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??海面戰(zhàn)艦和水下潛艇既是戰(zhàn)斗平臺又是運輸工具，是龐大的綜合體系，需要大量的材料支撐，一種材料無法滿足體系建造的所有需求。雖然不斷開發(fā)的新型非常規(guī)船用材料在低溫韌性、高溫強(qiáng)度、低密度和高熔點等方面性能突出，但研究和使用時間短，應(yīng)用部位有限，各種類型的鋼、鋁合金、銅合金和鈦合金在當(dāng)前及將來很長一段時期內(nèi)仍然是船體結(jié)構(gòu)、管路、冷卻和推進(jìn)等系統(tǒng)中最主要的建造材料。 本文詳細(xì)介紹了截至2012年國內(nèi)外已造及在造艦艇的船體結(jié)構(gòu)、冷卻器、管路和螺旋槳等關(guān)鍵部位的選材和使用情況，并論述了各類合金材料在應(yīng)用中存在的問題和發(fā)展方向。 表5 日本潛艇用鋼的化學(xué)成分 表6 日本潛艇用鋼的力學(xué)性能 表9 部分鋁合金的化學(xué)成分 表10 部分鋁合金的力學(xué)性能 英國在20世紀(jì)80年代建造了全焊氣墊船API88,是當(dāng)時鋁殼氣墊船的最新發(fā)展?殼體采用N8鋁合金,對應(yīng)美國牌號5083,中國舊牌號LF4?型材采用H30,對應(yīng)美國牌號6082?2000年,英國奈杰爾·吉協(xié)會有限公司為美國海軍提出了用于快速運輸?shù)腦-Craft運輸船設(shè)計方案,該船采用雙體船設(shè)計和鋁合金材料,排水量1000t,采用噴水推進(jìn),最高航速約93km/h?該設(shè)計2003年初完成,2004年中期完成建造工作?俄羅斯當(dāng)前已有各種類型的鋁合金高速艇船約1000艘,其使用較多的快艇殼體材料是Al-Cu-Mg系鍛造鋁合金AK2?AK4和AK8,分別對應(yīng)我國的2A90?2A80和2A14?含鈧(Sc)的01575合金屈服強(qiáng)度為300MPa,抗拉強(qiáng)度為410MPa,是近年俄羅斯研制的強(qiáng)度水平最高的耐蝕可焊鋁合金,用于掠海地效翼船等對速度和承載有特殊要求的構(gòu)件,對我國含鈧鋁合金的研究和發(fā)展起到了重要的影響?我國最初用淬火?自然時效態(tài)的LY12即LY12CZ合金(現(xiàn)為2024(GB/T 16474-1996,GB/T 3190-2008)鋁合金)作船體材料,用于水翼快艇的成批建造?之后,我國用7A19超強(qiáng)鋁合金和5A30防銹鋁合金制造全墊升氣墊船和側(cè)壁式氣墊船?20世紀(jì)80年代,我國選用5A30(也稱180?2103?LF16)鋁合金建成了一艘全鋁結(jié)構(gòu)的海港工作艇“龍門”號,這也是目前我國船體結(jié)構(gòu)鋁合金的主要牌號?各合金的成分和性能見表9和表10? 1.3 鈦在艦船結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 鈦及鈦合金雖然屈服強(qiáng)度高,但在焊接時需要惰性氣體保護(hù),成型難度大于鋼材?由于一些艦艇用鋼的屈服強(qiáng)度已能達(dá)到鈦合金的水平,因此一般水面艦艇結(jié)構(gòu)很少用鈦?鈦及鈦合金主要用于潛艇?深潛器等艦艇中,以應(yīng)付同時對屈服強(qiáng)度?密度和耐腐蝕性能要求很高的場合? 一直以來,俄羅斯(前蘇聯(lián))在常規(guī)潛艇?核潛艇和深潛器的建造中都大量使用純鈦及鈦合金,其鈦制艦艇的制造技術(shù)?船用鈦的研究和實際應(yīng)用水平都居世界前列?典型應(yīng)用實例有1968 年12 月下水的K166號試驗艇鈦合金殼體;1984年服役的“共青團(tuán)”號第二代核潛艇鈦合金殼體;1989年全部完成的“臺風(fēng)”級彈道導(dǎo)彈核潛艇鈦制主耐壓艇體?