航空母艦甲板用的是什么鋼材

【專家解說】：航母用的鋼材特別是飛行甲板用鋼要求極高。特別是對于材料的屈服度要求，可比核潛艇。 一般對于造船用特種剛才都用Mpa(兆怕)來表示屈服度。民用船只一般只需要250Mpa的材料即可，普通軍用船只也就是300以下，而且近年來，成本控制的進(jìn)一步要求，一般軍艦采用民用標(biāo)準(zhǔn)的很多，材料要求進(jìn)步降低，甚至出現(xiàn)了使用鋁才建造上層。但對于航母的飛行甲板標(biāo)準(zhǔn)卻是各國均沒下降過的。而且全世界至今僅僅4個國家制造的剛才能用于航母制造。 老毛子的AK系列合金鋼是世界上屈服度最高的材料，使用鎳鉻和加入鈦的合金鋼，根據(jù)鈦成分的多少分不同樣本。最高的達(dá)到1000MPA，用來制造需要深潛的核潛艇。而用來制造航母飛行甲板的一般在850左右。美國HY系列特種鋼材同樣用于制造潛艇和航母飛行甲板。HY80的屈服度在800左右，用于航母制造。同樣也是鎳鉻和加入鈦的合金鋼。 法國軟鋼的屈服度比較底，僅550左右，但對于出口限制較少，而上述2種材料，美俄是基本不出口的。 英國的無敵級航母使用的就是法國軟剛，但基于這樣的材料屈服度比較底，一般僅僅用于制造小型垂直起降或者直升飛機(jī)航母。法國自己的戴高樂號還是用的HY80特種剛。日本也能制造屈服度比較高的特種合金鋼，基本在450左右，日本的潛艇和兩硒攻擊艦都使用了本國出產(chǎn)的特種鋼材。 反觀我國，對制造屈服度高于350的特種鋼材的生產(chǎn)能力都比較低，這個從我國建造核潛艇的速度上就可以反映出來。材料的生產(chǎn)是個大問題。同樣的對于航母也是如此。 現(xiàn)代水面戰(zhàn)斗艦艇和潛艇等戰(zhàn)艦為了具有較好的穩(wěn)定性，增加有效載荷、機(jī)動性和生存性，要求不斷增加采用能減輕殼體結(jié)構(gòu)重量的高強(qiáng)度鋼板比例。國防部要求海軍艦艇建造使用的合金鋼和裝甲鋼約占總量的50%。在艦艇服役過程中，其結(jié)構(gòu)承受著復(fù)雜的載荷譜和環(huán)境，同時用來制造殼體的結(jié)構(gòu)鋼和焊接材料在這些環(huán)境中必須具有高斷裂韌性。服役過程中的一般動載荷包括波浪載荷、波浪拍擊、沖擊、振動、在熱帶和寒帶海域的熱偏移、船貨漂移、飛機(jī)的起飛與降落以及武器的反作用等。在這些服務(wù)環(huán)境下必須確保殼體結(jié)構(gòu)的完整性以使其具有連續(xù)抗浪性以及對敵方武器做出快速的反應(yīng)。海軍艦艇的防斷性是通過采用結(jié)構(gòu)鋼和焊接材料進(jìn)行殼體裝配來保證的，使得在這些極端惡劣工作環(huán)境中能具有高斷裂韌性和許用裂縫。因此，對海軍艦艇鋼的關(guān)鍵要求，不僅要考慮強(qiáng)度、可焊性以及沖擊載荷作用下的低溫韌性，而且還要考慮經(jīng)濟(jì)性，以便保持合理的艦艇采購成本。 HSLA-80和HSLA-100鋼 20世紀(jì)80年代初期，鋼鐵廠曾經(jīng)生產(chǎn)了具有優(yōu)良可焊性、低溫韌性和屈服強(qiáng)度為60~80ksi的高強(qiáng)度、低合金(HSLA)鋼板。海軍開展了一項發(fā)展和檢驗高強(qiáng)低合金鋼的項目，使該合金鋼可以不經(jīng)或減少預(yù)熱時間就具有可焊性、高強(qiáng)度、高韌性以及與高屈服鋼相等的優(yōu)質(zhì)焊縫性能等。該項目研究的重點是在合理的殼體制造成本范圍內(nèi)減輕CG-47級驅(qū)逐艦和DDG-51導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的重量。這個項目表明，改進(jìn)的ASTMA710A級鋼板可以滿足最低屈服強(qiáng)度 80ksi的要求，在低溫下具有高卻貝V型缺口沖擊能，當(dāng)采用與沒有進(jìn)行預(yù)熱處理的HY-80相同的工藝和方法時，該鋼板具有優(yōu)良的可焊性。因此，HSLA-80鋼是ASTMA710鋼中最佳的鋼種，并且在1984年經(jīng)過對鋼板性能、焊接性以及制造特性，包括結(jié)構(gòu)模型的建造和無損檢測進(jìn)一步評價之后，可證明這類鋼板可用于艦艇制造業(yè)。據(jù)估算，用HSLA-80取代HY-80每噸制造成本可節(jié)約2000~3000美元。其中包括材料、勞動力、能耗和檢驗成本等。