艦船裝備材料體系發(fā)展與需求分析

　1 前言

　　由于關(guān)系到艦船服役安全性以及技戰(zhàn)術(shù)水平，艦船材料的研發(fā)考核環(huán)節(jié)眾多，周期較長，一般需要經(jīng)過實驗室研究、工業(yè)試制、綜合性能評價、應(yīng)用研究考核、模型結(jié)構(gòu)考核及解剖、上艦考核等極為復(fù)雜的研制流程，往往從實驗室到型號應(yīng)用需要10  年以上的時間，甚至超過了很多型號的研制周期。目前全世界只有少數(shù)工業(yè)化強國具備從材料研發(fā)、生產(chǎn)、到應(yīng)用的整體系列配套能力。因此，“材料先行”、“材料體系構(gòu)建”是各海洋強國都十分重視的基本理念。

　　艦船材料按照平臺類型分，有艦船結(jié)構(gòu)材料、動力機電系統(tǒng)材料、水中兵器用材料。按照材料類型分為結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)/功能一體化材料、特種功能材料3  大類。結(jié)構(gòu)材料又分為船體結(jié)構(gòu)鋼、輪機及其他結(jié)構(gòu)鋼、耐熱鋼、高溫合金、不銹鋼、特殊性能鋼( 防彈、低磁等)、焊接材料、鋁合金、銅合金、鈦合金等;  結(jié)構(gòu)/功能一體化材料分為樹脂復(fù)合材料、金屬復(fù)合材料、阻尼降噪材料等; 特種功能材料分為涂料和涂層、陰極保護材料、電解防污材料、有源聲學(xué)材料、隱身材料(  吸波、吸聲等)、密封材料及膠粘劑、裝飾材料、橡膠、耐火及絕緣材料等，共有22 個材料類別約1 000 個牌號。

　　2 國內(nèi)外艦船材料的發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1 國外艦船結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展現(xiàn)狀

　　船體結(jié)構(gòu)鋼是現(xiàn)代艦船建造最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料，也是用量最大的材料，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系艦船技戰(zhàn)術(shù)性能的提高。船體結(jié)構(gòu)鋼作為船體結(jié)構(gòu)材料，必須具有足夠的強度和韌性、良好的工藝性及耐海水腐蝕性能。第二次世界大戰(zhàn)后，世界各軍事強國為了滿足艦船裝備的發(fā)展需求，研究開發(fā)了系列高強度艦船用鋼。

　　美國從第二次世界大戰(zhàn)開始發(fā)展艦船用鋼至今，其艦船船體鋼的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段。先后選用過碳素船體鋼、HTS、HY80、HY100、HSLA80、HSLA100  等多個型號的鋼種。其研制應(yīng)用大致可以分為4 個階段[1 - 3]：

　　第一階段 二戰(zhàn)期間，美國水面艦船主要選用HTS、A、B、D、E  等高強度及一般強度級別的結(jié)構(gòu)鋼作為主船體選材。該階段鋼的主要特點是強度級別不高，合金元素少、碳當(dāng)量低，故成本低、焊接性好，但其韌性較低、抗彈性差、耐蝕性一般，且鋼板厚度較大，但在當(dāng)時也基本滿足了美國水面艦船的使用要求。

　　第二階段 20 世紀(jì)60 年代以后，為了滿足發(fā)展大型航母和新一代潛艇的需求，在Ni-Cr 系STS 防彈鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)出了強度更高、韌性更好的HY  系列高強度結(jié)構(gòu)鋼，包括HY80、HY100 及強度更高的HY130 鋼。HY 系列鋼種為調(diào)質(zhì)型Hi-Cr-Mo  系鋼，其主要特點是：①高強度，HY80、HY100 分別為550 MPa、690 MPa 級別; ②Ni、Cr、Mo  等合金元素含量較多，碳當(dāng)量高，焊接性差，建造成本高; ③鋼板規(guī)格齊全，水面、水下艦艇結(jié)構(gòu)通用; ④碳含量及碳當(dāng)量較高，故焊接性差。

　　表1 為20 世紀(jì)80 年代美國海軍HTS /MS 鋼和HY 鋼在艦船方面的應(yīng)用情況?？梢钥吹剑琀TS /MS  鋼在水面艦船上依然是主要且大量應(yīng)用的鋼，而潛艇則以HY80、HY100 鋼為主。

　　表1 美國海軍艦船鋼用量情況

　　Table 1 Consumption of ship building steel in U. S. Navy

　　第三階段 HY 系列鋼雖然強度級別較高，但由于鋼中的合金元素如Ni，Cr，Mo 等含量較高，導(dǎo)致該種鋼成本高，且對焊接性能要求較高。20 世紀(jì)80  年代以后，為了改善海軍艦船用鋼焊接性能，節(jié)約艦船建造成本，又發(fā)展了HSLA80、HSLA100 新鋼種，以替代對應(yīng)強度級別的HY80、HY100 鋼。圖1  顯示了690 MPa 級HSLA100 鋼近年來在美國海軍最新航母建造中的使用情況。可以看出，從CVN74 的少量試用，到CVN75、CVN76、CVN77  擴大采用，經(jīng)過了10 多年時間。

　　HSLA80、HSLA100 鋼主要采取銅沉淀硬化型的強化機理，其主要特點是： ①碳含量及碳當(dāng)量低，焊接性能好，建造成本低; ②Ni，Cr，Mo  含量較HY 系鋼有了不同程度的減少，降低了材料成本。

　　這一階段的航母船體結(jié)構(gòu)用型鋼、鑄鍛鋼及焊接材料仍然沿用了HY  系列的配套材料。為了充分發(fā)揮HSLA系列鋼所具有的良好焊接性能，同時開發(fā)了配套材料。

　　圖1 HSLA-100 在美國航母上使用情況/t

Fig. 1 Utilization of HSLA-100 steel ( tons ) on  theU. S. Navy aircraft carriers

