摘 要：本文論述了美國航母高強度結(jié)構(gòu)用鋼的歷史發(fā)展情況，對美國航母結(jié)構(gòu)用鋼的性能特點、應(yīng)用部位、機(jī)械性能、化學(xué)成份等進(jìn)行了對比分析。通過分析認(rèn)為，先進(jìn)的高強度結(jié)構(gòu)用鋼是一個國家海軍發(fā)展的基礎(chǔ)之一，良好的結(jié)構(gòu)材料及其合理應(yīng)用不但可以提高航母船體結(jié)構(gòu)的強度和抗打擊能力，還能有效地減輕船體結(jié)構(gòu)的重量，有利于進(jìn)一步提高航母的總體性能，增加排水量。

關(guān)鍵詞： 航母 結(jié)構(gòu)用鋼 美國

1 美國典型航母用鋼情況

美國航母的高強度結(jié)構(gòu)用鋼已經(jīng)從最初的HTS鋼及HY 鋼發(fā)展到現(xiàn)在的HSLA 鋼，其屈服強度值從352 MPa 到903 MPa 共5 個等級。其中HSLA 鋼目前共有HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100 和HSLA-115 四個品種，屈服強度分別為449 MPa、549 MPa、689 MPa 和795 MPa；其中，HSLA-65 鋼首次在航母上應(yīng)用是“布什”號航母（CVN 77），而HSLA-115的首次應(yīng)用將是在未來航母“福特”號航母（CVN78）上。

1）“尼米茲”級航母“尼米茲”級航母是目前世界上最先進(jìn)的大型航空母艦，也是美國海軍現(xiàn)役航母的主要構(gòu)成部分，共造10 艘。該級航母首艦“尼米茲”號于1968 年開始建造，1975 年3 月服役，到2008 年已經(jīng)有9艘“尼米茲”級核動力航母在役；其最新的“喬治?布什”號（CVN 77）于2006 年下水，2009 年初服役。CVN 77 核動力航母總長332.9 m， 寬40.8 m，吃水11.3 m， 滿載排水量102 000 t； 飛行甲板長332.9 m，斜角甲板長237.7 m，寬76.8 m；機(jī)庫甲板長208.48 m，寬32.92 m，機(jī)庫凈高8.07 m；最大航速可達(dá)30 kn。

“尼米茲”級航空母艦從首艦建造到如今已有40年的時間，這段時間航母的船體結(jié)構(gòu)材料得到了迅猛發(fā)展，從最初的HY 系列到現(xiàn)在已經(jīng)擁有成熟技術(shù)的HSLA-80、 HSLA-100 鋼材，這些船體材料的發(fā)展在“尼米茲”級航母上都能充分體現(xiàn)出來。

“尼米茲”級航母飛行甲板由20 ~ 50 mm 厚的鋼板和復(fù)合裝甲材料組成。為減輕航母自身重量，早期的“尼米茲”級的艦體主要采用屈服強度為549 MPa的HY-80 高強度鋼， 裝甲結(jié)構(gòu)采用屈服強度為689 MPa 的HY-100 超高強度鋼。20 世紀(jì)80 年代中期以后建造的“尼米茲”級航母主要結(jié)構(gòu)材料改為HSLA-80 和HSLA-100 高強度低合金鋼。HSLA-100鋼在航母上的應(yīng)用最初是在“尼米茲”級的“斯坦尼斯”號（CVN 74）上，用量約為2 080 t。圖1 及圖2 為“斯坦尼斯”號上相關(guān)板架圖例，圖3 是其應(yīng)用示意。據(jù)初步估算，與采用HY-100 鋼相比，引入HSLA-100 鋼每噸可節(jié)省500 ~ 3 000 美元不等。不過對于厚度大于25.4 mm 的鋼板，仍需采用與HY-100相同的焊接預(yù)熱工藝，造成這種預(yù)熱要求的原因并不是材料本身，而是對焊條的各種限制。目前美國已經(jīng)開發(fā)出低氫敏焊條，以便能在較低的預(yù)熱溫度下焊接較厚的HSLA-100 鋼材。

