【船用材料】船用铝合金知识、资料大全
2019-03-11 13:46:31
前语 铝合金运用于造船业已有近百年的前史, 跟着国内外造船业日新月异地开展, 船只的轻量化越来越被注重, 因为铝的低密度、高强度、高刚性和耐腐性，船只规划者运用铝缔造的船只和运用钢材或其它组成材料缔造的船只比较分量减轻了15-20%。铝合金的高韧性、抗腐蚀性以及可焊性为缔造对分量要求严厉的船型供给了很好的挑选，因为铝的加工本钱较低，因此运用铝材制作船只更具经济性。铝合金能够作为板材，也能够进行揉捏成型加工和铸造加工。再加上铝合金杰出的物理特性，使得用铝合金制作船只非常具有经济性。从船只规划者视点来看，运用铝合金制作的船只能够到达更高的速度以及更长的运用寿命，铝合金的这些长处,使其在船只的运用上开展得很快, 造船业为铝材供给了宽广的运用商场。 第一章 铝合金在国内外舰船中的运用现状 舰船上运用的铝合金能够分为变形铝合金和铸造铝合金变形铝合金在各国造船中的运用，从大型水面舰船上层建筑，上千吨的全铝海洋研讨船、远洋商船和客船的缔造，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许多运用了变形铝合金。铸造铝合金首要用于泵、活塞、舾装件及雨壳体等部件。 1.1航空母舰 航母是个庞然大物。它体积巨大，缔造精巧，是一个机动性很强的作战渠道，对减清结构分量等具有及其火急的需求，隐刺操控航母结构的分量非常重要，其间包含操控航母各种设备，特别是上层建筑的分量，最改进航母的战术技能功能至关重要。 初步统计，国外每艘航母铝合金材料用量大约在1000吨左右，例如，美国“独立”号（CVA62）航母用了1019吨铝合金；“厂商”号核动力航母（CVA65）用了450吨铝合金；法国“福熙”号（R99）及“克里蒙梭”号（R98）航母上都用了1000多吨铝合金。铝合金在航母上的运用对减轻航母结构分量，进步稳性、适航性、进步战技功能等具有重要意义。 铝合金在航母上的运用部位，从部分起飞和下降甲板，巨大的升降机，许多管系，到舷窗盖，吊灯架，门，舱室近邻，舱室装修，家具，厨房设备和部分辅机等。列如美国水兵1961年执役的“厂商”号航空母舰的四个巨大的升降机是用铝-镁合金焊接而成的。 1.2驱逐舰等大型水面舰船上层建筑 驱逐舰等大型水面舰船为了减轻上层建筑的分量，以坚持稳性等，而广泛选用铝合金结构。事实上在许多驱逐舰等大型水面舰船中，主甲板上的悉数结构都是用铝合金制作的。据统计，美国水兵不同级的驱逐舰，在甲板以上结构中所用的铝合金数量别离如下：护航驱逐舰（DE）用铝量251.33吨；驱逐舰（DLG）用铝量811.30吨；弹道驱逐舰（DDG）用铝量515.88吨；弹道核动力驱逐舰（DLGN）用铝量为930.35吨。 美国水兵第一艘弹道驱逐舰USS“杜威”号（DLG14）比第二次世界大战期间最大的驱逐舰长出50英尺，而吨位则简直大两倍。在“杜威”号的上层建筑中运用的811.30吨铝合金中大部分是5466厚板和5086薄板。铝构件替代了钢后，节省了150吨不必要的分量。铝的总用量中20%左右是5456和5086合金。别的一些铝用来制作甲板下面的一切的柜、家具、床铺及有关设备。所用的铝合金材料包含6061合金、5052合金等。 1.3快艇及高速船 关于快艇艇体材料和高速船船体材料，一般要求在确保满意的强度和刚度的条件下，尽量减轻分量，并要求材料具有杰出的耐海水腐蚀功能和可焊性。例如美国从300多吨的大型反潜水翼研讨船，200多吨的炮艇及水翼艇，到PTF级快艇，LCM8登陆艇等，大多选用铝-镁合金焊接结构。 1.3.1水翼艇 早些时期美国水兵缔造的五艘水翼艇巡查艇，称为“Pegasus”号的原型已于1974年11月下水。在这条潜艇的壳体，内部舱壁和甲板的板材和防扰材中，金属惰性气体保护焊缝的长度超越两英里。在缔造时用一台牵引型的线焊机对铝板进行焊接。制成了大的平面分段。防扰材进行定位焊再进行手艺焊。为了制作工序更有用。