　　第四階段 20 世紀(jì)90  年代以后，為了發(fā)展未來型航母，美國海軍關(guān)注的焦點變?yōu)楹侥钢鞔w重量越來越重，以及由此帶來的航母機動性和有效載荷降低等突出問題。因此，美國海軍又相繼開發(fā)了HSLA65  和HSLA115及10Ni 鋼。目前，美國航母主船體用鋼主要是HTS、HY80、HY100、HSLA80、HSLA100 等5  種鋼混用，并在非主要結(jié)構(gòu)部位考核HSLA65 和HSLA115。

　　美國在發(fā)展水面艦船用鋼方面有以下4 個特點：①446 MPa強度以下的水面艦船用鋼主要是Mn 系鋼;②注意改進現(xiàn)役鋼種的質(zhì)量及韌性;  ③采用控軋控冷等現(xiàn)代冶金技術(shù)，發(fā)展新型船體鋼，提高鋼的強韌性及可焊接性; ④開展新鋼種的研究，形成新的系列，旨在降低鋼種本身成本及艦船制造成本。

　　美國海軍發(fā)展的HSLA65、HSLA80、HSLA100、HSLA115 系列易焊接、高強度艦船用鋼， 逐步替代傳統(tǒng)的HY  系列高強度艦船用鋼，成為最新航母建造的主體材料，代表了航母用鋼的發(fā)展方向。美軍在現(xiàn)役航母上大膽考核下一代先進材料的做法，  使得其航母用鋼研發(fā)和應(yīng)用發(fā)展迅速，體系十分完備，可隨時根據(jù)需求對設(shè)計做出調(diào)整。至此， 美國在艦船用鋼方面基本形成了一套完整的體系， 以美國海軍航母用鋼為例，  其材料的發(fā)展替代歷程如圖2所示。

　　圖2 美國海軍航母用鋼的發(fā)展替代歷程

　　Fig. 2 Substitution progress of the steel for U. S. Navy aircraft  carriers

　　除美國外，俄羅斯、日本、法國、英國等國家也開發(fā)了系列高強度艦船用鋼，如俄羅斯的AK 系列、АБ系列，日本的NS 系列，法國的HLES  系列等，其艦船材料的發(fā)展思路大致與美國相仿。國外艦船用鋼的總體發(fā)展趨勢可以概括為以下幾點：

　　高強度化  對潛艇來說，提高耐壓殼體用鋼的強度意味著減少艇體自重，增大下潛深度或增加儲備浮力，可大大提高潛艇的技戰(zhàn)術(shù)性能。對大型水面艦艇來說，提高船板強度意味著船體重量的減輕，可以為艦艇武備升級和全壽命維護節(jié)省出寶貴的重量，并顯著降低造船成本。

　　易焊接化 為滿足航母和大型艦艇的建造需求，改善艦船鋼焊接性能是另一個重要方向。如HSLA  系列鋼利用微合金化、控軋控冷、時效硬化處理以及超低碳貝氏體組織來滿足高強韌性、易焊接性要求，形成了0  ℃、室溫焊接不預(yù)熱等高強度艦船鋼系列，顯著降低了造船成本、提高了建造效率。

　　現(xiàn)有鋼種的改進與完善配套 為滿足艦船用鋼不斷更新?lián)Q代的要求，世界各國都對現(xiàn)有成熟鋼種不斷改進提高，進行深化完善的研究工作。如美國HY80  /100鋼，自20 世紀(jì)50 年代研制成功以來一直在進行改進提高的研究工作，已修訂標(biāo)準(zhǔn)11  次，對技術(shù)指標(biāo)要求、冶金工藝方法、化學(xué)成份分檔、鋼板厚度規(guī)格、鋼中夾雜元素及冶金質(zhì)量控制等方面進行了深化完善。

　　采用冶金新技術(shù)提高艦船用鋼性能 艦船用鋼的研制、開發(fā)和生產(chǎn)水平與一個國家的冶金工業(yè)基礎(chǔ)密切相關(guān)。20 世紀(jì)80  年代后，隨著超低碳、超純凈鋼冶煉、連鑄技術(shù)和控軋控冷等冶金技術(shù)的發(fā)展，艦船用鋼也朝著高純凈化、高性能方向發(fā)展[4]。

　　2.2 國外其他艦船材料發(fā)展現(xiàn)狀

　　艦船總體系統(tǒng)對關(guān)鍵材料技術(shù)的需求不僅限于高強度、易焊接的高性能結(jié)構(gòu)材料，因此在發(fā)展船體結(jié)構(gòu)鋼材料的同時，國外也在大力推進其他高性能艦船材料的研發(fā)。

　　鈦及鈦合金  鈦及鈦合金具有良好的斷裂韌性、耐蝕性，高比強度和低磁性等特點，是優(yōu)秀的海洋合金。俄羅斯在鈦合金研制和應(yīng)用上獨樹一幟，其技術(shù)水平、建造能力和規(guī)模在國際上處于領(lǐng)先地位，已基本形成用于船體、船機和動力裝置的鈦合金系列材料。美國用于艦艇的鈦合金主要為中強可焊鈦合金。美國將大量鈦材用于通海系統(tǒng)的管、泵、閥換熱器上，以解決海水腐蝕，從而提高其使用壽命與可靠性。

　　鋁合金  鋁合金由于具有比重小，比強度、比模量高，耐腐蝕性能好，易加工成型，焊接性能好等優(yōu)點，在艦船領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于快艇、高速船、軍輔船、航空母艦升降裝置、大型水面艦船上層建筑、魚雷殼體等，鋁質(zhì)船舶也從鉚接、鉚焊結(jié)構(gòu)發(fā)展到全焊結(jié)構(gòu)。多年來，世界各國對船用鋁合金的研究與發(fā)展都非常重視，在美、日、英等發(fā)達國家，艦船用鋁合金已成系列，品種配套、規(guī)格齊全，已成為海軍艦船的主要結(jié)構(gòu)材料之一。目前國外在船舶上應(yīng)用的鋁合金主要有以下幾個系列：  Al-Mg 系、Al-Mg-Si 系和Al-Zn-Mg系，其中以Al-Mg 系合金在艦船上應(yīng)用最廣泛[5]。

