海洋鋁合金的抗蝕性及其在艦船上的應用

李德奇

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326)

0 前言

不管是直接與海水接觸的船體鋁合金，艦船內結構件鋁合金，還是制造岸基（離海＜5 km）設施用的鋁材都可以稱為海洋材料[1]。海洋金屬材料多種多樣，如鋼材、某些鋁及鋁合金、銅及銅合金、大多數鈦及鈦合金都可以稱為海洋材料，因為它們在制造海洋設施（直接與海水接觸）、船舶（大船稱舶）艦艇和岸基設施獲得了廣泛的應用，其中鋁材與鈦材的應用日益增多。

鋁材作為海洋金屬材料，其應用日益擴大，因為它具有諸多優點：①鋁是地殼內最富裕的金屬，幾乎占地殼質量的7.8%。而且提取工藝成熟，取之不盡，用之不竭，同時是閉環使用性能最佳的金屬；②密度適中，只有2.70 g/cm3，雖比鎂的密度大55.2%，但其同等強度結構件的重量卻比鋼件的約輕50%[2]，能有效地改善艦船的寬高比，提高艦船的安全性和穩定性，提高航速；③具有較大的剛度與韌性，是制造船體與上層建筑的最佳材料。不過鋁合金不是高溫材料，一旦著火，結構強度會下降，跨塌；④鋁對海水有較強的抗蝕性，一般情況下鋁合金的腐蝕比純鋁的嚴重，包鋁材料的抗蝕性僅比包鋁層的稍差一些，例如用純鋁包覆的Al-Cu合金的抗蝕性與Al-Mn 合金的相等甚至更好一些。⑤鋁無磁性，使其成為制造掃雷艇、特種船艦與裝置的絕佳材料；⑥鋁及鋁合金是一類絕好低溫材料，它們的強度與塑性均隨著溫度的下降而同步上升，不像大多數金屬那樣有低溫脆性，因此鋁材是一種難得的制造低溫物質（LNG、液氫、液氮、液態CO2等）儲存設備的不可或缺的材料。

1 海洋鋁合金的抗蝕性

海洋鋁合金必須有良好的抗蝕性，在海洋環境中鋁合金的典型腐蝕為：

（1）點腐蝕。這是船體的吃水線腐蝕，由于鋁合金船體處于氣-液界面，海水中的氯離子（Cl-）會引起腐蝕?？刹扇【植糠牢g處理。

（2）腐蝕開裂。船體結構凹槽處經常產生此類腐蝕，這是由于海水滲入后沒有新鮮海水補充時發生的。在設計和制造時需采取預防措施。

（3）剝落腐蝕。該腐蝕多出現于材料加工平面的加工方向上。具有加工硬化和晶粒較扁平的材料更易發生，這類腐蝕多存在于軋制板材中。由于鑄造組織在軋制時發生延伸或呈網狀線，在腐蝕過程中沿加工方向或網狀線發生剝落腐蝕。

（4）電化學腐蝕。主要出現在船體結構的不同金屬結合部。

抗蝕性是衡量海洋鋁合金性能最重要的指標之一，包括抵抗化學腐蝕、電化學腐蝕和應力腐蝕開裂（SCC）的能力[3]。含Mg 量高的鑄造Al-Mg 合金的SCC 是氫致開裂，晶界Mg 偏析加速SCC。在降低Mg 含量同時添加Si 的Al-Mg-Si 系合金的特點：力學性能好、抗蝕性高、SCC 敏感性低，特別是Al-0.6Mg-0.9Si的SCC敏感性很低。

Al-Mg 系的ZL301 合金如果鑄造組織缺陷少，在淬火狀態下會有很高的抗蝕性。但該合金的自然狀態不穩定，鑄件有SCC敏感性。因為Mg5Al8在過飽和固溶體中不穩定，會沿晶界析出，先析出孤立的分散的質點，而后聚集長大，呈連續網絡狀分布于晶界上，這不僅降低材料的塑性，而且由于有更負的電化學性能而成為陽極區，在外加應力和腐蝕介質中，優先沿晶界發生SCC。與ZL301 合金相比，ZL305 合金由于含有Zn、Ti 等元素而降低了Mg 原子的擴散速度，這不但改變了析出相的形狀，而且抑制其長大，從而改善了合金的自然時效穩定性，提高了抗SCC 能力。ZL115合金抗SCC 能力與ZL305合金相當。

