船舶与海洋工程中铝合金的运用研究

2023-03-25胡海亮

舰船科学技术 2023年4期

胡海亮

(中国船级社北海办事处, 广西北海 536000)

0 前言

建造材料对船舶的质量以及性能起到关键作用，因此，选择建造材料时既要考虑耐腐蚀性也要考虑强度，要能有效地抵抗大气、海水和雨水的腐蚀，还要具有良好的抗冲击性和抗压性，用来保护船只，减少外界对船舶的冲击损害[1-3]。

船舶在海上行驶还需要考虑自身的重量问题，铝合金其中一个特性就是重量轻，强度大，因此可以提高船舶的轻便性，同等情况下船舶的速度更高，油耗量减少，增加船舶整体的稳定性。此外，船舶较为轻便，也有利于控制室操作，从而增加船载量，为海运提供更多的装载空间，节约成本，提高利润。由此可见，加快铝合金的应用研究，使其特性被广泛应用于造船业，对技术与经济的发展，将起到不小的推动作用。

1 船用铝合金

1.1 船用铝合金的耐腐蚀性

铝是一种比较常见的金属材料，它拥有很多优点，如材料比较轻质、更容易被加工，以及较好的韧性和耐腐蚀性。当然铝虽然拥有较好的耐腐蚀性，但仍然会受到腐蚀，因此会影响其物理性能以及外观。所以，了解铝制品其耐腐蚀机制尤为重要。铝作为一种化学原材料，当它在空气中存放，随着时间的推进也会产生化学反应，而该反应的产物就是人们所需要的氧化铝[4-5]。

氧化铝会覆盖在铝的表面形成一种致密的膜类物质，而这层膜就是氧化铝膜，也是耐腐性的根本。氧化铝的化学方程式如下式：

该反应视为一种氧化还原反应，其中铝作为氧化剂，氧气作为还原剂，生成了氧化铝（Al2O3）。而氧化铝这一材料，其表面十分致密，在实际应用中可以有效阻止空气中的水分以及其他的有害物质渗入到铝表面，从而减少铝的腐蚀。此外，氧化铝还具有导电性，能有效防止被电腐蚀，还可以吸收电荷以此阻止正电荷累计到铝表面，以此有效防止电荷带来的腐蚀性，从而防止铝的腐蚀，延长铝制品的使用寿命。该材料具体如图1 所示。

根据上述描述可见，铝制品的耐腐蚀性主要取决于氧化铝化学反应后产生的氧化铝膜，使得氧化铝不仅有着紧凑的结构并具有高度耐腐蚀性，正因如此才能有效的阻止氧化物轻易进入铝的表面，从而防止铝的进一步腐蚀。由此可见，铝制品的耐腐蚀性主要取决于氧化铝的结构，其化学方程式为：

1.2 铝合金的运用优势

船用铝合金与钢进行对比，铝合金船无论在强度还是刚度上，都与钢材质相当。而铝合金船则极大显现出了重量轻的特点。通过计算铝合金重量进行对比，质量公式为：

式中：M为质量；ρ为密度；V为体积。铝合金的密度ρ为2.7g/cm3；铝合金的体积V=长*宽*高，代入计算得V=60*80*85=40 cm3。

综上所述，船舶中使用铝合金为原材料对轻便性有关键作用，所以在其他材质都相同的情况下，铝材质的船更为轻便，图2 为铝材与钢材的对比图。铝合金的轻便性使得船舶的油耗减少，速度也会提高，所以在同样的油量下续航更高，从而提高了铝合金船舶的性价比。

图2 铝材与钢材的对比图Fig. 2 Comparison between aluminum and steel

铝合金的强度方程如下式

可进一步归一化计算得到：

1.3 船用铝合金的性价比

船用铝合金不仅拥有耐腐蚀性以及重量更轻的优点，还有较高的成形性易焊接性。铝合金加工成形度好，针对船舶在海洋航行过程中对水阻力的影响，需要对船舶流线化格外关注，而铝合金易加工这一特性就恰好满足，铝合金可以加工成各种不同类的型材；船舶自身需要多种不同类型的型材，铝合金更加容易焊接，也可以减少焊缝数以此来提高安全性。船舶航行过程中风浪的影响一直都是一个难点，而铝合金弹性模量小可以减少冲击力，使得航行时的阻力更小，航行更安全。船舶制造时也会产生很多的边角料，铝材质更容易回收，因此更绿色环保；没有虫害，与最初用木质等材料做船舶来对比，木质更容易受潮，产生虫害影响使用。

