航空母舰甲板用的是什么钢材

【专家解说】：航母用的钢材特别是飞行甲板用钢要求极高。特别是对于材料的屈服度要求，可比核潜艇。 一般对于造船用特种刚才都用Mpa(兆怕)来表示屈服度。民用船只一般只需要250Mpa的材料即可，普通军用船只也就是300以下，而且近年来，成本控制的进一步要求，一般军舰采用民用标准的很多，材料要求进步降低，甚至出现了使用铝才建造上层。但对于航母的飞行甲板标准却是各国均没下降过的。而且全世界至今仅仅4个国家制造的刚才能用于航母制造。 老毛子的AK系列合金钢是世界上屈服度最高的材料，使用镍铬和加入钛的合金钢，根据钛成分的多少分不同样本。最高的达到1000MPA，用来制造需要深潜的核潜艇。而用来制造航母飞行甲板的一般在850左右。美国HY系列特种钢材同样用于制造潜艇和航母飞行甲板。HY80的屈服度在800左右，用于航母制造。同样也是镍铬和加入钛的合金钢。 法国软钢的屈服度比较底，仅550左右，但对于出口限制较少，而上述2种材料，美俄是基本不出口的。 英国的无敌级航母使用的就是法国软刚，但基于这样的材料屈服度比较底，一般仅仅用于制造小型垂直起降或者直升飞机航母。法国自己的戴高乐号还是用的HY80特种刚。日本也能制造屈服度比较高的特种合金钢，基本在450左右，日本的潜艇和两硒攻击舰都使用了本国出产的特种钢材。 反观我国，对制造屈服度高于350的特种钢材的生产能力都比较低，这个从我国建造核潜艇的速度上就可以反映出来。材料的生产是个大问题。同样的对于航母也是如此。 现代水面战斗舰艇和潜艇等战舰为了具有较好的稳定性，增加有效载荷、机动性和生存性，要求不断增加采用能减轻壳体结构重量的高强度钢板比例。国防部要求海军舰艇建造使用的合金钢和装甲钢约占总量的50%。在舰艇服役过程中，其结构承受着复杂的载荷谱和环境，同时用来制造壳体的结构钢和焊接材料在这些环境中必须具有高断裂韧性。服役过程中的一般动载荷包括波浪载荷、波浪拍击、冲击、振动、在热带和寒带海域的热偏移、船货漂移、飞机的起飞与降落以及武器的反作用等。在这些服务环境下必须确保壳体结构的完整性以使其具有连续抗浪性以及对敌方武器做出快速的反应。海军舰艇的防断性是通过采用结构钢和焊接材料进行壳体装配来保证的，使得在这些极端恶劣工作环境中能具有高断裂韧性和许用裂缝。因此，对海军舰艇钢的关键要求，不仅要考虑强度、可焊性以及冲击载荷作用下的低温韧性，而且还要考虑经济性，以便保持合理的舰艇采购成本。 HSLA-80和HSLA-100钢 20世纪80年代初期，钢铁厂曾经生产了具有优良可焊性、低温韧性和屈服强度为60~80ksi的高强度、低合金(HSLA)钢板。海军开展了一项发展和检验高强低合金钢的项目，使该合金钢可以不经或减少预热时间就具有可焊性、高强度、高韧性以及与高屈服钢相等的优质焊缝性能等。该项目研究的重点是在合理的壳体制造成本范围内减轻CG-47级驱逐舰和DDG-51导弹驱逐舰的重量。这个项目表明，改进的ASTMA710A级钢板可以满足最低屈服强度 80ksi的要求，在低温下具有高却贝V型缺口冲击能，当采用与没有进行预热处理的HY-80相同的工艺和方法时，该钢板具有优良的可焊性。因此，HSLA-80钢是ASTMA710钢中最佳的钢种，并且在1984年经过对钢板性能、焊接性以及制造特性，包括结构模型的建造和无损检测进一步评价之后，可证明这类钢板可用于舰艇制造业。据估算，用HSLA-80取代HY-80每吨制造成本可节约2000~3000美元。其中包括材料、劳动力、能耗和检验成本等。到2001年，大约有40000tHSLA-80用于美国海军水面战斗舰艇结构上。 继HSLA-80项目之后，开始进一步的合金开发和鉴定项目，该项目的进行使得准许用HSLA-100来代替HY-100以进一步降低制造成本。HSLA -100也是一种含碳量低，铜沉淀强化钢，合金元素含量比HSLA-80的要高。这种新型钢种具有与HY-100相应的强度和韧性，运用与没有预热要求的HY-100钢相同的焊接材料和工艺时，具有可焊性。HSLA-100的开发由3个阶段组成:(1)合金设计，通过利用实验室标准的加热方式来不断优化设计钢的成分;(2)在钢板厂试生产钢板以达到临时性规范;(3)进行板厚0.25~3.75英寸的鉴定项目。 HSLA-100钢板和焊件的鉴定包括机械、物理和断裂韧性等性能测定，高约束度下可焊性和焊接工艺范围的评定(那些易于产生大量残余应力)，研究疲劳性能和海洋环境的影响，以及大型结构模型的制造和评定来验证实验室确定的焊接工艺参数的适用性。根据在评定中演示的性能和可焊性，验证了HSLA-100钢在水面舰艇结构和防弹结构上的应用并用它来取代HY-100制造美国JobnC.Stennis(CVN74)核动力航空母舰以降低制造成本。根据结构的复杂性，估计该舰制造成本可节约500~3000美元/长吨(2240镑)。在2001年，大约有30000tHSLA-100钢板用在海军水面战斗舰艇上(主要用在航空母舰上)。 