鋁合金應(yīng)用于造船業(yè)已有近百年的歷史, 隨著國內(nèi)外造船業(yè)突飛猛進(jìn)地發(fā)展, 船舶的輕量化越來越被重視, 由于鋁的低密度、高強(qiáng)度、高剛性和耐腐性，船舶設(shè)計(jì)者使用鋁建造的船舶和使用鋼材或其它合成材料建造的船舶相比重量減輕了15-20%。鋁合金的高韌性、抗腐蝕性以及可焊性為建造對重量要求嚴(yán)格的船型提供了很好的選擇，由于鋁的加工成本較低，因此使用鋁材制造船舶更具經(jīng)濟(jì)性。鋁合金可以作為板材，也可以進(jìn)行擠壓成型加工和鑄造加工。再加上鋁合金突出的物理特性，使得用鋁合金制造船舶十分具有經(jīng)濟(jì)性。從船舶設(shè)計(jì)者角度來看，使用鋁合金制造的船舶可以達(dá)到更高的速度以及更長的使用壽命，鋁合金的這些優(yōu)點(diǎn),使其在船舶的應(yīng)用上發(fā)展得很快, 造船業(yè)為鋁材提供了廣闊的應(yīng)用市場。
應(yīng)用現(xiàn)狀
艦船上應(yīng)用的鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金變形鋁合金在各國造船中的應(yīng)用，從大型水面艦船上層建筑，上千噸的全鋁海洋研究船、遠(yuǎn)洋商船和客船的建造，到水翼艇、氣墊船、旅客渡船、雙體客船、交通艇、登陸艇等各類高速客船和軍用快艇上都大量使用了變形鋁合金。鑄造鋁合金主要用于泵、活塞、舾裝件及雨水雷殼體等部件。
1.1航空母艦
航母是個(gè)龐然大物。它體積巨大，建造精良，是一個(gè)機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的作戰(zhàn)平臺，對減清結(jié)構(gòu)重量等具有及其迫切的需求，隱刺控制航母結(jié)構(gòu)的重量非常重要，其中包括控制航母各種裝置，特別是上層建筑的重量， *改善航母的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能至關(guān)重要。
初步統(tǒng)計(jì)，國外每艘航母鋁合金材料用量大約在1000噸左右，例如，美國“獨(dú)立”號(CVA62)航母用了1019噸鋁合金;“企業(yè)”號核動(dòng)力航母(CVA65)用了450噸鋁合金;法國“福熙”號(R99)及“克里蒙梭”號(R98)航母上都用了1000多噸鋁合金。鋁合金在航母上的應(yīng)用對減輕航母結(jié)構(gòu)重量，提高穩(wěn)性、適航性、提高戰(zhàn)技性能等具有重要意義。
鋁合金在航母上的應(yīng)用部位，從部分起飛和降落甲板，巨大的升降機(jī)，大量管系，到舷窗蓋，吊燈架，門，艙室隔壁，艙室裝飾，家具，廚房設(shè)備和部分輔機(jī)等。列如美國海軍1961年服役的“企業(yè)”號航空母艦的四個(gè)巨大的升降機(jī)是用鋁-鎂合金焊接而成的。
1.2驅(qū)逐艦等大型水面艦船上層建筑
驅(qū)逐艦等大型水面艦船為了減輕上層建筑的重量，以保持穩(wěn)性等，而廣泛采用鋁合金結(jié)構(gòu)。事實(shí)上在許多驅(qū)逐艦等大型水面艦船中，主甲板上的全部結(jié)構(gòu)都是用鋁合金制造的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國海軍不同級的驅(qū)逐艦，在甲板以上結(jié)構(gòu)中所用的鋁合金數(shù)量分別如下：護(hù)航驅(qū)逐艦(DE)用鋁量251.33噸;導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(DLG)用鋁量811.30噸;彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(DDG)用鋁量515.88噸;彈道導(dǎo)彈核動(dòng)力驅(qū)逐艦(DLGN)用鋁量為930.35噸。
