孟曉宇，吳始棟，王祖華

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430000;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，河南 洛陽(yáng)471039)

0 引 言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，黨的十八大提出了“堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的目標(biāo)，這就對(duì)艦船裝備的性能和發(fā)展提出了更高的要求。

材料技術(shù)是艦船裝備研制和發(fā)展最基礎(chǔ)的因素，是使艦船裝備達(dá)到預(yù)定戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、確保使用安全可靠、易于建造維修的關(guān)鍵因素之一。尤其對(duì)于潛艇這樣一個(gè)龐大、復(fù)雜的水下武器發(fā)射平臺(tái)，艦船材料的性能對(duì)于其總體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)下潛深度等戰(zhàn)技性能指標(biāo)至關(guān)重要，是其生命力和可靠性的主要保證，也是全壽期建造效費(fèi)比的重要影響因素。

艦船(潛艇)材料有不同的劃分體系，一般可分為船(艇)體結(jié)構(gòu)材料、各系統(tǒng)和設(shè)備材料、提高某種特性(如減振降噪、防腐蝕等)的功能材料。所用材料涉及鋼材、鋁合金、鈦合金、銅合金、復(fù)合材料等。

其中潛艇的艇體結(jié)構(gòu)鋼材在潛艇建造中用量最大，耐壓殼體的重量約占潛艇水下排水量的20%～40% (視潛艇類(lèi)型不同而有差異)。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，每艘“俄亥俄”級(jí)核潛艇建造時(shí)需要耗費(fèi)10 000 t 鋼材，而每艘“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇需要4 500 t 鋼。艇體結(jié)構(gòu)鋼的體系是否合理完整、綜合性能的優(yōu)劣直接影響到潛艇的戰(zhàn)技性能和水平。潛艇結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)歷發(fā)展，目前美、俄、英、德等各潛艇強(qiáng)國(guó)都建立了較完整的潛艇結(jié)構(gòu)鋼體系，并在繼續(xù)投入研發(fā)。

1 海洋環(huán)境對(duì)艇體結(jié)構(gòu)鋼的要求

1.1 潛艇工作的海洋環(huán)境

潛艇長(zhǎng)期運(yùn)行在復(fù)雜的海洋環(huán)境中。根據(jù)調(diào)查，地球上海洋水面溫度+28°F～+850°F，水下溫度－30°F～+12 000°F，海水平均鹽度35 ppm。不同深度的氧含量、溫度、鹽度等條件也會(huì)發(fā)生變化，如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境條件隨深度的變化示意圖Fig.1 Sketch map of variety of sea environment vs depth

下潛時(shí)，潛艇耐壓殼體在工作深度下需要長(zhǎng)期承受深海的靜水壓力;考慮戰(zhàn)術(shù)要求，在服役期間，其上浮和下潛大約10 000－30 000 次，艇體需要承受反復(fù)的壓力載荷變化;潛艇隨時(shí)有可能受到敵方水中魚(yú)雷、水雷、水下導(dǎo)彈等兵器的攻擊，在受到攻擊時(shí)，在運(yùn)行工作深度以及動(dòng)態(tài)載荷等沖擊作用下，耐壓殼體不被破壞，不產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這就要求艇體結(jié)構(gòu)具備一定抗沖擊性能;腐蝕性的海洋大氣和海水介質(zhì)、不同地區(qū)以及海洋深度的溫差的巨大變化都是潛艇航行中不得不面對(duì)的海洋環(huán)境。

