米乐m6官网登录舰船装备材料体系发展与需求分析

　　由于关系到舰船服役安全性以及技战术水平，舰船材料的研发考核环节众多，周期较长，一般需要经过实验室研究、工业试制、综合性能评价、应用研究考核、模型结构考核及解剖、上舰考核等极为复杂的研制流程，往往从实验室到型号应用需要10 年以上的时间，甚至超过了很多型号的研制周期。目前全世界只有少数工业化强国具备从材料研发、生产、到应用的整体系列配套能力。因此，“材料先行”、“材料体系构建”是各海洋强国都十分重视的基本理念。

　　舰船材料按照平台类型分，有舰船结构材料、动力机电系统材料、水中兵器用材料。按照材料类型分为结构材料、结构/功能一体化材料、特种功能材料3 大类。结构材料又分为船体结构钢、轮机及其他结构钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、特殊性能钢( 防弹、低磁等)、焊接材料、铝合金、铜合金、钛合金等; 结构/功能一体化材料分为树脂复合材料、金属复合材料、阻尼降噪材料等; 特种功能材料分为涂料和涂层、阴极保护材料、电解防污材料、有源声学材料、隐身材料( 吸波、吸声等)、密封材料及胶粘剂、装饰材料、橡胶、耐火及绝缘材料等，共有22 个材料类别约1 000 个牌号。

　　船体结构钢是现代舰船建造最关键的结构材料，也是用量最大的材料，其性能优劣直接关系舰船技战术性能的提高。船体结构钢作为船体结构材料，必须具有足够的强度和韧性、良好的工艺性及耐海水腐蚀性能。第二次世界大战后，世界各军事强国为了满足舰船装备的发展需求，研究开发了系列高强度舰船用钢。

　　美国从第二次世界大战开始发展舰船用钢至今，其舰船船体钢的发展经历了多个阶段。先后选用过碳素船体钢、HTS、HY80、HY100、HSLA80、HSLA100 等多个型号的钢种。其研制应用大致可以分为4 个阶段[1 - 3]：

　　第一阶段 二战期间，美国水面舰船主要选用HTS、A、B、D、E 等高强度及一般强度级别的结构钢作为主船体选材。该阶段钢的主要特点是强度级别不高，合金元素少、碳当量低，故成本低、焊接性好，但其韧性较低、抗弹性差、耐蚀性一般，且钢板厚度较大，但在当时也基本满足了美国水面舰船的使用要求。

　　第二阶段 20 世纪60 年代以后，为了满足发展大型航母和新一代潜艇的需求，在Ni-Cr 系STS 防弹钢的基础上开发出了强度更高、韧性更好的HY 系列高强度结构钢，包括HY80、HY100 及强度更高的HY130 钢。HY 系列钢种为调质型Hi-Cr-Mo 系钢，其主要特点是：①高强度，HY80、HY100 分别为550 MPa、690 MPa 级别; ②Ni、Cr、Mo 等合金元素含量较多，碳当量高，焊接性差，建造成本高; ③钢板规格齐全，水面、水下舰艇结构通用; ④碳含量及碳当量较高，故焊接性差。

　　表1 为20 世纪80 年代美国海军HTS /MS 钢和HY 钢在舰船方面的应用情况。可以看到，HTS /MS 钢在水面舰船上依然是主要且大量应用的钢，而潜艇则以HY80、HY100 钢为主。

　　第三阶段 HY 系列钢虽然强度级别较高，但由于钢中的合金元素如Ni，Cr，Mo 等含量较高，导致该种钢成本高，且对焊接性能要求较高。20 世纪80 年代以后，为了改善海军舰船用钢焊接性能，节约舰船建造成本，又发展了HSLA80、HSLA100 新钢种，以替代对应强度级别的HY80、HY100 钢。图1 显示了690 MPa 级HSLA100 钢近年来在美国海军最新航母建造中的使用情况。可以看出，从CVN74 的少量试用，到CVN75、CVN76、CVN77 扩大采用，经过了10 多年时间。