规划一种由核算机操控的主动焊操作台。 号水翼艇是70吨的水翼巡查炮艇PGH-1是1968年下水的。在美国水兵和海岸警卫队中运用。选用5456合金作艇体材料。因为它具有最高的焊接接头强度功能。-H116和-117状况用于板材。-H111状况用于揉捏件。挑选具有较高抗裂性的5356合金焊丝用于焊接，缔造时的焊接工艺为金属惰性气体保护的脉冲电弧焊和射流电弧焊以及钨极惰性气体保护焊。 播音公司已缔造了许多航速为43节的100吨级水翼艇，这些依据美国水兵水翼艇的规划演化出来的民用艇为喷翼型。壳体和上层建筑悉数是焊铝结构，选用5456-H116或-H117合金。焊接查验很严厉，对悉数焊缝进行X射线，超声波查验和上色查验。在上色前要对查看部位作腐蚀处理，以除掉污物。 苏联是世界上成批出产水翼艇的抢先国家，已制作了几百艘水翼艇并投入运营，还出口许多艘。 我国用5A01合金板材、型材、锻件和焊丝缔造了“飞鱼”号水翼艇，缔造中选用了半主动化消融极脉冲氩弧焊和钢制反转胎架-拉马设备。 1.3.2气垫船 铝合金在气垫船运用中值得一提的是1976年由Rohr工业公司承保的一项规划美国水兵3000吨、80节表面效应船“3KSES”的合同。该船为全焊铝结构。在选材时，或许选用5456-H116或-H117，也有或许焊件选用强度较高的Al-Cu-Mn系2219合金，非焊件选用高强度Al-Zn-Mg-Cu系7075-T73合金。这两种合金是在宇航范畴的运用中归纳功能较好的合金，能否在海洋环境中长期运用是一个问题。其时美国新研发的CS19（镁含量高达8.7%左右）也有潜在的或许。因为其焊接接头的典型屈从强度到达23公斤/mm2，而常用的5456合金一般为15~17公斤/mm2。该船是吨位最大的全焊铝壳船。选材当然及其稳重。5456-H116或-H117合金总算因机械功能、耐蚀性及本钱三方面的长处而被评为用于主壳体结构的最佳材料。选用5456-H112合金作为揉捏件，因为其比强度比5086-H112大19%，-H112状况合金的安排中没有会使合金在海洋环境中呈现脱落蚀敏感性的β相晶界接连网络。 前些年，报导了西班牙水兵缔造的36吨气垫船原型用于实验和判定的状况。它是用铆接办法缔造的。苏联用Amr-61合金缔造了“火焰”号气垫船。 英国缔造了全焊的气垫船Apl-88。是其时铝壳气垫船的最新开展。壳体选用Al-4.5Mg的N8合金，型材选用Al-1%Mg-1%Si的H30合金。选用深I型材和长而宽的大型揉捏件以防止横向焊缝和减小接近焊件的热影响。上一年3月加拿大海岸警卫队向英国气垫船公司订货了一批Apl-88。 前些年规划的气垫船与前期比较有很大改动，包含运用冷柴油机替代燃气轮机和用焊接的铝结构替代较杂乱的玻璃钢。Apl-88和“虎”级气垫船就具有这些规划特征。最新的“虎-40”于1986年4月开端规划，同年12月开端试航。该艇总长17.25米，总宽7.625米，高5.375米。除用作客船外，还可用作内河和海岸巡查艇以及作业艇等。 七十年代至八十年代，我国用7A19合金、5A30合金等缔造了全升气垫船和侧壁式气垫船，无论是全垫升仍是侧壁式气垫船所用的铝合金板材厚度都较薄，一般为1-3mm。此外还用了许多规格的型材。因为板材较薄，大都铝质气垫船选用的是铆接链接，但也有全焊接气垫船。 1.3.3双体船 英国麦克泰公司为英国水兵规划缔造了第一批装有升降舵的铝壳双体船。这些船有许多有目共睹的特色：宽广而安稳的甲板；极低航速时杰出的机动性；杰出的航向安稳性；阻力小。 法国梅泰罗工业体系已完结一种军用多用处铝壳双体船的规划，总长25米，宽10米，吃水0.7-1米，空船重45吨，载分量18吨，主机为两台1200柴油机，喷水推动，最大航速30节。 在挪威和瑞典，用铝合金缔造双体船很盛行，如挪威规划的10艘高速双体船悉数选用对称船体，没搜载客449人，别离以32节和24节的航速横渡海峡。 日本用铝合金缔造的“Marineshuttle”号小水线面双体船长41米，航速34节，是一艘280个客位的非对称船型高速双体客船。 