　　銅及銅合金  銅及銅合金具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性、導(dǎo)熱性、耐海生物污染性，優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的冷熱加工性能及鑄造性能等，廣泛用于艦船螺旋槳，海水管系及其配件、泵、閥、軸套等零部件，潛艇螺旋槳用銅合金還應(yīng)具備低噪音特性。20  世紀(jì)60 ～ 70 年代，英國斯通公司、俄羅斯、美國相繼研制出了鑄造阻尼Cu-Mn  合金，但使用性能不理想。英國斯通公司提出潛側(cè)式噪音螺旋槳新方案，從精湛的設(shè)計技術(shù)、新型高阻尼合金和復(fù)雜槳葉形狀精確制造3  個方面綜合控制，共同提高潛艇的隱蔽性能。

　　復(fù)合材料  復(fù)合材料包括樹脂基與金屬基復(fù)合材料，具有力學(xué)性能優(yōu)良、耐腐蝕、大幅減重、優(yōu)良的聲、磁、電性能等特點，早期應(yīng)用在小型巡邏艇和登陸艦上。近年來，隨著低成本復(fù)合材料技術(shù)的提高，開始逐漸應(yīng)用在大型巡邏艇、氣墊船、獵雷艇、護衛(wèi)艦以及上層建筑中。各國海軍應(yīng)用的復(fù)合材料制品還包括煙囪、艙壁、甲板、舵等次承載結(jié)構(gòu)，這些材料可降低艦船的雷達信號特征，同時也降低了紅外(  熱) 信號特征，在結(jié)構(gòu)減重方面所做的貢獻非常顯著。

　　新型功能材料 除以上材料外，國外還大力發(fā)展了諸如防腐涂料、艦船隱身、減振降噪、隔熱及其他特種功能材料等新型功能材料。其中防腐涂料：  主要用于艦船上層建筑、艦船內(nèi)艙、艦船海水管路系統(tǒng)、船體及其附體如舵、減搖鰭、螺旋槳等部位。艦船隱身：  水面艦艇隱身技術(shù)的重點集中在雷達波隱身、紅外隱身及減振降噪技術(shù)上; 國外采取涂敷型吸波材料或結(jié)構(gòu)型吸波材料解決雷達波隱身;  采用特殊涂料解決紅外隱身的研究工作正在進行。減振降噪： 減振降噪材料的主要類型包括吸聲材料、隔聲材料、阻尼材料。隔熱材料：  主要用于艙室環(huán)境控制，它也是艦船舾裝材料的重要組成部分，國外艦船用絕緣隔熱材料有無機材料和有機泡沫材料兩類。特種功能材料：  包括儲氫材料、永磁材料、主動控振智能材料等。

　　2.3 材料加工與成型新技術(shù)

　　為更好地實現(xiàn)減免維護、降低維護成本這一航母腐蝕預(yù)防與控制的核心思想，目前美國海軍在航母及其他新的艦艇建造和維護過程中，不斷研發(fā)運用了一系列新材料、新工藝和新技術(shù)。

　　新型鑄造工藝 在HY-80 /100 鋼鑄造過程中，美國海軍采用了新型壓鑄工藝以降低成本、提高鑄件合格率。新工藝的運用每年可節(jié)省成本70  萬美元，使大型鑄件合格率提升至70% 以上，交貨時間降至55 天。

　　新型成型技術(shù) 美國海軍采用閉塞冷鍛技術(shù)( CDCF)制造的5 ～ 20 cmCVN-78 航母用Inconel 625  合金管彎頭，使管道連接費用節(jié)省了約50 萬美元。

　　新型焊接技術(shù)  主要有遠程焊接預(yù)熱系統(tǒng)、輕型火焰釬焊技術(shù)、大功率電纜接頭鋁熱焊技術(shù)、防涂層燒蝕焊接冷卻技術(shù)。為避免焊接預(yù)熱不均，提高焊縫質(zhì)量，美國海軍在航母CVN-78  建造過程中運用了新型的遠程焊接預(yù)熱系統(tǒng); 為克服人工釬焊造成的質(zhì)量難以控制問題，在CVN-78  建造過程中，美軍采用了輕型火焰釬焊技術(shù)，使每艘航母建造和大修成本節(jié)省了700 萬美元;美軍將新型鋁熱焊技術(shù)用于CVN-78  大口徑電磁彈射器大功率電纜接頭焊接，大大提高了焊接質(zhì)量和可靠性，減少了焊接和維護工時; 為防止已涂裝區(qū)域在焊接過程中的燒蝕， CVN-78  建造過程中運用了焊接冷卻技術(shù)[6 - 8]。

　　2.4 國內(nèi)艦船材料發(fā)展現(xiàn)狀及特點

　　2.4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國艦船結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展可以劃分為4 個階段[9 - 10]： 20世紀(jì)50 ～ 60 年代，主要是依賴原蘇聯(lián)進口和仿制; 20世紀(jì)70 ～ 80  年代開始自行研制，當(dāng)時受國內(nèi)資源限制，立足于無鎳合金鋼，研制了我國第一代艦船用Mn 系無鎳鉻鋼和低鎳鉻鋼，如901、902、903  系列鋼種，這些自行研制的艦船用鋼在我國海軍艦艇建造中得到了成功應(yīng)用; 進入20 世紀(jì)80  年代，海軍裝備有了很大發(fā)展，對艦船用鋼也提出了更高的要求，第一代艦船用鋼已滿足不了現(xiàn)代海軍的需求，開始研制綜合性能更好的第二代艦船用鋼及其配套材料，如390  MPa 級的907A 鋼、440 MPa 級的945 鋼、590 MPa 級的921A 系列鋼、785 MPa級的980 鋼等，至此，初步形成以4  大主力鋼種為支撐的我國艦船結(jié)構(gòu)材料體系; 20 世紀(jì)90 年代后，改進提高和自主研發(fā)并舉，特別是2000  年以后，在強度覆蓋、品種規(guī)格及配套材料等方面有了長足的發(fā)展，為海軍新型主戰(zhàn)裝備建設(shè)提供了強大的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　在持續(xù)發(fā)展船體結(jié)構(gòu)鋼及其配套材料的同時，我國也加大了艦船用其他結(jié)構(gòu)/功能一體化材料，以及特種功能材料的研發(fā)。