1.2 海洋環(huán)境對(duì)艇體結(jié)構(gòu)鋼的性能要求

根據(jù)潛艇使用環(huán)境和作戰(zhàn)的需求，為了保證潛艇安全可靠的運(yùn)行，美國(guó)海軍曾經(jīng)對(duì)潛艇用鋼的性能、焊接材料、制造技術(shù)進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)［1－2］，提出了艇體結(jié)構(gòu)鋼材的總體要求:考慮到耐壓殼體接觸的海洋環(huán)境，必須具備適當(dāng)?shù)哪透g性和在－30°F～+12 000°F 溫度范圍內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定的物理性能;由于使用典型的結(jié)構(gòu)形狀和受到載荷作用方式，希望有高彈性模量以防止過(guò)早失穩(wěn)，并希望高彈性模量、密度和高屈服強(qiáng)度相結(jié)合;在受到敵人攻擊時(shí)，不僅材料本身，而且在它的連接處必須具有一定的韌性和足夠的抗斷裂能力;在循環(huán)載荷作用下，基體和接頭必須有抗低周疲勞能力;材料不僅可以做成板材，而且可以軋制或擠壓成型材，諸如環(huán)形加強(qiáng)肋，還需要鑄件和鍛件與殼體連接和貫穿到殼體中;使用的材料必須容易制造，實(shí)用性強(qiáng);無(wú)論何種形式交貨的鋼材都很容易利用船廠常用裝備進(jìn)行軋制、彎曲和壓力等冷加工成型(保持一致的屈服強(qiáng)度);在通常船廠條件下容易焊接;基體材料和制造程序的主要成本應(yīng)當(dāng)比較合理。

考慮到海洋環(huán)境的影響，對(duì)艇體結(jié)構(gòu)鋼性能關(guān)注的重點(diǎn)如下:

1)高強(qiáng)度

開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度的潛艇結(jié)構(gòu)鋼是潛艇實(shí)現(xiàn)大潛深的物質(zhì)基礎(chǔ)，強(qiáng)度與潛深的關(guān)系如表1所示。因而追求高強(qiáng)度一直是各國(guó)潛艇結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展趨勢(shì)。

表1 鋼的強(qiáng)度與下潛深度的關(guān)系Tab.1 The relaitonship between intensity of steel and depth of submergence

圖2 艇用鋼材的強(qiáng)度變化Fig.2 The change of intensity of steel using in submarine

圖2 給出了艇用鋼材屈服強(qiáng)度的變化，可以看出，二戰(zhàn)后，大約每隔8～10年，鋼的強(qiáng)度升高一個(gè)級(jí)別。

2)高韌性和抗爆性

圖3 展示了美國(guó)潛艇用鋼的韌性發(fā)展。可以看出，美國(guó)潛艇用鋼在提高強(qiáng)度的同時(shí)，繼續(xù)保持具有相當(dāng)?shù)捻g性，以提高艇體的抗爆性能。

一般說(shuō)來(lái)，高強(qiáng)度材料呈現(xiàn)脆性，但是通過(guò)熱處理可以提高鋼的強(qiáng)度的同時(shí)不會(huì)降低韌性。美國(guó)耐壓殼體用鋼HY 系列鋼(HY－80，HY－100，低碳－130)的吸收能大約是150 J。非關(guān)鍵部位使用的HSLA 鋼(HSLA－80，HSLA－100)的吸收能大約為250 J。

圖3 美國(guó)艇用鋼材的韌性發(fā)展Fig.3 The development of tenacity of steel using in American submarine

美國(guó)利用爆炸鼓脹試驗(yàn)和爆炸鼓脹裂紋源試驗(yàn)測(cè)定潛艇用鋼的抗爆性。爆炸鼓脹試驗(yàn)是1950年美國(guó)Hartbower和Pellini 研制成的一種獨(dú)特、簡(jiǎn)單的測(cè)定母板和焊件在綜合應(yīng)力場(chǎng)下變形的方法。爆炸鼓脹裂紋源試驗(yàn)，則是引入人工脆性裂紋的爆炸鼓脹試驗(yàn)。這2種方法已經(jīng)在HTS，HY－80，HY－100 等潛艇用鋼上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明是很好的檢驗(yàn)抗爆性方法。

為了比較HTS和HY－80 潛艇用鋼的抗爆性，美國(guó)曾經(jīng)分別用1個(gè)HTS 制造的潛艇結(jié)構(gòu)模型、2個(gè)HY－80 制造的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行類(lèi)似受到敵人攻擊的水下爆炸試驗(yàn)，潛艇結(jié)構(gòu)是T型框架與殼板焊接，這些框架連接焊縫承受達(dá)到臨界載荷。通過(guò)結(jié)構(gòu)上裂紋起源和擴(kuò)展觀察，發(fā)現(xiàn)HTS 結(jié)構(gòu)模型性能較差，產(chǎn)生幾處脆性破壞，而HY－80 結(jié)構(gòu)模型，只發(fā)生微量裂紋傳播，產(chǎn)生大量永久性變形。說(shuō)明HY－80 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)于HTS。