耐壓中央艙段?魚雷艙和第二代攻擊核潛艇“阿爾法”級ΠT-3B鈦合金耐壓殼體?俄羅斯目前擁有490MPa?585MPa?686MPa?785MPa強(qiáng)度級別的船用鈦合金系列,常用的有船體用鈦合金пт-1м,船機(jī)用鈦合金пт-7м,船舶動力裝置用鈦合金40?пт-3B?5B等,其成分和力學(xué)性能見表11(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)和表12?但因鈦合金的制造成本高?加工難度大等原因,在2009年開始建造的擬替代前蘇聯(lián)潛艇的“亞森”級核潛艇第二艘“喀山”號上,殼體材料選用了更先進(jìn)的特種材料,其消磁效果與承壓能力等都接近于鈦合金,但價格僅為鈦合金的幾分之一,加工難度也小得多? 美國船用結(jié)構(gòu)鈦合金主要為一?二?三級工業(yè)純鈦(ASTM 標(biāo)準(zhǔn))?深潛器耐壓殼體除Ti-6Al-4V外,還有可潛6100m深的Seacliff載人深潛器上使用的近α型的Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo?此外,法國建造的SM97耐壓殼和日本建造的“深海6500”級深海考察船的耐壓殼使用的是含有很少間隙元素的低間隙Ti6Al4VELI合金?上述合金的成分和力學(xué)性能見表11和表12? 表11 船體結(jié)構(gòu)用鈦合金的主要成分 表12 船體結(jié)構(gòu)用鈦合金的強(qiáng)度性能 我國于20世紀(jì)80年代設(shè)計了新型Ti80合金用于制造深潛器和潛艇的耐壓殼體,該合金具有高強(qiáng)?高韌?耐蝕?可焊等優(yōu)異性能,在抗拉強(qiáng)度880~925 MPa?屈服強(qiáng)度785~885MPa的條件下,斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力明顯優(yōu)于Ti6Al4VELI合金?20世紀(jì)90年代設(shè)計的Ti91鈦合金,屈服強(qiáng)度為700MPa,攻克了雙曲成型?組焊等技術(shù)難題,成功制備出了鈦合金聲納導(dǎo)流罩?Ti80和Ti91合金設(shè)計后的大量應(yīng)用研究工作都是在隨后的若干年間持續(xù)開展的,2000年后陸續(xù)批量生產(chǎn)并投入使用? 2、輸艦船冷卻器用合金材料 冷卻設(shè)備是艦船冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，各類冷卻設(shè)備用冷凝管在我國造船業(yè)中每年消耗量約6萬t。冷凝管選材多從導(dǎo)熱、耐蝕和可焊角度考慮，選擇綜合性能好的銅、雙相不銹鋼和鈦等。在當(dāng)前艦船中主要應(yīng)用的是銅制冷凝管，鈦因極其優(yōu)異的耐蝕性能被逐漸廣泛使用，而雙相不銹鋼的應(yīng)用當(dāng)前處于試驗階段，應(yīng)用較少。 2.1 銅在艦船冷卻器上的應(yīng)用 我國科研工作者通過對不同水質(zhì)條件下銅及銅合金的耐蝕性能進(jìn)行深入研究,先后研制出適合不同海域水質(zhì)的鋁黃銅HAL77-2(對應(yīng)美國ASTM C68700)?砷黃銅HSn70-1(對應(yīng)美國ASTM C44300)以及添加了Mn?Ni和微量稀土元素Ce的HSn70-1AB銅合金,其強(qiáng)度和耐蝕性能進(jìn)一步提高?HAL77-2?HSn70-1已列入國標(biāo)GB/T 5231-2001《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》,HSn70-1AB則增補(bǔ)進(jìn)入修訂后的國標(biāo)?