我国国内航线中运用了不少双体船，其间有进口的，也有国内自行缔造的。 1.3.4地效翼船 地效翼船是介于船只与飞机之间，运用相似机翼的表面效应出产的气动升力，支撑艇重脱离水面低飞，偶然能浮水飞行的高技能新式舰船。地效翼船的航速高最快可达300多节，并且飞行性好，具有杰出的两栖性，能在水上、路上起降，在波涛上方低空飞行，受搅扰少，又比较安全。并且跨过沼地、冰层、雷区、障碍物，可广泛用于军事行动。是快速登录的必备舰型，长与航母，两栖进犯舰配套，在登录作战中极具突然性。此外，地效翼船的经济性好（油耗比惯例飞机低30%以上）。比之飞机安全的多，造价也相对廉价，在经济和军事两方面都会发作巨大效益。 地效翼船要求艇体选用铝合金材料，并且要求用焊接结构（在俄罗斯较大吨位地效翼船的船体首要运用了可焊接的铝合金材料）。并且要求艇体材料屈从强度大于300Mpa，抗拉强度到达400Mpa，一起要求材料具有杰出的成型工艺性，杰出的耐腐蚀功能等归纳功能。 1.4铝合金在其他船型上的运用。 1.4.1作业船 铝制作业船要求的保护较少, 运用时间更长、行进速度更快; 毫无疑问, 捕鱼船或任何其它海洋业有必要做这种出资。 经历标明, 任何一种铝质小型船只都能够运用数十年, 而不会遭受任何显着的腐蚀。这种船只的退役一般是出自技能过期的原因, 而非铝结构的老化。总的说来, 5000 和 6000 系铝- 镁合金优异的耐海洋性气候, 特别是耐海水浸蚀功能现已得到我们认可。 1.4.2 LNG(液化天然气)货船 液化天然气) 可替代石油作动力, 在石油发作危机时, 对它的需求将变得更火急。LNG 是把天然气在低于- 162℃的低温下液化而成的, 因此在LNG 的储藏和运送中需求低温功能好的金属。一般运用铝合金、镍钢和不锈钢, 而铝合金具有杰出的耐海水腐蚀功能, 因此都倾向运用分量轻和焊接功能好的铝合金。缔造 LNG 货船首要有两大技能: 隔板( 膜片) 或Moss- Rosenberg。Moss-Rosenberg 型船只的特征是有较大的球形储罐( 每只船至少 5 个), 它们是由较宽的铝镁合金板材制成的, 选用一种特殊的高电流气态金属焊接工艺将其焊接在一起。 1.5铝合金的用量 铝合金在船只运用方面的远景 关于作为交通工具的船只来说, 进步速度是其改进和开展的首要技能指标之一。现在, 在各种交通运送工具中, 船只运送的速度开展最慢, 而进步其速度的最有用办法一是减轻船重, 二是选用减小水阻力办法, 这两种办法的有机结合, 使得铝合金高速船艇正在飞速开展中。我国水运条件非常优胜, 海岸线总长约 1 万 8千多公里, 内河航道 1 千余条, 跟着经济和交易的迅速开展, 必将需求许多的船只。因此, 开发铝合金船具有重要战略意义。 第二章 船只用铝合金的选材准则与优势 2.1高的比强度和比模量 材料的屈从强度和弹性模量是进行船只结构强度核算，断定结构尺度的最基本参数。因为各种铝合金的弹性模量和密度都大体相同，而添加少数合金元素或改动热处理状况对它们的影响甚微，因此在必定范围内进步屈从强度对减轻舰船结构分量有利，一般铝合金的密度为2.7~2.8/cm3左右，弹性模量为70~73GPa左右。但高强度铝合金一般很难一起具有优秀的耐蚀性和可焊性，因此舰船用铝合金一般选用具有中等强度和耐蚀可焊铝合金，此外铸造铝合金在舰船范畴也有必定的运用。 2.2优秀的焊接功能 关于舰船而言，选用焊接衔接比选用铆接衔接具有显着的长处，因此焊接衔接办法已在造船中广泛运用，基本上替代了铆接结构，现在在铝船缔造中首要运用主动氩弧焊接办法。铝合金具有杰出的可焊接性意味着铝合金在焊接时构成的裂纹的趋向要小，即铝合金具有杰出的焊接抗裂性，并且焊后焊接接头功能改动不大。因为在造船的条件下不能通过从头热处理的办法康复因焊接而失掉的功能，所以这是船用铝合金有别于其它结构用铝合金的重要特色之一。