3)耐腐蝕性能

根據(jù)《中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告》(2003)，我國(guó)腐蝕總損失約為GDP的5% (美國(guó)為3.4%)。2012年腐蝕帶來(lái)的損失達(dá)2.6 萬(wàn)億元，大于所有自然災(zāi)害損失的總和(0.42 萬(wàn)億元)。腐蝕的損失巨大，對(duì)于潛艇來(lái)說(shuō)更是影響其安全性和壽命。

通過(guò)微合金成分設(shè)計(jì)調(diào)整鋼鐵材料中的化學(xué)元素成分，保持較高的潔凈度，對(duì)組織、夾雜物和腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì)進(jìn)行控制等方法，可以實(shí)現(xiàn)降低電化學(xué)反應(yīng)速度，從而顯著改善鋼鐵材料耐海洋環(huán)境腐蝕的性能。

以Fe－Cr 合金為例，圖4 給出了Fe－Cr 合金在不同鉻含量下的極化曲線，可以看出隨著鉻含量的提高，耐腐蝕性提高。

除了研發(fā)耐海水腐蝕鋼以外，控制腐蝕的其他措施包括表面處理和改性、防腐涂料/涂層、陰極保護(hù)(犧牲陽(yáng)極)措施、緩釋劑等。

圖4 鐵鉻合金的極化曲線Fig.4 The polarization curve of Fe－Cr alloy

2 配套焊接材料及其工藝

隨著鋼的強(qiáng)度級(jí)別要求越來(lái)越高，艇體鋼的碳含量大幅增加，這使得鋼的焊接變得十分困難。

在各國(guó)建造潛艇和實(shí)艇分段試驗(yàn)時(shí)，都曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)焊接裂紋問(wèn)題。經(jīng)過(guò)研究，從調(diào)整焊接材料化學(xué)成分和改進(jìn)焊接工藝著手，諸如降低含碳量，注意貯存材料，采用低氫焊條，提高預(yù)熱溫度，使得焊接裂紋問(wèn)題基本得到解決。

各種潛艇用鋼均采用藥皮焊條電弧焊(SMAW)，金屬熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)和鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)3 種方法。對(duì)HY－80和NS63 鋼的試驗(yàn)結(jié)果表明，只有最后一種方法能夠保證潛艇結(jié)構(gòu)所要求的韌性。為了保證其韌性，還需采用焊縫金屬屈服強(qiáng)度比母材低的匹配焊接接頭。采用低匹配焊縫金屬同時(shí)可以改善可焊性，焊縫抗裂性，提高抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力。對(duì)焊接材料必須控制低含氫量，預(yù)熱溫度等。

美國(guó)努力開(kāi)發(fā)HY－130 (屈服強(qiáng)度900 MPa級(jí))鋼的過(guò)程中，在金屬極惰性氣體保護(hù)焊時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋問(wèn)題，在1992年這一問(wèn)題才得到解決，使得HY－130 鋼基本達(dá)到實(shí)用化階段。美國(guó)以提高可焊性為目的，開(kāi)發(fā)了抑制合金成分的HSLA－80(屈服強(qiáng)度550MPa 級(jí))和HSLA－100 (屈服強(qiáng)度700 MPa 級(jí))，作為非關(guān)鍵部位使用。美國(guó)正在考慮使用的低碳、易焊接的HSLA－130 鋼，該材料在焊接時(shí)不必進(jìn)行預(yù)熱。

目前英國(guó)所有潛艇耐壓殼體均使用Q1N 鋼，而焊接材料是按照英國(guó)海軍工程標(biāo)準(zhǔn)NES770 第2 部分的規(guī)定。它采用20世紀(jì)90年代研制的2 種焊接材料。一種是實(shí)心氣保焊接材焊絲，另一種是直徑為1.2 mm的熔劑芯焊絲LEXAL T 22.9.3N (名義成分22 % Cr－9% Ni－3% Nb)，應(yīng)用80%Ar和20%CO2保護(hù)氣體。在三叉戟工程(核潛艇工程)的開(kāi)發(fā)中還開(kāi)發(fā)了1.2 mm 直徑的混合熔芯焊絲(FCAW)Dualshield 101TM，可以大大提高生產(chǎn)率，使用這種焊絲取得了巨大成功。英國(guó)國(guó)防部目前已經(jīng)用脈沖鎢極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)和FCAW 焊接工藝完成評(píng)定潛艇改裝工作中使用雙相不銹鋼焊接材料的試驗(yàn)。另一個(gè)重要成就，就是用電子束焊接鍛鋼件(閥)與潛艇殼體，并滿足性能要求。

