船舶與海洋工程中鋁合金的運用研究

胡海亮

(中國船級社北海辦事處, 廣西 北海 536000)

0 前 言

建造材料對船舶的質量以及性能起到關鍵作用，因此，選擇建造材料時既要考慮耐腐蝕性也要考慮強度，要能有效地抵抗大氣、海水和雨水的腐蝕，還要具有良好的抗沖擊性和抗壓性，用來保護船只，減少外界對船舶的沖擊損害[1-3]。

船舶在海上行駛還需要考慮自身的重量問題，鋁合金其中一個特性就是重量輕，強度大，因此可以提高船舶的輕便性，同等情況下船舶的速度更高，油耗量減少，增加船舶整體的穩定性。此外，船舶較為輕便，也有利于控制室操作，從而增加船載量，為海運提供更多的裝載空間，節約成本，提高利潤。由此可見，加快鋁合金的應用研究，使其特性被廣泛應用于造船業，對技術與經濟的發展，將起到不小的推動作用。

1 船用鋁合金

1.1 船用鋁合金的耐腐蝕性

鋁是一種比較常見的金屬材料，它擁有很多優點，如材料比較輕質、更容易被加工，以及較好的韌性和耐腐蝕性。當然鋁雖然擁有較好的耐腐蝕性，但仍然會受到腐蝕，因此會影響其物理性能以及外觀。所以，了解鋁制品其耐腐蝕機制尤為重要。鋁作為一種化學原材料，當它在空氣中存放，隨著時間的推進也會產生化學反應，而該反應的產物就是人們所需要的氧化鋁[4-5]。

氧化鋁會覆蓋在鋁的表面形成一種致密的膜類物質，而這層膜就是氧化鋁膜，也是耐腐性的根本。氧化鋁的化學方程式如下式：

該反應視為一種氧化還原反應，其中鋁作為氧化劑，氧氣作為還原劑，生成了氧化鋁（Al2O3）。而氧化鋁這一材料，其表面十分致密，在實際應用中可以有效阻止空氣中的水分以及其他的有害物質滲入到鋁表面，從而減少鋁的腐蝕。此外，氧化鋁還具有導電性，能有效防止被電腐蝕，還可以吸收電荷以此阻止正電荷累計到鋁表面，以此有效防止電荷帶來的腐蝕性，從而防止鋁的腐蝕，延長鋁制品的使用壽命。該材料具體如圖1 所示。

根據上述描述可見，鋁制品的耐腐蝕性主要取決于氧化鋁化學反應后產生的氧化鋁膜，使得氧化鋁不僅有著緊湊的結構并具有高度耐腐蝕性，正因如此才能有效的阻止氧化物輕易進入鋁的表面，從而防止鋁的進一步腐蝕。由此可見，鋁制品的耐腐蝕性主要取決于氧化鋁的結構，其化學方程式為：

1.2 鋁合金的運用優勢

船用鋁合金與鋼進行對比，鋁合金船無論在強度還是剛度上，都與鋼材質相當。而鋁合金船則極大顯現出了重量輕的特點。通過計算鋁合金重量進行對比，質量公式為：

式中：M為質量；ρ為密度；V為體積。鋁合金的密度ρ為2.7g/cm3；鋁合金的體積V=長*寬*高，代入計算得V=60*80*85=40 cm3。

綜上所述，船舶中使用鋁合金為原材料對輕便性有關鍵作用，所以在其他材質都相同的情況下，鋁材質的船更為輕便，圖2 為鋁材與鋼材的對比圖。鋁合金的輕便性使得船舶的油耗減少，速度也會提高，所以在同樣的油量下續航更高，從而提高了鋁合金船舶的性價比。

圖2 鋁材與鋼材的對比圖Fig. 2 Comparison between aluminum and steel

鋁合金的強度方程如下式

可進一步歸一化計算得到：

1.3 船用鋁合金的性價比

船用鋁合金不僅擁有耐腐蝕性以及重量更輕的優點，還有較高的成形性易焊接性。鋁合金加工成形度好，針對船舶在海洋航行過程中對水阻力的影響，需要對船舶流線化格外關注，而鋁合金易加工這一特性就恰好滿足，鋁合金可以加工成各種不同類的型材；船舶自身需要多種不同類型的型材，鋁合金更加容易焊接，也可以減少焊縫數以此來提高安全性。船舶航行過程中風浪的影響一直都是一個難點，而鋁合金彈性模量小可以減少沖擊力，使得航行時的阻力更小，航行更安全。船舶制造時也會產生很多的邊角料，鋁材質更容易回收，因此更綠色環保；沒有蟲害，與最初用木質等材料做船舶來對比，木質更容易受潮，產生蟲害影響使用。

鋁合金還有一個重要特性就是可以通過加工形成其他各種合金，如鎂鋁合金、合金鋼等，而通過加工形成的鋁合金性能對比優質的合金鋼也毫不遜色。

在海洋工程中，成本最大的就是材料成本，材料主要有鋼材、鋁材、焊料、涂料等，其他原材料品種繁多、數量偏少，不作為主要成本關注點。主要原材料計算公式為：

式中：Pi為各主要材料數量；μi為各主要材料單價；r為其他材料占比。

因為鋁合金的性價比較高，可以增加鋁合金材料的使用，減少其他的材料成本，提供更高的性價比。鋁合金中其他金屬含量對性價比的影響如圖3 所示。

圖3 鋁合金中其他金屬含量對性價比的影響Fig. 3 Influence of other metal content in aluminum alloy on cost performance