到2001年，大約有40000tHSLA-80用于美國海軍水面戰(zhàn)斗艦艇結(jié)構(gòu)上。 繼HSLA-80項目之后，開始進(jìn)一步的合金開發(fā)和鑒定項目，該項目的進(jìn)行使得準(zhǔn)許用HSLA-100來代替HY-100以進(jìn)一步降低制造成本。HSLA -100也是一種含碳量低，銅沉淀強(qiáng)化鋼，合金元素含量比HSLA-80的要高。這種新型鋼種具有與HY-100相應(yīng)的強(qiáng)度和韌性，運用與沒有預(yù)熱要求的HY-100鋼相同的焊接材料和工藝時，具有可焊性。HSLA-100的開發(fā)由3個階段組成:(1)合金設(shè)計，通過利用實驗室標(biāo)準(zhǔn)的加熱方式來不斷優(yōu)化設(shè)計鋼的成分;(2)在鋼板廠試生產(chǎn)鋼板以達(dá)到臨時性規(guī)范;(3)進(jìn)行板厚0.25~3.75英寸的鑒定項目。 HSLA-100鋼板和焊件的鑒定包括機(jī)械、物理和斷裂韌性等性能測定，高約束度下可焊性和焊接工藝范圍的評定(那些易于產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力)，研究疲勞性能和海洋環(huán)境的影響，以及大型結(jié)構(gòu)模型的制造和評定來驗證實驗室確定的焊接工藝參數(shù)的適用性。根據(jù)在評定中演示的性能和可焊性，驗證了HSLA-100鋼在水面艦艇結(jié)構(gòu)和防彈結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用并用它來取代HY-100制造美國JobnC.Stennis(CVN74)核動力航空母艦以降低制造成本。根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，估計該艦制造成本可節(jié)約500~3000美元/長噸(2240鎊)。在2001年，大約有30000tHSLA-100鋼板用在海軍水面戰(zhàn)斗艦艇上(主要用在航空母艦上)。 HSLA-65鋼 海軍水面艦艇用高強(qiáng)度鋼板主要包括屈服強(qiáng)度為50kis(345MPa)的ABSDH/EH-36鋼，屈服強(qiáng)度為80kis(550MPa)的HY-80 或HSLA-80鋼以及屈服強(qiáng)度為100kis(690MPa)的HY-100或HSLA-100鋼。雖然艦艇的某些結(jié)構(gòu)要求使用較厚的鋼板，但是大多數(shù)結(jié)構(gòu)包括船殼板則只需厚度為0.25~1.25英寸的鋼板。在水面戰(zhàn)斗艦艇建造中，還沒有對屈服強(qiáng)度在50ksi的HSS鋼和80ksi的HY/HSLA -80之間的高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行鑒定，也沒有制定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。除了艦艇防護(hù)板(裝甲)外，在艦艇結(jié)構(gòu)中使用高強(qiáng)度鋼是為了減輕重量和降低成本提高效益。與用HSS(DH/EH36)鋼相比，用HY/HSLA-80只要求用較薄的板和更少的焊接金屬。然而，這會導(dǎo)致扭曲發(fā)生，因此就需要附加加強(qiáng)件，這就不利于為減輕重量而對HY/HSLA-80的使用。此外，HY和HSLA鋼板的每噸成本要比HSS高2倍多而且制造成本也相對比較高。 顯然，在HSLA-80鋼項目中，屈服強(qiáng)度為65ksi的鋼是為供管線和近海平臺使用而研制成的“純粹”HSLA鋼為基礎(chǔ)的，它能滿足具有高強(qiáng)度、韌性和可焊性的造船鋼板要求。這種HSLA鋼利用低含碳量和微合金化與熱機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合來代替昂貴的添加合金元素和熱處理(用這個與依賴于大量合金元素- Ni，Cr，Mo，Cu和線外熱處理-淬火和回火來獲得性能的HY/HSLA-80鋼相比)。 海軍海上系統(tǒng)司令部推薦繼續(xù)開發(fā)HSLA-65級鋼的計劃。這是由于設(shè)計研究(驅(qū)逐艦型殼體)表明應(yīng)用屈服強(qiáng)度為80ksi的鋼將受到限制(由于翹曲限制)，而65ksi屈服強(qiáng)度鋼可以達(dá)到相似的減輕重量的目的。