　　鈦及鈦合金 我國艦船鈦合金的研究始于1962 年，經(jīng)過探索研究、自主研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及推廣應(yīng)用3 個發(fā)展階段，研究水平有了很大的提高，  目前擁有包括Ti-B19、Ti91、Ti70、Ti80  等典型艦船鈦合金，并形成了我國專用的鈦合金系列，能批量生產(chǎn)板、管、鍛件、中厚板、各種環(huán)材、絲、鑄件等多種產(chǎn)品，基本滿足國內(nèi)艦船不同強度級別和不同部位的要求[11  - 12]。

　　鋁合金 我國艦船用鋁合金的研究始于20 世紀(jì)60年代初。目前研制成功的船用鋁合金結(jié)構(gòu)材料主要有變形鋁合金和鑄造鋁合金2  大類。變形鋁合金包括鋁合金板材、型材、管材、鍛件及其配套焊絲，研制成功的船用變形鋁合金牌號主要有Al-Mg 系的5A01、5A30、5A70  合金和Al-Zn-Mg 系的7A19 合金，鑄造鋁合金牌號主要有ZL305 和ZL115 合金等。自1979 年起，5A01、5A30、7A19、ZL305  和ZL115 等合金已廣泛用于各種船舶及魚雷殼體的建造等，5A70  合金已成功用于建造水撬模擬結(jié)構(gòu)件。然而，我國艦船用鋁合金的牌號、品種、規(guī)格卻未能全面發(fā)展起來，我國用來制造高速艦船船體(包括軍用快艇和高速客船)  的鋁合金幾乎都依賴國外進口，其中使用最多的是進口5083 鋁合金。

　　銅合金 我國對海水管系及其配件、泵、閥、軸套等零部件，艦船螺旋槳等用的銅合金研究相對薄弱。目前我國艦船海水管路系統(tǒng)主要采用以B10、B30  為主的銅鎳合金。新研制了鑄造銅鎳鋁合金ZCu7-7-4-2 及變形銅鎳鋁合金等，并發(fā)展了艦船用銅鎳合金的焊接技術(shù)。

　　復(fù)合材料  我國復(fù)合材料研發(fā)相對國外較晚，經(jīng)歷了由纖維增強復(fù)合材料、樹脂復(fù)合材料到結(jié)構(gòu)芯材的發(fā)展。其中，纖維增強材料由最初的玻璃纖維，發(fā)展為碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維和連續(xù)玄武巖纖維等4  大高科技纖維; 樹脂復(fù)合材料中的樹脂也經(jīng)歷了不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂等幾大類別的發(fā)展過程;  復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)船艇常用的輕質(zhì)高性能結(jié)構(gòu)芯材包括泡沫塑料、輕木以及各種蜂窩材等。我國復(fù)合材料在艦船的應(yīng)用較少，典型應(yīng)用是潛艇的艇艏聲納導(dǎo)流罩，部分已經(jīng)安全應(yīng)用20  年。在實艇應(yīng)用方面，除透聲復(fù)合材料獲得了較多的應(yīng)用外，隔聲、吸聲和阻尼復(fù)合材料還沒有在型號中實現(xiàn)應(yīng)用，工程應(yīng)用經(jīng)驗不足，與國外差距較大[13]。

　　新型功能材料  現(xiàn)代艦船是高新技術(shù)高度密集的綜合系統(tǒng)，所用功能材料的種類很多，但其中大多數(shù)并不是艦船專用材料。在艦船上有獨特應(yīng)用的功能材料主要有電磁力推進用超導(dǎo)材料、吸收雷達波材料、艦船隱蔽用消聲與減振材料、水聲換能材料、燃料電池用貯氫材料、永磁電機用永磁材料等，其中有些還兼作結(jié)構(gòu)材料，屬結(jié)構(gòu)/功能一體化材料，這一系列新型功能材料大多尚處于探索研究階段。

　　2.4.2 發(fā)展特點

　　我國艦船材料的發(fā)展以海軍裝備發(fā)展對關(guān)鍵材料特性要求為依據(jù)，經(jīng)歷了從無到有、從仿制到自行研制的過程。已研制和生產(chǎn)的艦船材料基本滿足了不同時期海軍各型裝備發(fā)展的需求。近期國內(nèi)艦船材料的發(fā)展主要有以下幾個特點：  ①正在完善4 大主力鋼種的規(guī)格系列。近年來，研發(fā)了907A 和921A 雙球扁鋼、921A 超長超寬板、921A  高效不預(yù)熱焊接材料等結(jié)構(gòu)材料，滿足大型船舶主船體結(jié)構(gòu)的建造需求; 研發(fā)了厚度為80～ 120 mm 的980  厚板，滿足潛艇的建造需求。②在低成本和耐蝕鋼應(yīng)用方面進行了探索。研發(fā)E36 軍民通用船體結(jié)構(gòu)鋼，降低了成本，簡化了建造工藝，滿足護衛(wèi)艦的建造需求; 開展了B  級耐蝕鋼的推廣，用于大型輔助船舶主船體結(jié)構(gòu)建造。③研發(fā)系列復(fù)合材料。系列復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用，實現(xiàn)了艦船用結(jié)構(gòu)/功能一體化材料零的突破;  復(fù)合材料上層建筑、指揮臺圍殼整體方案的制定，可實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)減重30%  ，為護衛(wèi)艦、潛艇的減重需求提供了技術(shù)途徑。④新型功能材料不斷涌現(xiàn)。研制了航母飛行甲板防滑涂料以及應(yīng)用于不同基材表面、不同期效的防腐及防污涂層等，使艦船涂料防腐能力從5  a 提高到8 a，防污能力從3 a 提高到5 a;  開展了耐壓殼體用阻尼隔聲去耦材料、耐壓阻尼吸聲材料等研制工作。⑤在材料新工藝方面進行了大量探索。全面推廣艦船結(jié)構(gòu)及配套焊接材料的結(jié)構(gòu)模型建造考核，通過各型艦艇的模型建造考核，進一步深化了應(yīng)用研究，通過結(jié)構(gòu)模擬、環(huán)境模擬和工藝模擬條件，實現(xiàn)艦船結(jié)構(gòu)材料上艦前的考核驗證，確保安全可靠應(yīng)用。