3 國(guó)外潛艇用鋼的發(fā)展和現(xiàn)狀

1940年以前，世界上所有的潛艇都是用低碳鋼建造的，鋼的屈服強(qiáng)度僅為220 MPa，潛艇的下潛深度也比較淺，即100 m 左右［3］。1940～1958年，美國(guó)采用屈服強(qiáng)度為340 MPa 級(jí)的碳錳系低合金高強(qiáng)度鋼HTS (High Tensile Steel)建造潛艇，使?jié)撏У南聺撋疃仍黾?，可達(dá)100～200 m，提高了潛艇的隱蔽性。1958年美國(guó)開(kāi)始使用屈服強(qiáng)度為550 MPa 級(jí)的鎳鉻鉬系淬火回火的低合金高強(qiáng)度鋼HY－80 建造潛艇，在80年代中期之前建造的所有核動(dòng)力潛艇均采用HY－80 鋼。在此鋼的基礎(chǔ)上，采用增加合金化元素和熱處理又發(fā)展了HY－100 鋼，使鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到690 MPa 級(jí)，工作深度可達(dá)610 m。從80年代中期開(kāi)始實(shí)施“海狼”號(hào)計(jì)劃［4］，“海狼”號(hào)是首次用HY－100鋼建造核潛艇整個(gè)殼體。1963年美國(guó)鋼鐵公司又開(kāi)始研究屈服強(qiáng)度為890 MPa 級(jí)的HY－130 鋼。該鋼曾嘗試用于建造“海狼”號(hào)核潛艇殼體分段，因發(fā)生焊接裂紋問(wèn)題，為不影響工程進(jìn)度， “海狼”號(hào)又改為采用HY－100 鋼。雖然1992年已經(jīng)解決HY－130 鋼焊接裂紋問(wèn)題［5－6］，具備建造潛艇殼體的條件，海狼級(jí)后續(xù)的2艘艇仍采用HY－100 鋼，HY－130 將作為技術(shù)成熟的貯備鋼種。

蘇聯(lián)/俄羅斯海軍為了與美國(guó)海軍對(duì)抗，花費(fèi)大量財(cái)力和人力研發(fā)隱蔽性好、武器裝備先進(jìn)的潛艇，其中，潛艇殼體材料采用了高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鈦合金。蘇聯(lián)已經(jīng)研制了屈服強(qiáng)度為390 MPa的提供常規(guī)潛艇和核動(dòng)力潛艇所需要的耐壓殼體用鋼СХЛ－4，屈服強(qiáng)度為588～1 176 MPa的AK－系列鋼以及屈服強(qiáng)度為588～1 176 MPa 范圍的適合北極寒冷地帶應(yīng)用的艦艇和民用船舶使用的AБ 系列鋼。其高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到世界最高水平，下潛工作深度已從200 多米發(fā)展到610 m。蘇聯(lián)也是世界上唯一把鈦合金用于潛艇耐壓殼體的國(guó)家，其下潛工作深度可達(dá)1 250 m。

日本在戰(zhàn)后的較短時(shí)間內(nèi)，借鑒美國(guó)的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，利用合作開(kāi)發(fā)先進(jìn)鋼的機(jī)會(huì)，在20世紀(jì)50年代至80年代，研制成一系列常規(guī)潛艇用鋼，把屈服強(qiáng)度從294 MPa (NS30 鋼)提高到1 078 MPa (NS110鋼)，其相應(yīng)的下潛深度從150 m 提高到500 m 以上，成為世界上常規(guī)潛艇用鋼最先進(jìn)的國(guó)家。

