似于“工”字，在上底板和下底板之间设置有带筋板空腔。利用了力学原理和铝合金型材的抗弯强度，满足性能要求的同时，减轻了自重。另外，在海洋环境下，采用铝合金直升机平台易维护，耐蚀性较好；采用型材拼接方式，免于焊接，无焊接热影响区，可延长使用寿命，避免失效。

2.2  LNG（液化天然气）货船上的应用

  随着海上油气资源的不断开发，全世界范围内主要的天然气供应地区和需求地区距离遥远，又往往有大洋相隔，所以目前液化天然气的输送多以远洋船运为主。在LNG船储存罐的设计中，需要低温性能好的金属，而且还应具有一定的强度和韧性。铝合金材料的强度在低温下反而比常温下的高，并且铝合金质量轻，在海洋气氛下耐腐蚀，是在低温情况下使用的理想材料。在LNG船舶和LNG储罐的制造中也大量选用了5083铝合金，尤其是液化天然气最大的进口国日本，从20世纪50年代和60年代建造了一系列LNG储罐和运输船，其中有主体壁结构完全是5083铝合金的LNG储罐，大多数铝合金因为其特有的自重轻和耐腐蚀性成为储罐顶部结构的重要材料。目前，全球只有很少的几个公司可以生产LNG运输船储罐用低温铝材，日本研制的5083铝合金160 mm特厚板，具有良好的低温韧性和疲劳抗性。

2.3在船用码头上的应用

  船用码头设备如跳板、浮桥和过道是由6005A或6060铝合金型材焊接制成的，浮坞是由5754铝合金板焊接而成的不漏水厢体，结构或浮坞都不需要作涂漆或化学处理。

2.4铝合金钻杆

  铝合金钻杆因其具有密度小、重量轻、比强度高、所需回转扭矩小、抗冲击能力强、耐腐蚀性好、与孔壁间摩擦阻力小，在钻机能力一定的情况下，应用铝合金钻杆能够达到钢质钻杆无法达到的井深。目前，铝合金钻杆在石油勘探中已经成功使用，自20世纪60年代以来，铝合金钻杆在苏联地区得到广泛应用，在苏联地区采用铝合金钻杆钻进进尺达到总进尺的70%~75%。在海洋钻井平台中，结合铝合金耐海水腐蚀这一优势，高性能铝合金钻杆在海洋工程中有很大的应用前景。

3  结束语

随着人们对铝合金的研究越来越深入，铝合金在船舶和海洋工程领域中的应用日益增多，也彰显了其作为结构材料的突出地位。作为船体材料时，为船体结构减重，提高稳定性和船速，减少能耗方面做出了突出的贡献。在海洋工程领域，由于铝合金出色的耐腐蚀性能和易加工性能使其应用于海洋基础设施建设。海洋是21世纪世界政治、经济、军事竞争的制高点，海洋事业的发展给铝合金行业带来巨大的发展空间，也提出更高的要求。

4摘要：Al—Mg系和AI-Mg-Si系合金凶具有耐蚀、中等强度、可焊接等优点被广泛用于船舶和海洋工程领域。综述了在船体的不旧部位铝合金的应用情况，船用铝合金的典型腐蚀特征和力学性能，含Sc、Zr、Er高性能船用铝合金的发展。指出轻质、高强度和低成本是当今各类舰船选材的重要依据，介绍了铝合金在海上直升机平台、LNC船储罐材料、码头和海洋钻杆方而的应用与发展。