2 船用鋁合金的特性及應用

2.1 鋁合金的應用

通過前文論述可知，鋁合金之所以運用到船舶建造中，與自身的特性是密不可分的。鋁合金自身擁有五大特性：1）鋁合金密度低；2）耐腐蝕性強；3）加工性較好；4）不易燃燒；5）鋁廢料更容易被回收。鋁合金輕便、耐腐蝕等特性使得船舶速度提高，安全性增強且壽命增加，正因為具備這些優點，使得船舶行業越來越多地使用鋁合金材料，兩者相輔相成，共同推動船舶建造業的發展。

但是不同種類的鋁材料，其性能也是不同的。一般而言，不同的船舶可能適用不同種類的鋁材料，鋁材料的區分還是要看船舶適用的領域，但是在眾多的鋁材料中以鎂鋁合金（Al-Mg-Si 系）、鋁合金（Al-Mg）系型材為主。而其中的Al-MG 系列合金，在經過大量的實踐證明后，被認為在材料結構上是目前最為適用的一種材質，其應用如圖4 所示。

圖4 鋁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 鋁合金的強度特性

鋁合金在多年來的實際應用中，也表現出了輕量化的特征。2021 年11 月，我國科研團隊開發的免熱處理鋁合金材料，在應用于船舶一體化壓鑄中取得了突破性的進展。船用鋁合金往往應用在薄壁結構中，其構造復雜，熱處理容易變形，強度也隨著使用時間有所降低。其在應用的過程中，不僅有效提升了船舶的航行速度，同時也有效縮短了國際貿易的航運時間。鋁合金使用時間對強度的影響如圖5 所示。

圖5 鋁合金使用時間對強度的影響Fig. 5 Influence of service time of aluminum alloy on strength

3 鋁合金在船舶與海洋工程中的運用

鋁合金在船舶建造業中的使用，也有近百年的歷史。隨著時代的不斷高速發展，針對船舶輕量化的需求，在國內外造船業高速發展的今天，鋁合金材料也越來越受到重視。由于鋁材的密度低、強度高、抗腐蝕性強等特性，在船舶制造中廣泛應用。

3.1 鋁合金客船

最初傳統帆船使用的是杉木制造，但隨著工業時代開始用鋼材、鋁材建造，還有極少數船舶會使用碳纖維材料。通過加強鋁制桅桿相關材料的應用，就可以有效地對吊桿或斜桁架進行支撐。此外，鋁合金客船也可以根據鋁材的特點，利用鋁材安裝信號燈、懸掛旗子、架設電報天線等。另外還可以對吊桿進行支撐，對貨物進行起吊、卸載等操作。

3.2 鋁鎂合金船

鋁鎂合金鋁板是在材料中添加少量的鎂或其他金屬材料，使鋁合金船硬度加強，不僅具備一定的抗腐蝕性，同時在導熱方面也取得了較為顯著的成效。此外，考慮到船舶對于材料強度的重視，相關研究團隊在進行多方對比試驗后，也得出了鋁鎂合金抗撞擊的優勢。目前我國不少沿海城市的漁船加工中就已悄然開始使用這種材質，平時用作高速行駛的小艇。

鋁的硬度一般在HB60~150 左右，但鋁合金的成分不同，在硬度上有很大的差別。鋁合金分為7 個系列，如1 110 和1 060 等系列，這些基本都是屬于工業純鋁，通常叫做鋁鋅合金，一般硬度都會在25~32 左右。

不同種類的鋁，硬度、強度、剛度、密度等都不同。因此使用的焊接工藝以及制造手法都是有區別的。如7 075 鋁合金，這類強度特別高，在做了熱處理以后，它的硬度會非常強。而且7 075 鋁合金的機械性能也非常好，所以其性能比較強，使用的范圍也非常廣。所以7 075 鋁合金在加工時比較方便，且因為加工的成本不算高，耐磨性能又非常強，比較受歡迎。

因為7 075 鋁合金還有2 個特性：一個是抗腐蝕性，另外一個是抗斷裂性，因此很多時候會作為高壓結構的零件來使用。這種產品屬于高強度的材料，抗壓性能特別好。而且7 075 鋁合金會在內部添加一些磷、銅等合金，其整體強度也比較好。不僅可以在生活中使用，還可以在航空航天以及各種模具加工時進行使用，使用的范圍特別廣。除此之外，這些7 075 鋁合金材質，還能作為加固件起到加固作用。

4 結 語

鋁合金具有極高的性價比，因此被廣泛運用到各個領域，尤其在海洋工程中得到大量使用，鋁的特性使其更容易運用到不同種類的船舶制造中。隨著不斷的深入研究，鋁合金的特性不斷被開發融入到更多的領域，創造出更多高性價比的材料，因此在船舶中得到了廣泛的應用。本文通過研究得到以下結論：

1）鋁材料主要以鎂鋁合金（Al-Mg-Si）、鋁合金（Al-Mg）系型材為主。增加Mg 的含量可以提高合金的強度，但因此會影響合金本身易焊接的特性，腐蝕性也容易受到影響，所以應該對鋁合金進一步研究，提高鋁合金的性能。

2）鋁合金廣泛應用在船舶工業上，不僅在客船、游船得到了體現，鋁鎂合金船和高速客船也有越來越多的身影，所以鋁材料的研究對海洋工程的發展尤為突出，應該投入更多力量應對未來的發展需求。

3）鋁合金性價比較高，除了自身優質的特性外，還綠色環保，防火防潮，而鋁合金也有自身的缺點，所以應該不斷的進行研究來減少缺陷，為后期海洋工程的飛速發展奠定一個良好的基礎。