歐洲英、法兩國(guó)均具有常規(guī)和核動(dòng)力潛艇建造能力，對(duì)潛艇耐壓殼體用鋼具有獨(dú)立研究能力，潛艇鋼材及其配套焊接材料均立足于國(guó)內(nèi)，而且也借鑒了美國(guó)潛艇用鋼的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。其中，英國(guó)潛艇用鋼先是獨(dú)立研制，隨后吸收美國(guó)潛艇用鋼發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，研制成具有與美國(guó)HY－80，HY－100 同等屈服強(qiáng)度水平的Q1N、Q2N 鋼，并開(kāi)展了與HY－130 鋼同等水平的Q3N 鋼的研究工作。目前英國(guó)的常規(guī)潛艇和和核潛艇均采用Q1N 耐壓殼體，已制訂了Q2N的軍用規(guī)范。法國(guó)潛艇至今采用3 種屈服強(qiáng)度等級(jí)鋼，即60HLES，80HLES和100HLES，前者用于建造常規(guī)潛艇，后2種用于核潛艇，其屈服強(qiáng)度等級(jí)分別與HY－80、HY－100和HY－130 相當(dāng)。德國(guó)則擅長(zhǎng)于低磁鋼建造常規(guī)潛艇的工作，其強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)于美國(guó)HY80 潛艇用鋼。荷蘭，意大利等國(guó)則是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)潛艇用鋼進(jìn)行建造工作。荷蘭建造的潛艇采用HY－80和HY－100鋼。意大利近代建造的“薩烏羅”級(jí)潛艇采用HY－80 鋼，最大下潛深度250 m。

世界各國(guó)潛艇典型用鋼的情況及相應(yīng)的工作深度、屈服強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

表2 世界各國(guó)潛艇典型用鋼Tab.2 Typical steel using in submarine of countries all over the world

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外艇體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展現(xiàn)狀以及海洋環(huán)境下的作戰(zhàn)使用要求，分析未來(lái)艇體結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有:

1)為適應(yīng)潛艇的超大潛深要求，研發(fā)更高強(qiáng)度的艇體結(jié)構(gòu)鋼及其配套材料的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用技術(shù)仍是未來(lái)的主要發(fā)展方向之一。

2)注重提高鋼材整體的性能，包括塑性、韌性、抗爆性能、耐腐蝕性、抗疲勞特性等。

3)注重高強(qiáng)度鋼不預(yù)熱或低溫預(yù)熱及焊后不預(yù)熱的焊接技術(shù)、高強(qiáng)度鋼焊接及冷熱加工工藝研究。進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)鋼的工藝性能也是今后重要的研究方向。

4)追求鋼材高性能的同時(shí)，更加強(qiáng)調(diào)低成本的經(jīng)濟(jì)性能。

5)進(jìn)一步發(fā)展高強(qiáng)度鋼焊縫無(wú)損檢測(cè)、結(jié)構(gòu)鋼健康性能監(jiān)測(cè)、安全評(píng)價(jià)、壽命分析等理論和技術(shù)，為鋼材性能的評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)提供完備的技術(shù)手段。

6)適用于北極地區(qū)等極端環(huán)境條件下使用的耐寒鋼等特殊鋼材的研發(fā)。

鑒于高強(qiáng)度鋼不可替代的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)高性能的結(jié)構(gòu)鋼仍將是艇用材料的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。我國(guó)的艇用鋼材體系雖已基本建立，但在材料設(shè)計(jì)的基本理論等基礎(chǔ)研究方面還較薄弱，在艇體鋼材的制備應(yīng)用技術(shù)方面還不能完全滿足潛艇建造和使用的需求，同時(shí)鑒于材料研究的基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性，在艇用結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)方面還有許多工作需要加大投入力度，國(guó)外的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展歷程可以為我國(guó)這方面的研究提供參考和借鑒。

［1］S R.HELLER，F(xiàn)IORITI I，JOHN V.An evaluation of HY－80 steel as a structural material for submarine，Part I［J］.Naval Engineering Journal，1965(2).

［2］HELLER S R，F(xiàn)IORITI I，VASTA J.An evaluation of HY－80 Steel as a structural material for submarine Part II［J］.Naval Engineering Journal，1965(4).

［3］潛艇用鋼［EB/OL］.2009－07－20，http://www.sososteel.com/.

［4］SSN－21 Seawolf class［R］.2005:2－8.

［5］M.C.JOHN.Text from the congressional record［R］.McCain，John.

［6］Navy Ships:Problems Continue to Plague the Seawolf Submarine Program［R］.NSIAD－93－171 August 4，1993.

［7］戶部陽(yáng)一郎.潛艇用材料的過(guò)去，現(xiàn)在和將來(lái)［J］.防衛(wèi)技術(shù)，1990(11):19－39.

［8］The history of welded structures in Japan［R］.The Japan Welding Engineering Society，2002.