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今日国产航母成功下水!你对航母用钢了解吗?

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我国第二艘航空母舰下水仪式26日上午9时许在中国船舶重工集团公司大连造船厂举行。中共中央政治局委员、中央军委副主席范长龙出席仪式并致辞。

第二艘航空母舰由我国自行研制,2013年11月开工,2015年3月开始坞内建造。目前,航空母舰主船体完成建造,动力、电力等主要系统设备安装到位。出坞下水是航空母舰建设的重大节点之一,标志着我国自主设计建造航空母舰取得重大阶段性成果


要造一条航母,可不像造一艘油轮那么简单。先别说舰载机、弹射器什么的,首先一条就是,你有没有造船的基本材料--航母用钢!由于航母的特殊性,它的用钢也有很多特殊要求,比如,要能抗海水腐蚀;要防磁;要耐高温,要有很高的强度、韧度和良好的焊接性能,......等等。


航母用钢特点

下面就来说说航空母舰所用钢的几个特点:


1. 抗海水腐蚀

海水对舰船底部的腐蚀特别厉害,会严重影响舰船的速度和防护能力。因此,造一般民用和军用舰船的钢都要求有较强的抗海水腐蚀能力。由于航母的作战环境更为恶劣,维修所需时间也长,因此,要求所用钢板抗海水腐蚀的能力就更强。

买回来时锈迹斑斑的瓦良格号


由于我国钢铁生产技术的限制,我们制造舰船所用钢材抗海水腐蚀力较差,因此我们的军舰不得不涂上一层特殊防锈漆,而且,每三四年就要进船坞大修,清除舰艇底部附着物,并重新刷防锈漆。

正在涂装的瓦良格


2. 防磁

一般钢铁都带有一定磁力。由于地球本身是有磁场的,一般低磁钢铁制造的舰船用久了,会受地球磁场磁化,产生磁力。磁力对军舰来说是非常不利的。因为这容易被敌方磁力探测仪侦测到,或受到敌方磁性水雷等武器的攻击。因此,军舰用钢,磁力越小越好。由于我们制造军舰的钢铁防磁性能较差,所以我们的军舰一般是三四年后,就需要开回船坞进行逆向消磁处理。

167舰深圳号消磁作业

网传瓦良格消磁作业


3. 耐高温和耐冲击能力

飞机在陆上起飞,一般需要在三公里多,至少也要一、两公里的跑道助跑、起飞。而在航母上,飞机在一两百米内,就要从静止状态完成滑跑、起飞、腾空的过程。这除了有弹射装置助推外,更要求飞机本身有强大的推力。当飞机加力开到足以飞起时,发动机喷射出的火焰可达上千度,足以把一般钢材制作的甲板熔化了!

一般舰载机每架都有三十来吨重,降落着舰时,对甲板的冲击力极大,因此,对甲板的抗冲击力、抗扭曲力的要求就非常高。如果甲板用钢不过关,降落的飞机很可能会通过拦索把飞行甲板给掀起来。另外航母甲板还要有抗敌方穿甲弹攻击的较强能力。因此,航母甲板用钢更是非常讲究的。

 

4. 高强度、高韧性

航母建造所使用的特种钢所要求的强度要远远高于普通军用船舶的钢强度要求,采用高强钢板可以减轻船体重量,增加抗弹能力。特别是飞行甲板的钢材,由于要承受舰载机起飞过程中的高热和高摩擦力,更要精益求精。因此,航母舰体一定要采用高强度合金钢。船用特种钢材的屈服强度一般用MPa(兆帕)表示。


像油轮、散装货船,集装箱船等民用船所用钢大约有250 MPa就够使了,普通军用船只在300 MPa以下就行。而航母、潜艇用钢,特别是航母飞行甲板用钢一般要求在850 MPa以上。换算成我们熟悉的单位,大致是一厘米大小的地方要能够承受8000公斤的冲击力。你看,这钢材抗压能力有多强。

2000年“科尔”号被炸开了个洞,修补费用2.4亿美元 。航母炸开了个洞估计更贵了。


航母用钢分类


大型航空母舰需要的钢板品种规格繁多,建造一艘7.5万吨级的大型航空母舰,需用各种特殊品种厚钢板4万多吨,一般可分为船体板、装甲板结构板三大类。下面让我们来分别看一看航母不同地方需要的钢材情况。


1、 船体用钢板

要求比较低,基本上就是潜艇用的耐压板,屈服强度通常为450兆帕和550兆帕,钢板厚度为22~28毫米。船体的水下部分为了防止鱼雷与潜艇导弹的轰击,采用钢板厚度达150~203毫米。也有制成双层或三层船体,当外层钢板被击穿的时候,还有一层保护层,这样就增强了航母的抗打击能力。以前的航空母舰还在易受攻击的部分采用增挂装甲板的方式,以抵御各种意外的攻击。航母需要的另外一种钢材就是装甲钢板。


2、 装甲钢板

一般用在最为关键的核心部位。航母上有两个地方最重要,一个是指挥中心,指挥中心是航空母舰钢板最厚的部分,最厚达330毫米,有点类似坦克用的装甲钢板;另外一个地方是航母的动力系统。如果航母的机舱被破坏,那么航母就变成了挨打的活靶子,因此,机舱也要重点保护。重点保护的方式就是用装甲钢板。此外,炮台等地方也要用防弹装甲板进行保护。航母用钢的最重要部分是结构用钢板。