　　2.5 國內(nèi)艦船材料發(fā)展中存在的問題

　　隨著海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，海軍裝備進入高速發(fā)展期，對艦船材料的發(fā)展提出了更新、更高的要求，同時也暴露出艦船材料發(fā)展方面存在的問題[8]。

　　材料研發(fā)體制缺乏頂層溝通機制  艦船材料特別是船體結(jié)構(gòu)鋼屬于國家重大戰(zhàn)略資源，建設(shè)投入大、周期長，一般均由國家投資進行立項研制。例如在船體結(jié)構(gòu)鋼的研制和應(yīng)用方面，按照渠道劃分為國家立項支持船體結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)研制和軍方立項支持船體結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用研究。由于缺乏頂層的溝通機制，軍方主導(dǎo)作用受到制約，導(dǎo)致基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究結(jié)合不緊密，需求和投入結(jié)合度不高。一方面，造成對材料的先期投入不足，難以實現(xiàn)“材料先行”;  另一方面，易出現(xiàn)材料研制滯后問題，影響型號建造進度。

　　材料及配套體系構(gòu)建不完整 艦船關(guān)鍵材料及配套材料的現(xiàn)有體系( 如船體結(jié)構(gòu)鋼)  基本能滿足現(xiàn)有艦船裝備的要求，但距離戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型后的海軍裝備發(fā)展需求還存在材料種類、規(guī)格缺失等問題，影響了現(xiàn)有裝備建設(shè)進程及發(fā)展，急需開展相關(guān)研究，補充完善，同時加強艦船材料頂層規(guī)劃的研究工作。

　　材料應(yīng)用工藝技術(shù)成熟度不夠  船體結(jié)構(gòu)用鋁合金材料至今仍依賴進口，就是典型的材料加工技術(shù)成熟度不夠的問題。船體結(jié)構(gòu)鋼也同樣存在類似問題。艦船結(jié)構(gòu)建造工藝包括焊接、火工矯正、水火彎板、冷成型等，種類多、工藝復(fù)雜。特別是艦船作為一個巨大的焊接結(jié)構(gòu)，焊接工時占全船建造工時的30  ～ 40% ，焊接效率直接影響艦船的建造進度，焊接質(zhì)量直接影響艦船結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，因此艦船的焊接管控至關(guān)重要。921A 鋼需焊前預(yù)熱，980  鋼需焊前預(yù)熱、焊后后熱，對施工環(huán)境條件要求苛刻，如果焊接工藝執(zhí)行不嚴(yán)、焊接工藝更改的驗證試驗不充分，易出現(xiàn)如角焊縫裂紋等焊接質(zhì)量問題，容易影響艦船建造質(zhì)量。另外，先進高效的焊接工藝應(yīng)用較少。

　　關(guān)鍵材料技術(shù)性能落后甲板飛行涂料、液艙防腐蝕涂料、船體防污涂料、減振降噪材料、隱身材料等關(guān)鍵材料指標(biāo)性能落后，不能滿足艦船裝備發(fā)展需求。

　　艦船材料是海軍裝備發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，“一代材料、一代裝備”?！安牧舷刃小笔菄鴥?nèi)外武器裝備建設(shè)的共識，應(yīng)當(dāng)結(jié)合生成技術(shù)的進步，動態(tài)地改進、提高艦船材料研制應(yīng)用技術(shù)水平，實現(xiàn)艦船材料持續(xù)、協(xié)調(diào)、體系化發(fā)展。

　　3 艦船裝備發(fā)展對材料的需求

　　由于國家發(fā)展戰(zhàn)略和軍隊發(fā)展重點的要求，與國內(nèi)其他兵種和國際海軍裝備發(fā)展大勢相比，國內(nèi)海軍裝備發(fā)展速度長期緩慢。隨著海軍轉(zhuǎn)型要求，賦予了海軍新的歷史使命，對海軍裝備提出更高、更快、更強的要求，但材料問題成為制約海軍裝備快速發(fā)展的短板。在未來20  年，海軍將會有更多的艦艇型號立項、研制、交付使用，對先進材料的需求將會以幾何級數(shù)增長，艦船裝備材料技術(shù)領(lǐng)域?qū)媾R前所未有的壓力和機遇。