序號軍艦名稱用鋁合金數(shù)量(噸)
1美國獨(dú)立號(CVA62)航母1019
2企業(yè)號核動(dòng)力航母450
3護(hù)航驅(qū)逐艦(DE)251.33
4導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(DLG)811.30
5彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(DDG)515.88
6彈道導(dǎo)彈核動(dòng)力驅(qū)逐艦(DLGN)930.35
7法國克里蒙梭號(R98)1000多
8福熙號(R99)1000多
美國海軍 艘彈道導(dǎo)彈驅(qū)逐艦USS“杜威”號(DLG14)比第二次 大戰(zhàn)期間 *大的驅(qū)逐艦長出50英尺，而噸位則幾乎大兩倍。在“杜威”號的上層建筑中應(yīng)用的811.30噸鋁合金中大部分是5466厚板和5086薄板。鋁構(gòu)件代替了鋼后，節(jié)約了150噸不必要的重量。鋁的總用量中20%左右是5456和5086合金。另外一些鋁用來制造甲板下面的所有的柜、家具、床鋪及有關(guān)設(shè)備。所用的鋁合金材料包括6061合金、5052合金等。
1.3快艇及高速船
對于快艇艇體材料和高速船船體材料，一般要求在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的條件下，盡量減輕重量，并要求材料具有良好的耐海水腐蝕性能和可焊性。例如美國從300多噸的大型反潛水翼研究船，200多噸的炮艇及導(dǎo)彈水翼艇，到PTF級快艇，LCM8登陸艇等，大多采用鋁-鎂合金焊接結(jié)構(gòu)。
1.3.1水翼艇
早些時(shí)期美國海軍建造的五艘導(dǎo)彈水翼艇巡邏艇，稱為“Pegasus”號的原型已于1974年11月下水。在這條潛艇的殼體，內(nèi)部艙壁和甲板的板材和防擾材中，金屬惰性氣體保護(hù)焊縫的長度超過兩英里。在建造時(shí)用一臺牽引型的線焊機(jī)對鋁板進(jìn)行焊接。制成了大的平面分段。防擾材進(jìn)行定位焊再進(jìn)行手工焊。為了制作工序更有效。設(shè)計(jì)一種由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)焊操作臺。
“MarkII”號水翼艇是70噸的水翼巡邏炮艇PGH-1是1968年下水的。在美國海軍和海岸警衛(wèi)隊(duì)中使用。選用5456合金作艇體材料。因?yàn)樗哂? *高的焊接接頭強(qiáng)度性能。-H116和-117狀態(tài)用于板材。-H111狀態(tài)用于擠壓件。選擇具有較高抗裂性的5356合金焊絲用于焊接，建造時(shí)的焊接工藝為金屬惰性氣體保護(hù)的脈沖電弧焊和射流電弧焊以及鎢極惰性氣體保護(hù)焊。
播音公司已建造了很多航速為43節(jié)的100噸級水翼艇，這些根據(jù)美國海軍水翼艇的設(shè)計(jì)演變出來的民用艇為噴翼型。殼體和上層建筑全部是焊鋁結(jié)構(gòu)，采用5456-H116或-H117合金。焊接檢驗(yàn)很嚴(yán)格，對全部焊縫進(jìn)行X射線，超聲波檢驗(yàn)和著色檢驗(yàn)。在著色前要對檢查部位作侵蝕處理，以除去污物。
蘇聯(lián)是 上成批生產(chǎn)水翼艇的 ，已制造了幾百艘水翼艇并投入運(yùn)營，還出口許多艘。
我國用5A01合金板材、型材、鍛件和焊絲建造了“飛魚”號水翼艇，建造中采用了半自動(dòng)化融化極脈沖氬弧焊和鋼制回轉(zhuǎn)胎架-拉馬設(shè)備。
1.3.2氣墊船