　　HSLA80、HSLA100 钢主要采取铜沉淀硬化型的强化机理，其主要特点是： ①碳含量及碳当量低，焊接性能好，建造成本低; ②Ni，Cr，Mo 含量较HY 系钢有了不同程度的减少，降低了材料成本。

　　这一阶段的航母船体结构用型钢、铸锻钢及焊接材料仍然沿用了HY 系列的配套材料。为了充分发挥HSLA系列钢所具有的良好焊接性能，同时开发了配套材料。

　　第四阶段 20 世纪90 年代以后，为了发展未来型航母，美国海军关注的焦点变为航母主船体重量越来越重，以及由此带来的航母机动性和有效载荷降低等突出问题。因此，美国海军又相继开发了HSLA65 和HSLA115及10Ni 钢。目前，美国航母主船体用钢主要是HTS、HY80、HY100、HSLA80、HSLA100 等5 种钢混用，并在非主要结构部位考核HSLA65 和HSLA115。

　　美国在发展水面舰船用钢方面有以下4 个特点：①446 MPa强度以下的水面舰船用钢主要是Mn 系钢;②注意改进现役钢种的质量及韧性; ③采用控轧控冷等现代冶金技术，发展新型船体钢，提高钢的强韧性及可焊接性; ④开展新钢种的研究，形成新的系列，旨在降低钢种本身成本及舰船制造成本。

　　美国海军发展的HSLA65、HSLA80、HSLA100、HSLA115 系列易焊接、高强度舰船用钢， 逐步替代传统的HY 系列高强度舰船用钢，成为最新航母建造的主体材料，代表了航母用钢的发展方向。美军在现役航母上大胆考核下一代先进材料的做法， 使得其航母用钢研发和应用发展迅速，体系十分完备，可随时根据需求对设计做出调整。至此， 美国在舰船用钢方面基本形成了一套完整的体系， 以美国海军航母用钢为例， 其材料的发展替代历程如图2所示。

　　除美国外，俄罗斯、日本、法国、英国等国家也开发了系列高强度舰船用钢，如俄罗斯的AK 系列、АБ系列，日本的NS 系列，法国的HLES 系列等，其舰船材料的发展思路大致与美国相仿。国外舰船用钢的总体发展趋势可以概括为以下几点：

　　高强度化 对潜艇来说，提高耐压壳体用钢的强度意味着减少艇体自重，增大下潜深度或增加储备浮力，可大大提高潜艇的技战术性能。对大型水面舰艇来说，提高船板强度意味着船体重量的减轻，可以为舰艇武备升级和全寿命维护节省出宝贵的重量，并显着降低造船成本。

　　易焊接化 为满足航母和大型舰艇的建造需求，改善舰船钢焊接性能是另一个重要方向。如HSLA 系列钢利用微合金化、控轧控冷、时效硬化处理以及超低碳贝氏体组织来满足高强韧性、易焊接性要求，形成了0 ℃、室温焊接不预热等高强度舰船钢系列，显着降低了造船成本、提高了建造效率。

　　现有钢种的改进与完善配套 为满足舰船用钢不断更新换代的要求，世界各国都对现有成熟钢种不断改进提高，进行深化完善的研究工作。如美国HY80 /100钢，自20 世纪50 年代研制成功以来一直在进行改进提高的研究工作，已修订标准11 次，对技术指标要求、冶金工艺方法、化学成份分档、钢板厚度规格、钢中夹杂元素及冶金质量控制等方面进行了深化完善。

　　采用冶金新技术提高舰船用钢性能 舰船用钢的研制、开发和生产水平与一个国家的冶金工业基础密切相关。20 世纪80 年代后，随着超低碳、超纯净钢冶炼、连铸技术和控轧控冷等冶金技术的发展，舰船用钢也朝着高纯净化、高性能方向发展[4]。

　　舰船总体系统对关键材料技术的需求不仅限于高强度、易焊接的高性能结构材料，因此在发展船体结构钢材料的同时，国外也在大力推进其他高性能舰船材料的研发。

　　钛及钛合金 钛及钛合金具有良好的断裂韧性、耐蚀性，高比强度和低磁性等特点，是优秀的海洋合金。俄罗斯在钛合金研制和应用上独树一帜，其技术水平、建造能力和规模在国际上处于领先地位，已基本形成用于船体、船机和动力装置的钛合金系列材料。美国用于舰艇的钛合金主要为中强可焊钛合金。美国将大量钛材用于通海系统的管、泵、阀换热器上，以解决海水腐蚀，从而提高其使用寿命与可靠性。