3、结构板

主要用于飞机跑道、隔仓及船体结构等,尤其是飞机跑道,要求极高。首先,要求飞行甲板能够承载20~30吨舰载机起飞和降落的沉重冲击。其次,还要承受喷气式飞机高达几千度的火舌的烘烤。所以,飞行甲板的屈服强度一般要达到800兆帕。还有,飞行甲板的厚度不能太厚,一般是40~50毫米,且要求不平度达5毫米/米以下,否则会影响飞机升降的质量。更重要的是,飞行甲板的板面越大越好,要尽量减少焊缝。总而言之,航用的结构钢板要求高强度、小厚度、大面积、能够在恶劣环境中使用。

 

世界各国高强度军工舰船用特种钢(高强度低合金钢)回顾

第二次世界大战后,世界各军事强国为了满足舰船装备的发展需求,研制开发了系列高强度舰船用钢。

 

如美国,战后发展了355MPa(36kgf/mm2)级HTS 钢、550MPa(56kgf/mm2)级HY80 钢、 690MPa(70kgf/mm2) 级HY100 钢、890MPa(91kgf/mm2) 级HY130 钢,并用于实船建造;

 

俄罗斯开发了屈服强度从390-1175MPa(40-120kgf/mm2) 级的АБ系列舰船钢;

法国最新建造的“凯旋”级核潜艇耐压壳体用钢屈服强度已达到 980MPa 。


HY-80 、HY-100 、HY-130 都是美国在50年代开始应用于舰艇制造的高强度低合金钢,现在已经普遍被HSLA-80 和HSLA-100 系列高强度钢所替代。此类高强度钢由于含有铜元素,因此有别于于传统的船体用钢。

 

在钢里加入一定比例的铜,可以减慢钢材在大气中的腐蚀速度,铜还可以改善钢材在海水中的耐蚀性,另外,含铜的钢材其耐磨性也有较大幅度的提高。

但是铜在钢中高到一定量时,将引起热脆性。将钢加热到1100~1200℃(一般的热加工温度) ,铁优先氧化形成氧化皮,在氧化层和钢之间的界面上留下一层极薄的不易察觉的液态铜(铜的熔点为1083℃)。


热轧或连铸时,钢中残余的铜便大量渗入晶界,造成晶间开裂。为避免热脆性,通常将钢中的铜作为有害元素而限制在0.35 %以下。另外,含铜钢的氧化皮去除困难,使制品的表面质量低劣。某些在特殊环境中服役的钢,若残余铜含量高,还可能出现辐照脆性、去应力脆性和回火脆性等问题,核容器用钢必须控制残余铜含量≤0.08%。


由于铜的有害作用,人们都怕铜钢。冶炼过铜钢的炉子通常要经过多次洗炉,同时为控制钢中残余铜含量而进行的处理,都无疑增加了生产成本。再一个,HY-80系列钢在焊接前要进行长时间预热,这也使造船成本增加。


近代航母用钢发展

近年来,国外对铜合金化进行了深入研究,并开发出一些含铜的新钢种。这类新钢种以美国的可焊接低合金高强度HSLA-80及HSLA-100 钢为代表。HSLA-80钢是以ASTM710钢为基础开发的一种低碳、铜析出强化钢,其强韧性可达HY-80钢要求。


采用HY-80型焊接材料焊接时,HSLA-80钢的热裂抗力和冷裂抗力都优于HY-80 钢。由于焊接预热过程的减少或取消,造船成本比采用HY-80钢降低50 %~90%。优良的焊接性能是由于焊接过程中的热量使铜溶解,晶粒粗化,热影响区软化。


HSLA-80钢于1984年开始用于舰船建造。HSLA-80钢基础上发展的HSLA-100钢强度、韧性可以达到或超过HY-100钢,取消焊前预热仍可保持好的可焊性。


HSLA-100钢也是低碳、铜析出强化钢,它采用锰、镍、钼来增加淬透性,镍改善韧性,同时进一步加强ε-Cu的析出强化效果,铜含量高于HSLA-80钢。


作为HY-100钢的替代品,HSLA-100钢自1989年起开始使用。像美国的“提康德罗加”级巡洋舰、“阿里.伯克”级新型导弹驱逐舰和“尼米兹”级核动力航母的某些结构及“黄峰”级两栖攻击登陆舰的主要结构,使用的都是HSLA-80钢,气垫船的船体材料也是这种钢。


而美国先进的攻击型核潜艇(非耐压壳体)和新建的航母壳体则用HSLA-100,如1993年下水的CVN-74“斯坦尼斯”号航母上就大量使用了厚度从15.925.4mmHSLA-100钢。


我国舰船用钢

中国的潜艇用钢有590Mpa921钢与785Mpa980超级钢,前者是HY80级别的,后者是HY100级别的。921估计是039用钢,而90年代研制的航母与潜艇耐压壳体980钢估计将使用在09III上。


HY80钢的潜深能达到400米,HY100钢能达到600米。980钢配套的焊接材料,通过合理的合金设计,超纯冶炼和超低氢工艺措施,很好地解决了与母材等强匹配。在非常严格,苛刻和不同季节的条件下,实现了对980钢在产品制造和施工工艺上的适应性考核,结果表明980钢具有良好的造船工艺适应性。980钢严格地按照科研程序走完了研制全过程,填补了我国785Mpa级耐压壳体用钢的空白,使该材料达到了国际先进水平。



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