鋁合金在氣墊船應(yīng)用中值得一提的是1976年由Rohr工業(yè)公司承保的一項(xiàng)設(shè)計(jì)美國海軍3000噸、80節(jié)表面效應(yīng)船“3KSES”的合同。該船為全焊鋁結(jié)構(gòu)。在選材時(shí)，可能選用5456-H116或-H117，也有可能焊件選用強(qiáng)度較高的Al-Cu-Mn系2219合金，非焊件選用高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系7075-T73合金。這兩種合金是在宇航領(lǐng)域的應(yīng)用中綜合性能較好的合金，能否在海洋環(huán)境中長期使用是一個(gè)問題。當(dāng)時(shí)美國新研制的CS19(鎂含量高達(dá)8.7%左右)也有潛在的可能。因?yàn)槠浜附咏宇^的典型屈服強(qiáng)度達(dá)到23公斤/mm2，而常用的5456合金一般為15~17公斤/mm2。該船是噸位 *大的全焊鋁殼船。選材當(dāng)然及其慎重。5456-H116或-H117合金終于因機(jī)械性能、耐蝕性及成本三方面的優(yōu)點(diǎn)而被評為用于主殼體結(jié)構(gòu)的 *佳材料。選用5456-H112合金作為擠壓件，因?yàn)槠浔葟?qiáng)度比5086-H112大19%，-H112狀態(tài)合金的組織中沒有會(huì)使合金在海洋環(huán)境中出現(xiàn)剝落蝕敏感性的β相晶界連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。
前些年，報(bào)道了西班牙海軍建造的36噸氣墊船原型用于試驗(yàn)和鑒定的情況。它是用鉚接方法建造的。蘇聯(lián)用Amr-61合金建造了“火焰”號氣墊船。
英國建造了全焊的氣墊船Apl-88。是當(dāng)時(shí)鋁殼氣墊船的 *新發(fā)展。殼體采用Al-4.5Mg的N8合金，型材采用Al-1%Mg-1%Si的H30合金。采用深I(lǐng)型材和長而寬的大型擠壓件以避免橫向焊縫和減小臨近焊件的熱影響。去年3月加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)向英國氣墊船公司訂購了一批Apl-88。
前些年設(shè)計(jì)的氣墊船與早期相比有很大變化，包括使用冷柴油機(jī)取代燃?xì)廨啓C(jī)和用焊接的鋁結(jié)構(gòu)取代較復(fù)雜的玻璃鋼。Apl-88和“虎”級氣墊船就具有這些設(shè)計(jì)特征。 *新的“虎-40”于1986年4月開始設(shè)計(jì)，同年12月開始試航。該艇總長17.25米，總寬7.625米，高5.375米。除用作客船外，還可用作內(nèi)河和海岸巡邏艇以及工作艇等。
七十年代至八十年代，我國用7A19合金、5A30合金等建造了全升氣墊船和側(cè)壁式氣墊船，無論是全墊升還是側(cè)壁式氣墊船所用的鋁合金板材厚度都較薄，一般為1-3mm。此外還用了許多規(guī)格的型材。由于板材較薄，多數(shù)鋁質(zhì)氣墊船采用的是鉚接鏈接，但也有全焊接氣墊船。
1.3.3雙體船
英國麥克泰公司為英國海軍設(shè)計(jì)建造了 批裝有升降舵的鋁殼雙體船。這些船有很多引人注目的特點(diǎn)：寬闊而穩(wěn)定的甲板;極低航速時(shí)良好的機(jī)動(dòng)性;良好的航向穩(wěn)定性;阻力小。
法國梅泰羅工業(yè)系統(tǒng)已完成一種軍用多用途鋁殼雙體船的設(shè)計(jì)，總長25米，寬10米，吃水0.7-1米，空船重45噸，載重量18噸，主機(jī)為兩臺1200馬力柴油機(jī)，噴水推進(jìn)， *大航速30節(jié)。
在挪威和瑞典，用鋁合金建造雙體船很盛行，如挪威設(shè)計(jì)的10艘高速雙體船全部采用對稱船體，沒搜載客449人，分別以32節(jié)和24節(jié)的航速橫渡海峽。