AL-Zn-Mg系和AL-Mg-Si系合金焊后强度显着下降，AL-Zn-Mg系合金焊后耐蚀性也差，因此该两系合金在作为焊接船用材料时遭到必定的约束。而AL-Mg系合金无此坏处。AL-Zn-Mg系合金首要用于焊后可热处理的构件（如壳体），AL-Mg-Si系合金首要用作型材。 2.3优秀的耐蚀功能 舰船结构多在严苛的海水介质和海洋环境中运用，因此铝合金是否耐腐蚀是决议其可否作为船用铝合金的首要标志之一。一般要求船用铝合金基体和焊接接头在海水和海洋环境中无应力腐蚀、脱落腐蚀和晶间腐蚀倾向；要尽量防止触摸腐蚀、缝隙腐蚀和海生物附着腐蚀；答应有较小的均匀腐蚀和点腐蚀。 2.4杰出的冷、热成型功能 舰船在缔造过程中要饱尝冷加工（如折边、卷边、辊弯、冲压等）和热加工（如热弯、火工矫形等）。所以要求船用铝合金易于加工成型，加工时不发作裂纹等缺陷，加工后仍能满意强度、耐蚀性等功能要求。 2.5 铝合金在船只运用方面的优势 铝合金具有比重和弹性模量小、耐腐蚀、可焊接、易加工、无磁性和低温功能好等特色, 用于船只，中具有如下长处: (1) 因为其比重小, 因此可减轻船重, 可减小发动机单机容量, 可添加速度;可削减燃料消耗, 节省燃油; 能够改进船的长宽比, 添加安稳性, 使船易于操作; 还能够添加载分量, 取得额定赢利。 (2) 因为抗腐蚀功能好, 能削减涂油等修理费用, 可延长运用年限(一般在 20 年以上)。 (3) 加工成形功能好, 易于进行切开、冲压、冷弯、成形和切削等各种形式的加工, 合适船体的流线化; 可揉捏出大型宽幅薄壁型材, 削减焊缝数和使船体结构合理化和轻量化。 (4)焊接功能好, 能较简单地进行焊接。 (5) 弹性模量小, 吸收冲击应力的才能大, 有较大的安全性。 (6)铝废料简单收回, 能够循环运用。 (7)无低温脆性, 最合适做低温设备。 (8) 因为非磁性, 罗盘不受影响; 全铝船能够防止进犯, 合适作扫雷艇。 (9) 没有虫灾和枯燥变形; 不焚烧, 遇火灾较安全。 第三章 船用铝合金的种类、特性、用处 船用铝合金按制作工艺的不同能够分为变形铝合金和铸造铝合金，因为船用铝合金对强度、耐腐蚀性、可焊接性等有特殊的要求，所以船用铝合金多选用铝-镁系合金、铝-镁-硅系合金和铝-锌-镁系合金，其间铝-镁系合金在舰船上运用最广泛，按公司产品出产状况，下面首要对船用变形铝合金做要点介绍。 3.1船用铝合金的特性、用处和化学成分 船只用铝合金按用处可分为船体结构用铝合金、舾装用铝合金，船壳体结构上用的铝合金首要是5083、5086和5456这三种合金，6000系合金因为在海水中会发作晶间腐蚀，所以首要用于船只的上部结构，舾装铝合金首要用的是揉捏型材，7000系合金热处理后的强度和工艺功能比5000系合金还要优胜，在船只制作中的运用远景宽广，首要用于舰艇上层结构，如压挤结构、装甲板等，可是7000合金的缺陷是抗应力腐蚀功能差，所以约束了该系合金的运用范围。 3.2 船用铝合金的种类及用处示例 船用铝合金按产品种类可分为，板材、型材、管、棒、锻件、铸件，公司现在铝合金产品种类首要是板材和带材。 注：1、舾装也运用5052合金，种类有板、管和棒2、5083、5086和6N01合金可出产出宽幅薄壁揉捏型材3、板材的运用厚度是由船体结构、船只规格和运用部位等所决议，从船体轻量化视点考虑，一般尽量选用薄板，但还应考虑在运用时间内板材腐蚀的深度，一般运用的板材有1.6mm以上的薄板和30mm以上的厚板。为削减焊接，常运用2.0m宽的铝板，大型船则运用2.5m宽的铝板，长度一般是6m,也有按造船厂合同运用一些特殊规格的板材。为防滑，甲板选用花纹板。 3.3船用铝合金的状况 铝合金的状况标志着材料的加工办法，内部安排和机械功能，一般工程师依据用处不同而选用不同状况的材料，船体结构用的5000系合金选用O和H状况，6000系合金选用T状况，按日本的JIS标准规则列出的5000系合金的H状况细目和6000系合金和AC系铸造合金的状况代号如下表所示。
船用花纹板