鹽水浸漬試驗、鹽霧腐蝕試驗和應力腐蝕試驗表明：低Mg、Si 含量的Al-Mg-Si 系合金抗蝕性比ZL301 合金的更好；同時，低Mg、Si 的Al-Mg-Si合金材料的初始色澤雖不如Al-Mg 合金那樣亮麗，但在鹽浸漬試驗后卻亮麗平滑得多。

在含Sc的鋁合金中存在著Al3Sc相，是一種LI2型相，與母相鋁共格。共格錯配度高，因此對位錯及亞晶具有強烈的釘扎作用，會阻礙晶粒長大，使合金始終具有細晶組織，而且有極高的彌散度，均質形核，所以又有強烈的彌散強化作用，并能顯著提高鋁合金的再結晶溫度[4]。因此，Sc 能顯著改善鋁合金的抗蝕性、強度和可焊性等。在含Sc 的鋁合金中存在Al3（Sc，Zr）復合相，它能細化晶粒，有效地抑制合金中β相（Mg5Al8）的析出，使β相在合金基體中呈不連續分布，從而降低了合金的腐蝕敏感性。

今后海洋鋁合金的發展將是通過添加諸如Sc、Mn、Cr、Er、Zr、Ti等微量元素、控制加工及熱處理工藝參數等措施，保證合金具有較高的抗蝕性、良好的綜合性能，同時生產工藝簡單可行。中國常見海洋鋁合金的成分見表1[5]。

2 海洋鋁合金的應用

2022 年，全世界制備船舶艦艇及建造海洋工程與港口設施用的鋁材約占全球鋁消耗的2.1%，即約1 700 kt。所用的海洋鋁合金為5083、5086、5456、5052、6061、6063、3003、3004 等。其中5083、5086、5456合金約占總消費量93%以上，因為它們有最佳的海洋綜合性能。常用的海洋鋁合金（包括未列出的含微量Sc的（如含0.10%～0.40%Sc的5024合金、0.20%～0.40%Sc的5028合金））的品種見表2。艦船結構常用鋁合金的性能見表3。

表2 常用海洋鋁合金及其產品

表3 鋁合金艦船結構選材時的參考性能

2.1 船舶艦艇領域的應用

鋁材在船舶艦艇上的應用已有130 余年的歷史。1891 年瑞士鋁業公司生產的鋁材在世界鋁應用史上首次用于制造小船；1940 年美國造船企業用美國鋁業公司（Alcoa）的鋁材建造了一條長54.7 m、航速74 km/h 的魚雷艇；1954 年日本海上保安廳建造了一艘長15 m、重量16 t，航速約39 km/h的全鋁巡邏艇。

船舶生產制造領域，對設備強度和抗腐蝕能力都有很高的要求，船舶用鋁合金按用途可分為船體結構用鋁合金和舾裝用鋁合金。5083、5086 和5456合金主要應用于船體結構上，6×××系合金由于在海水中會發生晶間腐蝕，所以主要用于船舶的上部結構，7×××系合金熱處理后的強度和工藝性能比5×××系合金還要優越，主要用于艦艇上層結構，如壓擠結構、裝甲板等，但是7×××合金的缺點是抗應力腐蝕性能差[6]。

船舶上層建筑的輕量化，不僅減輕船體質量，增加航行速度或運載量，還可使船的結構合理化，降低船的重心，提高定傾中心高度，改善船體穩定性同排水量和船寬的關系[7]。為此，用鋁合金材料做各類船舶的上層建筑結構和上部的其它裝置的應用越來越廣泛。最初是用鉚釘連接船的上層結構件，上世紀70 年代以后則主要采用焊接工藝。由于薄板焊接時易變形，因此最理想的是用整體擠壓壁板做上層結構件，如用150 MN 左右的擠壓機生產的寬壁板。

現階段，造船廠已擁有制造各種鋁合金艦艇的技術，可生產各種艦艇，如快速攻擊艇、輔助性軍事飛艇、巡邏艇及大型高速渡輪等[8]。軍艦的一些上層建筑同樣可用鋁合金打造，如美國“恩特普賴斯號”（Enterpreis）航母的飛機甲板和飛機跑道是用鋁合金打造的，多數情況用的擠壓整體壁板。壁板裝于鋼框架內，壁板與鋼框架之間有橡膠墊，以防接觸腐蝕。