日本用鋁合金建造的“Marineshuttle”號小水線面雙體船長41米，航速34節(jié)，是一艘280個(gè)客位的非對稱船型高速雙體客船。
我國國內(nèi)航線中使用了不少雙體船，其中有進(jìn)口的，也有國內(nèi)自行建造的。
1.3.4地效翼船
地效翼船是介于船舶與飛機(jī)之間，利用類似機(jī)翼的表面效應(yīng)生產(chǎn)的氣動(dòng)升力，支撐艇重離開水面低飛，偶爾能浮水航行的高技術(shù)新型艦船。地效翼船的航速高 *快可達(dá)300多節(jié)，而且航行性好，具有良好的兩棲性，能在水上、路上起降，在波浪上方低空飛行，受干擾少，又比較安全。而且跨越沼澤、冰層、雷區(qū)、障礙物，可廣泛用于軍事行動(dòng)。是快速登錄的必備艦型，長與航母，兩棲攻擊艦配套，在登錄作戰(zhàn)中極具突然性。此外，地效翼船的經(jīng)濟(jì)性好(油耗比常規(guī)飛機(jī)低30%以上)。比之飛機(jī)安全的多，造價(jià)也相對便宜，在經(jīng)濟(jì)和軍事兩方面都會(huì)產(chǎn)生巨大效益。
地效翼船要求艇體采用鋁合金材料，并且要求用焊接結(jié)構(gòu)(在俄羅斯較大噸位地效翼船的船體主要使用了可焊接的鋁合金材料)。而且要求艇體材料屈服強(qiáng)度大于300Mpa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到400Mpa，同時(shí)要求材料具有良好的成型工藝性，良好的耐腐蝕性能等綜合性能。
1.4 鋁合金在其他船型上的應(yīng)用
1.4.1 工作船
鋁制工作船要求的維護(hù)較少, 使用時(shí)間更長、行駛速度更快; 毫無疑問, 捕魚船或任何其它海洋業(yè)有必要做這種投資。
經(jīng)驗(yàn)表明, 任何一種鋁質(zhì)小型船只都可以使用數(shù)十年, 而不會(huì)遭受任何明顯的腐蝕。這種船只的退役通常是出自技術(shù)過時(shí)的緣故, 而非鋁結(jié)構(gòu)的老化?？偟恼f來, 5000 和 6000 系鋁- 鎂合金優(yōu)異的耐海洋性氣候, 特別是耐海水浸蝕性能現(xiàn)已得到大家認(rèn)可。
1.4.2 LNG(液化天然氣)貨船
LNG( 液化天然氣) 可代替石油作能源, 在石油發(fā)生危機(jī)時(shí), 對它的需要將變得更迫切。LNG 是把天然氣在低于- 162℃的低溫下液化而成的, 因此在LNG 的貯藏和運(yùn)輸中需要低溫性能好的金屬。一般使用鋁合金、鎳鋼和不銹鋼, 而鋁合金具有良好的耐海水腐蝕性能, 因而都傾向使用重量輕和焊接性能好的鋁合金。建造 LNG 貨船主要有兩大技術(shù): 隔板( 膜片) 或Moss- Rosenberg。Moss-Rosenberg 型船只的特征是有較大的球形儲罐( 每只船至少 5 個(gè)), 它們是由較寬的鋁鎂合金板材制成的, 采用一種特殊的高電流氣態(tài)金屬焊接工藝將其焊接在一起。
1.5鋁合金的用量
鋁合金在船舶應(yīng)用方面的前景
對于作為交通工具的船舶來說, 提高速度是其改進(jìn)和發(fā)展的主要技術(shù)指標(biāo)之一。目前, 在各種交通運(yùn)輸工具中, 船舶運(yùn)輸?shù)乃俣劝l(fā)展 *慢, 而提高其速度的 *有效方法一是減輕船重, 二是采用減小水阻力方法, 這兩種方法的有機(jī)結(jié)合, 使得鋁合金高速船艇正在飛速發(fā)展中。我國水運(yùn)條件十分優(yōu)越, 海岸線總長約 1 萬 8千多公里, 內(nèi)河航道 1 千余條, 隨著經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的迅速發(fā)展, 必將需要大量的船舶。因此, 開發(fā)鋁合金船具有重要戰(zhàn)略意義。