　　铝合金 铝合金由于具有比重小，比强度、比模量高，耐腐蚀性能好，易加工成型，焊接性能好等优点，在舰船领域得到了广泛的应用，主要用于快艇、高速船、军辅船、航空母舰升降装置、大型水面舰船上层建筑、鱼雷壳体等，铝质船舶也从铆接、铆焊结构发展到全焊结构。多年来，世界各国对船用铝合金的研究与发展都非常重视，在美、日、英等发达国家，舰船用铝合金已成系列，品种配套、规格齐全，已成为海军舰船的主要结构材料之一。目前国外在船舶上应用的铝合金主要有以下几个系列： Al-Mg 系、Al-Mg-Si 系和Al-Zn-Mg系，其中以Al-Mg 系合金在舰船上应用最广泛[5]。

　　铜及铜合金 铜及铜合金具有优异的耐海水腐蚀性、导热性、耐海生物污染性，优异的力学性能、良好的冷热加工性能及铸造性能等，广泛用于舰船螺旋桨，海水管系及其配件、泵、阀、轴套等零部件，潜艇螺旋桨用铜合金还应具备低噪音特性。20 世纪60 ～ 70 年代，英国斯通公司、俄罗斯、美国相继研制出了铸造阻尼Cu-Mn 合金，但使用性能不理想。英国斯通公司提出潜侧式噪音螺旋桨新方案，从精湛的设计技术、新型高阻尼合金和复杂桨叶形状精确制造3 个方面综合控制，共同提高潜艇的隐蔽性能。

　　复合材料 复合材料包括树脂基与金属基复合材料，具有力学性能优良、耐腐蚀、大幅减重、优良的声、磁、电性能等特点，早期应用在小型巡逻艇和登陆舰上。近年来，随着低成本复合材料技术的提高，开始逐渐应用在大型巡逻艇、气垫船、猎雷艇、护卫舰以及上层建筑中。各国海军应用的复合材料制品还包括烟囱、舱壁、甲板、舵等次承载结构，这些材料可降低舰船的雷达信号特征，同时也降低了红外( 热) 信号特征，在结构减重方面所做的贡献非常显着。

　　新型功能材料 除以上材料外，国外还大力发展了诸如防腐涂料、舰船隐身、减振降噪、隔热及其他特种功能材料等新型功能材料。其中防腐涂料： 主要用于舰船上层建筑、舰船内舱、舰船海水管路系统、船体及其附体如舵、减摇鳍、螺旋桨等部位。舰船隐身： 水面舰艇隐身技术的重点集中在雷达波隐身、红外隐身及减振降噪技术上; 国外采取涂敷型吸波材料或结构型吸波材料解决雷达波隐身; 采用特殊涂料解决红外隐身的研究工作正在进行。减振降噪： 减振降噪材料的主要类型包括吸声材料、隔声材料、阻尼材料。隔热材料： 主要用于舱室环境控制，它也是舰船舾装材料的重要组成部分，国外舰船用绝缘隔热材料有无机材料和有机泡沫材料两类。特种功能材料： 包括储氢材料、永磁材料、主动控振智能材料等。

　　为更好地实现减免维护、降低维护成本这一航母腐蚀预防与控制的核心思想，目前美国海军在航母及其他新的舰艇建造和维护过程中，不断研发运用了一系列新材料、新工艺和新技术。

　　新型铸造工艺 在HY-80 /100 钢铸造过程中，美国海军采用了新型压铸工艺以降低成本、提高铸件合格率。新工艺的运用每年可节省成本70 万美元，使大型铸件合格率提升至70% 以上，交货时间降至55 天。

　　新型成型技术 美国海军采用闭塞冷锻技术( CDCF)制造的5 ～ 20 cmCVN-78 航母用Inconel 625 合金管弯。