在此需指出的是，鋁材不是一種高溫材料，在溫度大于450 ℃后，強度會大幅下降，故軍艦的上層結構不宜用鋁合金材料制備。但鋁合金是一種很好的防火材料，即使在溫度高達2 000 ℃的熔融狀態也不會燃燒，僅會在溫度大于630 ℃時熔化變成液體流走。另外，鋁材可用于制造防火服、防火門、逃生滑梯等設施。

2.2 海洋設施中的應用

海洋設施如石油和天燃氣的鉆探平臺、開采平臺、輸送管網以及橋梁等設施與內陸裝備不完全相同，有其獨特之處。一些供直升機起飛降落和短暫停留的甲板是用5083 合金擠壓型材制備的，包括上頂板和下底板，它們之間設置有帶筋板空腔，上頂板有企口，下底板兩側有延伸的連接部，以便將甲板固定于底架上。甲板塊通過企口拼接，用壓板或螺栓緊固于底架上，安裝便捷。在使用期內，不用對鋁合金甲板進行維護便可一直保持本色，節約維護費用。不過擠壓材在發貨前應經過表面處理。

海上直升機平臺甲板會使用鋁合金材料，而且會發揮這些材料耐腐蝕的優勢，提高材料應用的效率。在一些碼頭上，也會應用鋁合金材料[8-9]。海洋資源開發的基礎設施—直升機平臺，是全鋁合金制的，90%以上材料為5×××系鋁合金，是供人員上下、救生、逃生等用的。它的支撐結構除了應滿足強度要求外，還要考慮結構自身質量、結構剛度、吊裝和焊接等工藝要求。因鋁合金具有質量輕、強度高、剛度大、模塊化程度高等優點，鋁合金直升機平臺現已獲得廣泛應用[10-11]。

3 中國造船業奮進高端市場

中國造船業為向高端市場邁進，足足作了長達20 年的準備工作和學習，已初步達到目的。造船業高端市場指的有兩個，一是大型和超大型郵輪市場，二是運輸低溫液化氣（LNG、CO2、NH3等）的大船。經過近20 年的學習，中國已準備好要挑戰歐洲造船廠在郵輪領域的霸主地位。這對于世界排名領先的法國大西洋造船公司、意大利芬坎蒂耶里造船公司和德國邁爾造船公司來說，是一個巨浪般的競爭威脅。這3家公司過去長期占據了全球郵輪市場的90%左右。

中國已經平穩地向尖端船舶市場進軍。2014—2022 年，招商工業江蘇海門基地建造了10艘載容量350～400 人的小型郵輪。中國主要的船舶艦艇企業有10 個，大多在沿海和長江流域。而制造航空母艦、LNG船和超級郵輪的企業如大連造船有限公司、上海江南船舶有限公司、滬東造船有限公司以及外高橋造船有限公司等則全在沿海大城市，如航空母艦是大連造船公司生產的。全球造船業領頭羊中國船舶集團建造的第一艘大型郵輪—“愛達·魔都號”大型郵輪已于2023 年6 月6 日出塢，這是中國全力構建郵輪全產業鏈進程中里程碑意義的事件。豪華郵輪一直與大型液化氣（LNG）運輸船和航母一道，被譽為造船業皇冠上的“三大明珠”，它們代表著客運、貨運和軍艦領域的最高水平。當前，世界上只有美國、日本、英國等少數幾個國家可以生產這些大型超級裝備。

4 結束語

中國在許多類型船舶艦艇設計制造上取得了一系列突破，成為此領域的世界級旗手與引領者，不僅因為中國艦船企業在制造能力方面趕上與超越了對手，還因為中國眾多船廠過去幾年的出色表現提高了國內外船東的信心。中國制造的高附加值船如液化化工產品（LNG、液氫、液氮、液化石油氣等）船和大型郵輪的數量在大幅增加。中國的未來艦船產業不僅在于自身建造能力的提高，更在于完整產業鏈的建設。一是一些關鍵設備如LNG 運輸船上用于確保超低溫度的系統不再依賴進口。二是鋁材在大型船艦如航空母艦、驅逐艦、低溫運輸船、大型郵輪上的應用還大有潛力可挖，如120 kt以上的郵輪的鋁材采購量達到10 kt 是完全可能的。三是如有需求可組建超低溫鋁合金研發組。另外，還需要對新能源船舶艦艇進行必要的研發與適當的制備。