雖然HAL77-2?HSn70-1以及HSn70-1AB具有較優(yōu)的耐蝕性能,但與銅鎳合金相比,黃銅抗脫鋅腐蝕和應(yīng)力腐蝕的能力還有一定差距,目前逐漸被鐵白銅代替? 當(dāng)前海水淡化設(shè)備?大面積浸泡于海水受海水腐蝕的船舶領(lǐng)域大量使用BFe10-1-1(對應(yīng)美國ASTM C70600)和BFe30-1-1(對應(yīng)美國ASTM C71500)銅鎳合金?針對含砂量大的海域,通常采用耐砂蝕性能更好的BFe30-2-2合金(對應(yīng)美國ASTM C71640)?我國艦船“09”工程等即以BFe30-2-2作為冷凝管用材料?此外,我國近2年針對上述銅合金開發(fā)出了生產(chǎn)長度超過18m 的超長銅合金冷凝管的加工工藝,大大提高了銅冷凝管在艦船中的應(yīng)用水平?常見的艦船冷凝器用銅合金的成分見表13(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)? 表13 艦船冷凝器用冷凝管／板合金及成分 2.2 鈦在艦船冷卻器上的應(yīng)用 由于鈦及鈦合金在海水中具有比其他合金更優(yōu)異的耐蝕性能,且與常用的銅合金相比其強(qiáng)度高?密度低,可通過減薄管壁厚度和增加海水流速來保證傳熱效率?據(jù)報道,在發(fā)達(dá)國家,鈦制換熱器被普遍使用,在核潛艇等對設(shè)備安全運行可靠性有高要求的應(yīng)用領(lǐng)域,其應(yīng)用更受重視?當(dāng)前美國應(yīng)用最廣泛的是工業(yè)純鈦(Grade 2,ASTM B338-2010),溫度比較高的海水換熱器使用Grade 16?Grade 17或Grade 12(ASTM B338-2010)?Grade 7(ASTM B338-2010)具有更高的抗腐蝕能力,但是成本較高?事實表明,Grade 1和Grade2等工業(yè)純鈦在天然水?海水和各種氯化物中具有特殊的抗應(yīng)力腐蝕的能力?在海水流速為3~5m/s的淡化設(shè)備中,鈦換熱器的污堵系數(shù)僅為0.95~0.99?我國也成功研制出一些性能優(yōu)異的鈦合金,如Ti31低強(qiáng)鈦合金,其用于余熱排出冷卻器?管路等,工作環(huán)境為高溫海水或常溫高速海水,耐180℃高溫腐蝕?部分冷卻器用鈦合金的成分見表13? 2.3 不銹鋼在艦船冷卻器上的應(yīng)用 不銹鋼材料由于耐腐蝕能力強(qiáng),6~7m/s高海水流速下的腐蝕性能與鈦相近,經(jīng)濟(jì)性與銅-鎳白銅相當(dāng),一直以來也被用于冷卻器管路?其中6Mo高合金不銹鋼在整個歐洲?加拿大?中東?美國應(yīng)用較為普遍,用來制造板式?管式換熱器,但多見用于濱海電站等領(lǐng)域,用于艦船的報道較少? 超低碳高鉻(H)?雙相(D)?耐蝕(R)不銹鋼是近十幾年來開發(fā)的一種新型不銹鋼材料?HDR不銹鋼可抗點蝕?縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕,耐沖刷腐蝕性能也很優(yōu)秀,已在某船的空調(diào)海水管路等部位試用17年,運行良好,管內(nèi)外無腐蝕跡象? 聲明：以上所有內(nèi)容源自各大平臺，版權(quán)歸原作者所有，我們對原創(chuàng)作者表示感謝，文章內(nèi)容僅用來交流信息所用，僅供讀者作為參考，一切解釋權(quán)歸鎂途公司所有，如有侵犯您的原創(chuàng)版權(quán)請告知，經(jīng)核實我們會盡快刪除相關(guān)內(nèi)容。 鳴謝：鎂途公司及所有員工誠摯感謝各位朋友對鎂途網(wǎng)站的關(guān)注和關(guān)心，同時，也誠摯歡迎廣大同仁到網(wǎng)站發(fā)帖、投稿，宣傳您的企業(yè)、觀點及鎂人鎂事。 |
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