　　3.1 海軍裝備發(fā)展對先進材料的需求特征

　　根據(jù)世界各國海軍裝備的特點，海軍艦艇裝備的發(fā)展趨勢可概括為“深、大、遠、高、低”，即：  下潛深度更深，大噸位艦船更多，走向更遠海域，高航速、高機動性、高負(fù)載、高隱身性、高防護能力、高在航率等，低成本。因此對艦船裝備材料也提出了更高的要求，可概括為以下幾點：  ①提高潛艇的潛航深度可以提高潛艇的隱蔽性、機動性和生存能力。未來海軍潛艇下潛深度會更深，要求耐壓殼體承受壓力更大、耐壓殼體材料強度更高、規(guī)格更厚、更耐腐蝕、焊接性能更好;但耐壓殼體增厚會帶來重量、重心變化等總體設(shè)計問題，因此耐壓裝備材料需要更新?lián)Q代，需要發(fā)展輕質(zhì)非耐壓殼體材料。②航母、大型驅(qū)逐艦、兩棲攻擊艦等大型艦船以及氣墊船、艦載機以及新型特種裝備給材料技術(shù)提出更多特殊的要求。航母結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，其艉軸架、動力軸等鑄鍛件尺寸遠遠超過一般水面艦船;  飛機上艦要求研制彈射起飛、阻攔降落等關(guān)鍵設(shè)備，這些裝備的關(guān)鍵材料需要強大的技術(shù)儲備，需要開展相關(guān)大尺寸材料的制造工藝技術(shù)研究和新材料研制。③海軍艦艇在海洋中服役，必然會面臨腐蝕與海洋生物污損問題，遠海航行對先進材料的耐蝕性、可靠性、安全性的要求更高。海軍是材料腐蝕問題最為突出的兵種。海軍裝備逐步從近海走向遠洋，腐蝕環(huán)境更為惡劣，對裝備的可靠性、長壽命要求越來越高。提高塢修間隔期和在航率，才能充分發(fā)揮海軍裝備的作戰(zhàn)能力，這要求艦船材料具有良好的耐蝕性。整體提高艦船結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)功能一體化材料、電子功能材料的耐蝕性以及重要裝備的防腐蝕能力是迫切需要研究的課題。隨著艦員在艦上生活、工作時間越來越長，以及國際上對海洋環(huán)保要求越來越高，艙室環(huán)境居住性和對海洋的友好要求越來越嚴(yán)格，長壽命、綠色環(huán)保防腐防污材料需求將更為突出。④隱身性是未來艦艇最突出的技術(shù)特征和有效作戰(zhàn)最重要的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。海軍裝備高隱身性、高防護性能對先進的結(jié)構(gòu)/功能一體化材料特性提出了高要求。主要體現(xiàn)在水面艦艇以雷達隱身、潛艇以聲隱身等為重點，應(yīng)發(fā)展并應(yīng)用新型耐壓阻尼材料、主動阻尼材料、水聲材料、多頻譜隱身涂料等技術(shù)，同時探索研究磁、紅外、尾跡等其他隱身技術(shù)，加強艦船自身防護安全結(jié)構(gòu)和材料研究、研制發(fā)展艦艇用輕型防護裝甲材料，進一步提高關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料的抗打擊防護性能。⑤無論潛艇還是水面艦船，航速越高、機動性越好，越能在海戰(zhàn)中贏得主動。另一方面，潛艇與水面艦船配備的武器裝備及彈藥越多，在海戰(zhàn)中戰(zhàn)斗力越強。而要實現(xiàn)高航速、高機動性與高負(fù)載，則要求艦艇的結(jié)構(gòu)重量小，并盡量降低結(jié)構(gòu)重心，這對先進材料的種類和性能提出了長遠要求。鈦合金、鋁鎂合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的規(guī)模化應(yīng)用是解決艦艇減重、增加有效載荷和提高航速的關(guān)鍵途徑。⑥就單個裝備比較，艦船相對其他兵種的裝備要大得多、重得多，材料成本占裝備經(jīng)費比例非常高，控制材料成本意義重大。特別是在未來20  年海軍裝備處于大發(fā)展時期，大噸位艦船會越來越多，許多型號要批量建造、長時間保留。急需探索民用船體鋼替代技術(shù)，發(fā)展低成本鈦合金技術(shù)、低成本復(fù)合材料技術(shù)、先進高效焊接技術(shù)等。

　　3.2 艦船裝備發(fā)展對材料的需求分析

　　材料技術(shù)是裝備發(fā)展的三大支柱之一，先進材料制造技術(shù)的發(fā)展與核心軍事裝備的發(fā)展密切相關(guān)，新材料的探索研究并達到應(yīng)用水平應(yīng)早于新裝備的探索研究和立項研制。根據(jù)海軍裝備體系建設(shè)的需要，并結(jié)合目前的艦船材料體系發(fā)展現(xiàn)狀，艦船裝備發(fā)展主要需要解決以下幾個方面的需求。

　　3.2.1 現(xiàn)實迫切需求

　　在較短時間內(nèi)我國艦船將有大量新型號立項研制，國內(nèi)設(shè)計、研制、生產(chǎn)的材料中尚有大量的關(guān)鍵材料及技術(shù)急需突破。①在高性能結(jié)構(gòu)材料技術(shù)方面，優(yōu)先發(fā)展?jié)撏в娩摷芭涮撞牧舷盗谢芯浚ㄩ_展大規(guī)格980  厚板研制及相關(guān)模型結(jié)構(gòu)考核; 開展大規(guī)格980 雙球扁鋼研制; 開展980 鋼窄間隙焊接工藝研究，以及TIG 焊絲和金屬粉芯焊絲的研制; 開展40 MPa  高壓氣瓶用鋼研制; 開展通海系統(tǒng)、排煙管系以及專用關(guān)鍵設(shè)備與結(jié)構(gòu)材料換代研究;  開展?jié)撏ё枘岵牧?功能/結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)研究。另外圍繞水面艦船優(yōu)先發(fā)展921A、907A 雙球扁鋼的研制; 690 MPa  級易焊接鋼板及配套焊接材料的研制; 上層建筑用高強抗彈裝甲結(jié)構(gòu)的研制;  大尺寸鑄鍛件工藝研究。同時，還應(yīng)開展對低雷達反射截面、抗腐蝕、具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能的先進材料制備技術(shù)的研究。圍繞氣墊船設(shè)計制造，針對耐蝕鋁鎂合金材料性能不穩(wěn)定、可靠性差的問題，開展工藝優(yōu)化研究、微弧氧化等表面處理技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計理論及使用評價方法研究;  開展空氣螺旋槳材料和制造技術(shù)、焊接及連接技術(shù)、鋁合金抗腐蝕技術(shù)等各種關(guān)鍵設(shè)備的材料和制造技術(shù)的研究。②針對隱身材料，包括電磁波隱身材料、阻尼降噪材料、磁隱身材料等結(jié)構(gòu)/功能一體化材料技術(shù)方面，重點開展納米隱身涂層材料研究;  寬溫寬頻高性能阻尼材料的研究; 高性能、耐高壓(6. 0  MPa)、隔聲量大的阻尼隔聲材料的研究;主動阻尼控制技術(shù)、阻尼材料技術(shù)的集成應(yīng)用及綜合評定等。應(yīng)用于艦船不同部位的復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究;  復(fù)合材料上層建筑和潛艇指揮臺圍殼材料/結(jié)構(gòu)/功能一體化設(shè)計和評價技術(shù); 艦船桅桿、煙囪用復(fù)合材料的應(yīng)用研究;  新型隔熱絕緣配套材料研究等。③在特種功能材料應(yīng)用技術(shù)方面，優(yōu)先研究長效防腐防污涂層材料技術(shù); 高性能電極材料技術(shù); 艦船非鋼質(zhì)船體長效無毒防污材料;  飛行甲板防滑涂料工程應(yīng)用技術(shù); 防腐防污技術(shù)的智能化、集成化技術(shù)以及壽命快速評估預(yù)測技術(shù); 高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用集成技術(shù)等。