铝合金还有一个重要特性就是可以通过加工形成其他各种合金，如镁铝合金、合金钢等，而通过加工形成的铝合金性能对比优质的合金钢也毫不逊色。

在海洋工程中，成本最大的就是材料成本，材料主要有钢材、铝材、焊料、涂料等，其他原材料品种繁多、数量偏少，不作为主要成本关注点。主要原材料计算公式为：

式中：Pi为各主要材料数量；μi为各主要材料单价；r为其他材料占比。

因为铝合金的性价比较高，可以增加铝合金材料的使用，减少其他的材料成本，提供更高的性价比。铝合金中其他金属含量对性价比的影响如图3 所示。

图3 铝合金中其他金属含量对性价比的影响Fig. 3 Influence of other metal content in aluminum alloy on cost performance

2 船用铝合金的特性及应用

2.1 铝合金的应用

通过前文论述可知，铝合金之所以运用到船舶建造中，与自身的特性是密不可分的。铝合金自身拥有五大特性：1）铝合金密度低；2）耐腐蚀性强；3）加工性较好；4）不易燃烧；5）铝废料更容易被回收。铝合金轻便、耐腐蚀等特性使得船舶速度提高，安全性增强且寿命增加，正因为具备这些优点，使得船舶行业越来越多地使用铝合金材料，两者相辅相成，共同推动船舶建造业的发展。

但是不同种类的铝材料，其性能也是不同的。一般而言，不同的船舶可能适用不同种类的铝材料，铝材料的区分还是要看船舶适用的领域，但是在众多的铝材料中以镁铝合金（Al-Mg-Si 系）、铝合金（Al-Mg）系型材为主。而其中的Al-MG 系列合金，在经过大量的实践证明后，被认为在材料结构上是目前最为适用的一种材质，其应用如图4 所示。

图4 铝合金材料在船舶建造中大量使用Fig. 4 Aluminum alloy material widely used in shipbuilding

2.2 铝合金的强度特性

铝合金在多年来的实际应用中，也表现出了轻量化的特征。2021 年11 月，我国科研团队开发的免热处理铝合金材料，在应用于船舶一体化压铸中取得了突破性的进展。船用铝合金往往应用在薄壁结构中，其构造复杂，热处理容易变形，强度也随着使用时间有所降低。其在应用的过程中，不仅有效提升了船舶的航行速度，同时也有效缩短了国际贸易的航运时间。铝合金使用时间对强度的影响如图5 所示。

图5 铝合金使用时间对强度的影响Fig. 5 Influence of service time of aluminum alloy on strength

3 铝合金在船舶与海洋工程中的运用

铝合金在船舶建造业中的使用，也有近百年的历史。随着时代的不断高速发展，针对船舶轻量化的需求，在国内外造船业高速发展的今天，铝合金材料也越来越受到重视。由于铝材的密度低、强度高、抗腐蚀性强等特性，在船舶制造中广泛应用。

3.1 铝合金客船

最初传统帆船使用的是杉木制造，但随着工业时代开始用钢材、铝材建造，还有极少数船舶会使用碳纤维材料。通过加强铝制桅杆相关材料的应用，就可以有效地对吊杆或斜桁架进行支撑。此外，铝合金客船也可以根据铝材的特点，利用铝材安装信号灯、悬挂旗子、架设电报天线等。另外还可以对吊杆进行支撑，对货物进行起吊、卸载等操作。

3.2 铝镁合金船

铝镁合金铝板是在材料中添加少量的镁或其他金属材料，使铝合金船硬度加强，不仅具备一定的抗腐蚀性，同时在导热方面也取得了较为显著的成效。此外，考虑到船舶对于材料强度的重视，相关研究团队在进行多方对比试验后，也得出了铝镁合金抗撞击的优势。目前我国不少沿海城市的渔船加工中就已悄然开始使用这种材质，平时用作高速行驶的小艇。

铝的硬度一般在HB60~150 左右，但铝合金的成分不同，在硬度上有很大的差别。铝合金分为7 个系列，如1 110 和1 060 等系列，这些基本都是属于工业纯铝，通常叫做铝锌合金，一般硬度都会在25~32 左右。

不同种类的铝，硬度、强度、刚度、密度等都不同。因此使用的焊接工艺以及制造手法都是有区别的。如7 075 铝合金，这类强度特别高，在做了热处理以后，它的硬度会非常强。而且7 075 铝合金的机械性能也非常好，所以其性能比较强，使用的范围也非常广。所以7 075 铝合金在加工时比较方便，且因为加工的成本不算高，耐磨性能又非常强，比较受欢迎。

因为7 075 铝合金还有2 个特性：一个是抗腐蚀性，另外一个是抗断裂性，因此很多时候会作为高压结构的零件来使用。这种产品属于高强度的材料，抗压性能特别好。而且7 075 铝合金会在内部添加一些磷、铜等合金，其整体强度也比较好。不仅可以在生活中使用，还可以在航空航天以及各种模具加工时进行使用，使用的范围特别广。除此之外，这些7 075 铝合金材质，还能作为加固件起到加固作用。