對用65ksi屈服強(qiáng)度鋼制造的大多數(shù)水面艦艇殼體結(jié)構(gòu)，制造成本可以降低，該鋼材料和制造成本類似于HSS而且同時可減輕重量。對HSLA-65級的候選鋼是控軋、微合金化、控制夾雜形狀的低碳錳鋼，類似于管線用鋼API5LX65。 服役壽命，重量和允許的穩(wěn)定性是新一代航空母艦設(shè)計的關(guān)鍵性能。一艘具有50年服役期，殼體形狀與CVN-68級航空母艦類似的航空母艦，減輕重量是很困難的而且費用很高。在服役壽命的基礎(chǔ)上，要絕對保證提高航母的作戰(zhàn)能力和威脅性將會繼續(xù)增加它的重量。因此必須考慮航空母艦結(jié)構(gòu)能夠增加重量極限的措施。 用HSLA-65代替HSS將能夠使用較薄的板材，從而使每艘艦減輕重量估計達(dá)1500長噸的水平(最大的減輕重量措施可以利用設(shè)計的方法)。HSLA- 65鋼板的成本大致與HSS相等，其焊接工藝、程序和焊接材料與HSS相同。對較薄的鋼板使用較少體積的焊縫金屬也將減少總的制造成本。因此，HSLA- 65系列將經(jīng)濟(jì)有效地節(jié)省重量。 HSLA-65開發(fā)和焊接最優(yōu)化 在20世紀(jì)90年代初，當(dāng)諾斯羅普?格魯曼公司紐波特紐斯船廠(NNS)探索航空母艦主結(jié)構(gòu)使用經(jīng)濟(jì)性好、工業(yè)規(guī)范的(ASTM)HSLA-65級結(jié)構(gòu)鋼時，HSLA-65鋼的開發(fā)得到了發(fā)展的機(jī)會。據(jù)紐波特紐斯船廠估計，如果在CVN-76和CVN-77建造中采用這種鋼，就可大大減輕艦艇的重量。CVN-69級艦的重量逐漸增加，將會減少壽命延長極限。紐波特紐斯船廠提出了一項臨時性的“凈化”低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)說明書，并且通過了ASTM分委員會、海軍水面作戰(zhàn)中心(NSWC)、美國船級社(ABS)和有關(guān)鋼鐵制造廠等的審查。在1995年年度標(biāo)準(zhǔn)中公布了ASTMA945，它是利用低含碳量，限制硫含量來改善高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼的可焊性、成型性和韌性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的。在1994~2000年間，對HSLA-65鋼及其焊接性能同時展開了幾個主要項目的研究，以測定它的機(jī)械、物理和斷裂性能;可焊性和焊接工藝范圍的評定;疲勞性能的研究和海洋環(huán)境的影響以及制造特點。對其中一些研究項目概述如下: ?NNS航空母艦研究項目對HSLA-65生產(chǎn)性鋼板的特性做了表征，并且對CVN-77航空母艦上關(guān)鍵與非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)取代345MPa高強(qiáng)度鋼的可能性進(jìn)行了評論; ?海軍研究署的海洋用材料項目評定了按照ASTMA945生產(chǎn)的65級(HSLA-65)鋼板的強(qiáng)度、韌性、疲勞性能和可焊性，其焊縫用高強(qiáng)度鋼型焊接材料制造。HSLA-65焊接的開發(fā)研究，確定了高強(qiáng)度級焊接材料的性能要求;鑒別可提高HSLA-65焊接韌性的焊接材料以及在高熱能下表征HSLA- 65熱影響區(qū)的韌性; ?海軍研究署的制造技術(shù)項目表征了具有經(jīng)濟(jì)效益的可替代產(chǎn)品HSLA-65焊材利用典型的船廠焊接工序時，金屬極氣保護(hù)焊、埋弧焊、藥弧焊以及溶劑芯電弧焊等的特征。審查了船用高強(qiáng)度鋼(DH-36，EH-36)建造時的制造方法(火工矯直，熱/冷成型，焊后熱應(yīng)力消除)對HSLA-65鋼及其焊件性能的影響。本項目集中于HSLA-65焊接材料和工序的最優(yōu)化;焊接接頭性能的分析以及在苛刻工作條件下HSLA-65焊接接頭性能的鑒定。 美國國內(nèi)鋼板廠按照ASTMA945為這些項目提供了板厚為0.25~1.25英寸的65級鋼板。按照ASTMA945對所有鋼板的生產(chǎn)方法(控軋，淬火和回火，熱機(jī)械加工和加速冷卻)進(jìn)行了評定。表1歸納了海軍研究署和紐波特紐斯船廠有關(guān)HSLA-65鋼和焊件項目所取的研究成果。