　　3.2.2 共性長期需求

　　除以上迫切需要解決的現(xiàn)實需求外，艦船裝備發(fā)展對先進材料提出了更長期的發(fā)展需求，主要包括：

　　艦船材料腐蝕監(jiān)檢測與評估評價技術(shù)  腐蝕是影響裝備可靠性最主要、最普遍的危害。應(yīng)重點研究對關(guān)鍵部位、關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)檢測技術(shù)、涂層性能無損快速檢測技術(shù)及相關(guān)的設(shè)備研制，并在此基礎(chǔ)上形成評估專家系統(tǒng)、遠程診斷系統(tǒng)，同時開展艦船裝備材料使用評價方法、抗失效技術(shù)及評估理論研究。

　　輕質(zhì)材料及材料結(jié)構(gòu)/功能一體化技術(shù) 對復(fù)合材料、鈦合金以及高強度鋁合金材料與結(jié)構(gòu)( 如波紋夾芯板)均有長期的需求，對作戰(zhàn)能力要求高(  搭載武器電子裝備多、彈藥多)、續(xù)航時間長( 自載燃油、淡水量大)、航速高( 重量小) 和抗風(fēng)浪等級高(  重心低、穩(wěn)性好)的作戰(zhàn)艦艇尤其如此，需要大量采用輕質(zhì)材料，對降低結(jié)構(gòu)重心、增加有效載荷、提高機動性有重要意義。

　　隱身材料技術(shù) 重點研究寬頻、有效、可大面積應(yīng)用、可操作性強的艦用雷達隱身材料; 電磁屏蔽材料與技術(shù); 雷達兼容熱紅外等一體化艦用隱身材料;  玻璃鋼結(jié)構(gòu)艦用隱身材料; 艦用雷達偽裝網(wǎng); 艦用多頻譜偽裝網(wǎng); 超高內(nèi)耗阻尼材料、寬工作溫度區(qū)間和寬頻帶范圍高阻尼材料及結(jié)構(gòu)/功能一體化高阻尼材料等。

　　先進水聲換能材料及換能器制造技術(shù)  對潛艇來說，需要突破低頻大功率水聲換能器性能，要研制滿足大潛深要求的水聲換能器，要重點解決大尺寸新一代磁致伸縮水聲換能器制備關(guān)鍵技術(shù)。

　　低成本材料制造及應(yīng)用技術(shù)  艦船的特點是結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，所需材料品種多、數(shù)量多、重量大，材料所占裝備經(jīng)費比例高。低成本鈦合金、復(fù)合材料制備技術(shù)是艦艇裝備發(fā)展的共性需求。另一個方面是材料的低成本應(yīng)用技術(shù)。突出例子是高強度鋼的焊接，要求預(yù)熱焊接，工藝復(fù)雜，造成船體制造成本大幅度增加。如何在材料技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)上創(chuàng)新，簡化焊接工藝，對于降低成本具有重要意義。

　　艦船材料性能退化抑制技術(shù) 艦船服役壽命要求長，一般在30 a 以上，航母甚至要求達到50  a。艦船服役環(huán)境苛刻，金屬材料耐腐蝕表面處理技術(shù)及復(fù)合材料、非金屬材料老化抑制技術(shù)是必須面對的問題。提高金屬材料與復(fù)合材料的耐腐蝕性能，提高防腐防污材料的防護期效和服役壽命，是艦船裝備長期的共性需求。例如復(fù)合材料的老化、阻尼材料阻尼性能下降。

　　綠色安全材料技術(shù)  艦船裝備既要執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)，還要執(zhí)行和平使命，這就要求艦船防腐防污涂料是環(huán)境友好型的，包括艦船上的排放物。同時，海軍官兵長期在艦船上居住生活，更要求艦船艙室內(nèi)所用的材料是綠色環(huán)保、阻燃無毒的，保證官兵的健康，并在發(fā)生火災(zāi)的情況下保證官兵的安全。因此，艦船裝備的發(fā)展，對綠色安全材料有共性需求。

　　新型隔熱材料技術(shù)  目前，各型艦船的隔熱材料、絕熱材料都相對落后。需要加強新型隔熱材料———聚酰亞胺泡沫的應(yīng)用研究和現(xiàn)用隔熱材料升級換代，以及隔熱絕緣配套材料研究。

　　艦船材料全壽命支持?jǐn)?shù)據(jù)庫及信息系統(tǒng)  目前已經(jīng)建立有“艦船用鋼數(shù)據(jù)庫”，應(yīng)進一步擴大和加強艦船材料數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，使之涵蓋艦船結(jié)構(gòu)鋼、艦船動力系統(tǒng)材料、復(fù)合材料、船用功能材料等，逐步建立起“艦船材料全壽命支持?jǐn)?shù)據(jù)庫及信息系統(tǒng)”，服務(wù)于艦船材料決策、研發(fā)、采購、建造、維護流程，有效支持艦船裝備信息建設(shè)化的進程。

　　4 艦船裝備材料未來發(fā)展方向

　　現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展使艦船裝備的面貌產(chǎn)生了深刻的變化，成為其戰(zhàn)斗力的主要標(biāo)志，而先進材料又是艦船上高新技術(shù)實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。先進材料的研發(fā)直接關(guān)系到艦船整個系統(tǒng)的運行、維護和安全，開發(fā)高性能的先進材料能為增強艦艇作戰(zhàn)能力和降低服役期的成本提供有力保障。