HSLA-65钢 海军水面舰艇用高强度钢板主要包括屈服强度为50kis(345MPa)的ABSDH/EH-36钢，屈服强度为80kis(550MPa)的HY-80 或HSLA-80钢以及屈服强度为100kis(690MPa)的HY-100或HSLA-100钢。虽然舰艇的某些结构要求使用较厚的钢板，但是大多数结构包括船壳板则只需厚度为0.25~1.25英寸的钢板。在水面战斗舰艇建造中，还没有对屈服强度在50ksi的HSS钢和80ksi的HY/HSLA -80之间的高强度钢板进行鉴定，也没有制定设计标准。除了舰艇防护板(装甲)外，在舰艇结构中使用高强度钢是为了减轻重量和降低成本提高效益。与用HSS(DH/EH36)钢相比，用HY/HSLA-80只要求用较薄的板和更少的焊接金属。然而，这会导致扭曲发生，因此就需要附加加强件，这就不利于为减轻重量而对HY/HSLA-80的使用。此外，HY和HSLA钢板的每吨成本要比HSS高2倍多而且制造成本也相对比较高。 显然，在HSLA-80钢项目中，屈服强度为65ksi的钢是为供管线和近海平台使用而研制成的“纯粹”HSLA钢为基础的，它能满足具有高强度、韧性和可焊性的造船钢板要求。这种HSLA钢利用低含碳量和微合金化与热机械加工技术相结合来代替昂贵的添加合金元素和热处理(用这个与依赖于大量合金元素- Ni，Cr，Mo，Cu和线外热处理-淬火和回火来获得性能的HY/HSLA-80钢相比)。 海军海上系统司令部推荐继续开发HSLA-65级钢的计划。这是由于设计研究(驱逐舰型壳体)表明应用屈服强度为80ksi的钢将受到限制(由于翘曲限制)，而65ksi屈服强度钢可以达到相似的减轻重量的目的。对用65ksi屈服强度钢制造的大多数水面舰艇壳体结构，制造成本可以降低，该钢材料和制造成本类似于HSS而且同时可减轻重量。对HSLA-65级的候选钢是控轧、微合金化、控制夹杂形状的低碳锰钢，类似于管线用钢API5LX65。 服役寿命，重量和允许的稳定性是新一代航空母舰设计的关键性能。一艘具有50年服役期，壳体形状与CVN-68级航空母舰类似的航空母舰，减轻重量是很困难的而且费用很高。在服役寿命的基础上，要绝对保证提高航母的作战能力和威胁性将会继续增加它的重量。因此必须考虑航空母舰结构能够增加重量极限的措施。 用HSLA-65代替HSS将能够使用较薄的板材，从而使每艘舰减轻重量估计达1500长吨的水平(最大的减轻重量措施可以利用设计的方法)。HSLA- 65钢板的成本大致与HSS相等，其焊接工艺、程序和焊接材料与HSS相同。对较薄的钢板使用较少体积的焊缝金属也将减少总的制造成本。因此，HSLA- 65系列将经济有效地节省重量。 HSLA-65开发和焊接最优化 在20世纪90年代初，当诺斯罗普?格鲁曼公司纽波特纽斯船厂(NNS)探索航空母舰主结构使用经济性好、工业规范的(ASTM)HSLA-65级结构钢时，HSLA-65钢的开发得到了发展的机会。据纽波特纽斯船厂估计，如果在CVN-76和CVN-77建造中采用这种钢，就可大大减轻舰艇的重量。CVN-69级舰的重量逐渐增加，将会减少寿命延长极限。纽波特纽斯船厂提出了一项临时性的“净化”低碳钢标准说明书，并且通过了ASTM分委员会、海军水面作战中心(NSWC)、美国船级社(ABS)和有关钢铁制造厂等的审查。在1995年年度标准中公布了ASTMA945，它是利用低含碳量，限制硫含量来改善高强度低合金结构钢的可焊性、成型性和韧性的标准规范的。在1994~2000年间，对HSLA-65钢及其焊接性能同时展开了几个主要项目的研究，以测定它的机械、物理和断裂性能;可焊性和焊接工艺范围的评定;疲劳性能的研究和海洋环境的影响以及制造特点。对其中一些研究项目概述如下: ?NNS航空母舰研究项目对HSLA-65生产性钢板的特性做了表征，并且对CVN-77航空母舰上关键与非关键结构取代345MPa高强度钢的可能性进行了评论; ?海军研究署的海洋用材料项目评定了按照ASTMA945生产的65级(HSLA-65)钢板的强度、韧性、疲劳性能和可焊性，其焊缝用高强度钢型焊接材料制造。HSLA-65焊接的开发研究，确定了高强度级焊接材料的性能要求;鉴别可提高HSLA-65焊接韧性的焊接材料以及在高热能下表征HSLA- 65热影响区的韧性; ?海军研究署的制造技术项目表征了具有经济效益的可替代产品HSLA-65焊材利用典型的船厂焊接工序时，金属极气保护焊、埋弧焊、药弧焊以及溶剂芯电弧焊等的特征。审查了船用高强度钢(DH-36，EH-36)建造时的制造方法(火工矫直，热/冷成型，焊后热应力消除)对HSLA-65钢及其焊件性能的影响。本项目集中于HSLA-65焊接材料和工序的最优化;焊接接头性能的分析以及在苛刻工作条件下HSLA-65焊接接头性能的鉴定。 美国国内钢板厂按照ASTMA945为这些项目提供了板厚为0.25~1.25英寸的65级钢板。按照ASTMA945对所有钢板的生产方法(控轧，淬火和回火，热机械加工和加速冷却)进行了评定。表1归纳了海军研究署和纽波特纽斯船厂有关HSLA-65钢和焊件项目所取的研究成果。