　　當(dāng)前艦船材料研究與應(yīng)用的總趨勢是，由以結(jié)構(gòu)材料為重點轉(zhuǎn)向以結(jié)構(gòu)/功能一體化材料、特種功能材料等高性能材料為重點。就用量而言，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料在未來的艦船建造中仍占絕對的多數(shù);  但就發(fā)揮功能而言，高技術(shù)新材料則占有更重要的地位。整體來看，艦船裝備材料未來的發(fā)展方向可以從以下幾個方面進行說明[14 - 15]：

　　4.1 結(jié)構(gòu)材料

　　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼材料  鑒于傳統(tǒng)艦船用高強度結(jié)構(gòu)鋼的不可替代優(yōu)勢，研發(fā)高性能的結(jié)構(gòu)鋼及相關(guān)配套材料仍將是我國艦船裝備材料技術(shù)的主要發(fā)展趨勢之一。我國艦船裝備用高強度鋼未來主要向提高加工制造工藝性、高性能化、低成本、建立材料技術(shù)設(shè)計基本理論和方法等方面發(fā)展。

　　新型結(jié)構(gòu)材料 對于某些特殊的結(jié)構(gòu)(  如表面效應(yīng)船、混合式水翼船、深潛器、大深度魚雷等的殼體結(jié)構(gòu))，要求使用高比強度的材料，以減輕殼體的重量，提供合理的有效載荷，必須發(fā)展如鈦合金、鋁合金、銅合金等新型結(jié)構(gòu)材料，其中鈦合金是未來新型結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主力材料。我國船用鈦合金品種、規(guī)格不完善，加工和制造技術(shù)也相對落后，目前僅局限應(yīng)用于聲吶導(dǎo)流罩、舷側(cè)陣透聲窗、進排氣管路、少量閥門及管路附件等專用結(jié)構(gòu)的制造。研究和應(yīng)用鈦合金材料，將進一步提高我國艦船裝備的作戰(zhàn)性能，提高艦船的生命力和使用壽命，是我國艦船裝備的重要發(fā)展趨勢之一。我國鈦合金材料技術(shù)未來主要向提高綜合性能、低成本、可靠焊接性、復(fù)雜制造、推廣應(yīng)用、完善材料體系等方向發(fā)展。

　　4.2 結(jié)構(gòu)/功能一體化材料

　　鑒于復(fù)合材料的巨大優(yōu)勢，國外海洋強國不斷加強艦船復(fù)合材料研制和應(yīng)用，且逐漸由非承力結(jié)構(gòu)向主/次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展，從局部使用向大規(guī)模應(yīng)用擴展。我國艦船裝備復(fù)合材料研制和應(yīng)用水平起步較晚，僅在聲吶導(dǎo)流罩、雷達天線罩、水雷殼體、桅桿等專用構(gòu)件有所應(yīng)用，因此加大復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用力度，將對我國艦船裝備的總體性能提高具有重大意義。我國艦船裝備用復(fù)合材料未來主要向低成本、高性能化、多功能型、優(yōu)化連接、長壽期、安全可靠等方面發(fā)展。

　　艦船裝備隱蔽性能的提高，離不開隱身材料技術(shù)的發(fā)展和支撐。艦船裝備，尤其是潛艇的隱蔽性能，已日益成為其最突出的性能指標(biāo)之一，而反潛技術(shù)的發(fā)展對潛艇的隱蔽性又提出了新的更高要求。我國艦船裝備的隱蔽性能與國外存在差距，研發(fā)和應(yīng)用先進的新型隱身材料技術(shù)，將是提高我國艦船裝備，尤其是提高潛艇隱蔽性能的重要舉措之一。未來主要向多功能化、主動減振、智能化、低成本化等方面發(fā)展。

　　此外，探索納米結(jié)構(gòu)/功能一體化、仿生結(jié)構(gòu)/功能一體化、智能結(jié)構(gòu)/功能一體化材料等新概念材料的新特性、新方法也是結(jié)構(gòu)/功能一體化材料技術(shù)發(fā)展的重要方向。

　　4.3 特種功能材料

　　無論是防護效果，還是防護材料的使用壽命，我國的防護材料技術(shù)水平均落后于國外發(fā)達國家。因此，開發(fā)和應(yīng)用更先進、綜合防護性能更好的防護材料，是提高我國艦船裝備防護水平的必然選擇。我國艦船裝備防護材料(包括防腐、防污、防滑、耐高溫密封防漏、艙室裝飾等材料)未來主要向高效、低成本、可靠、環(huán)保、安全檢測及控制等方面發(fā)展。在發(fā)展特種功能材料技術(shù)的同時，還應(yīng)開展高性能儲氫材料、永磁材料、電極材料、水聲換能材料、高溫超導(dǎo)材料等特種功能材料的探索研究。

　　在發(fā)展以上材料的同時，應(yīng)加大探索對艦船裝備發(fā)展有重大影響和有重大軍事應(yīng)用前景的前瞻性材料，如生物材料、納米材料等;  同時，還應(yīng)加強對先進制造與成型技術(shù)的探索。

　　5 結(jié)語

　　目前我國艦船材料整體技術(shù)水平和行業(yè)管理能力與船艦裝備建設(shè)跨越式發(fā)展的要求還存在一定差距，針對以上存在問題，在今后工作中，應(yīng)力爭在不同層面和不同方面取得發(fā)展和提升。主要研究重點有以下幾點：  ①加強艦船裝備先進材料技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略研究，制定相應(yīng)的新材料發(fā)展規(guī)劃; ②加強艦船裝備先進材料研發(fā)過程中的頂層設(shè)計管理，確保研發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量;  ③盡快完成適應(yīng)我國艦船裝備發(fā)展的材料體系建設(shè); ④加大艦船用前瞻性材料研究，建立新材料上艦應(yīng)用有效模式。