HSLA-100 鋼是美國為先進(jìn)的攻擊型核潛艇（非耐壓殼體）和新建的航母殼體而研制的專用鋼，屬低碳銅沉淀強化鋼，其強度性能已達(dá)到HY-100 鋼的水平，板厚可達(dá)100 mm，焊接材料與HY100 鋼的相同。與HY100 鋼相比，不同之處在于可在較低的焊接預(yù)熱/ 層間溫度下施焊，從而降低了建造成本。該型號鋼焊接預(yù)熱溫度僅在15.6℃ ~ 93.3℃之間，而HY100鋼根據(jù)厚度不同預(yù)熱溫度在51.7 ℃ ~ 149 ℃ 之間。HSLA-100 鋼材在“斯坦尼斯”號上的應(yīng)用取得了很好的效果，因而很快在“杜魯門”號航母（CVN75）上開始了大范圍應(yīng)用。在“杜魯門”號航母上，該鋼用量已增加到大約11 600 t，在“里根”號（CVN-76）上的應(yīng)用更為廣泛，但該鋼被禁止用于止裂結(jié)構(gòu)及海軍海上系統(tǒng)司令部規(guī)定的08 編號區(qū)（核動力裝置區(qū)）。表1 列出了HSLA-100 在美海軍艦艇上的使用情況，圖4 是HSLA-80/100 鋼在美國海軍水面艦艇中的用量。總體而言，該級艦的艦橋、飛行甲板、舷部水線附近舷側(cè)外板、尾舵和螺旋槳附近外板均采用大厚度的HY-100 或HSLA-100 裝甲鋼板。

圖1 帶有縱/ 橫向加強結(jié)構(gòu)的HSLA-100 甲板組件

圖2 帶密布加強桿的HSLA-100 主甲板板架

圖3 HSLA-100 甲板應(yīng)用示意圖 （虛線表示背面結(jié)構(gòu)）

表1 HSLA-100 在美海軍艦艇上的使用情況

圖4 HSLA-80/100 鋼在美海軍艦艇中的累積用量

2）“福特”級航母

“福特”級新型航母將逐艘替代“企業(yè)”號航母（美第一艘核動力航母）和“尼米茲”航母，將成為未來美海軍海上打擊的核心力量。早在2004年，諾思羅普? 格魯曼的紐波特? 紐斯船廠就獲得了一份價值13.9 億美元的合同，用于該級航母動力裝置的設(shè)計和裝備。“福特”級航母的首艦為“杰拉爾德? R ? 福特”號（CVN 78，以下簡稱“福特”號）。“福特”號航母長約255 m，寬80.8 m，滿載排水量約100 000 t。在船體材料的選擇上，“福特”號航母與“尼米茲”級航母的“布什”號在結(jié)構(gòu)鋼使用上最大的區(qū)別是：美國海軍金屬材料研究中心計劃將HSLA-65 在“福特”號上推廣應(yīng)用，而且將首次應(yīng)用HSLA-115 鋼。目前已經(jīng)完成了CVN 78 用HSLA-65 鋼板的大小及厚度評價，并且美國海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）已經(jīng)頒布了鑒定書，證明這種材料滿足“福特”號航母的采購要求及設(shè)計需求。目前該廠已經(jīng)將HSLA-115 鋼納入到“福特”號航母的設(shè)計中。

2 HSLA 鋼分析

HSLA 鋼即高強度低合金鋼，這種鋼工藝性能好，有良好的焊接性；此外，它們的應(yīng)用還能顯著降低航母自重并提高結(jié)構(gòu)的抗損能力。

HSLA 系列鋼中碳和碳當(dāng)量都很低，加之其內(nèi)部的非馬氏體組織，保證了該型鋼的高強韌化水平和優(yōu)異的抗氫致開裂性能。在HSLA 鋼中，銅和鎳是主要合金元素。加入銅可使HSLA 在固熔處理和時效后形成富銅相，富銅析出相阻礙位錯運動，提高屈服強度，產(chǎn)生沉淀硬化；還改善了鋼材在海水中的耐蝕性；提高了鋼材的耐磨性。加入鎳可充分防止由銅引起的熱脆性，還可提高淬透性。鈮也是重要的元素，含量約為0.02% ~ 0.06%，它可使晶粒細(xì)化，加鈮后產(chǎn)生的細(xì)晶粒組織有利于HSLA 鋼的強韌化。此外，比起HY鋼，HSLA剛的韌性加強了，這對于艦體的直接好處就是提高了防彈效果；采用HY 型焊接材料焊接時，HSLA 鋼的熱裂抗力及冷裂抗力都優(yōu)于HY 鋼，而且預(yù)熱成本較低，焊接成本可降低50% 以上，它有逐漸替代水面艦艇用HY 鋼的趨勢。

HSLA-80 和HSLA-100 鋼分別是HY-80 以及HY-100 鋼的替代品種，屈服強度分別為549 MPa、689 MPa，它們具有比HY 系列鋼更優(yōu)異的焊接特性，不需預(yù)熱或預(yù)熱溫度較低，焊接時可以采用與HY 系列相同的焊條及焊接工藝，大大降低了水面艦艇的建造成本。此外，控扎得到的HSLA-80 鋼可取消熱處理，進(jìn)一步降低了成本；這種以軋制狀態(tài)供應(yīng)的控扎鋼板材尺寸不受熱處理爐的限制，可生產(chǎn)更長的板，既能減小橫向焊縫的總長度，又能將一些橫向焊件置于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)。據(jù)美國海軍官方數(shù)據(jù)，若采用HSLA-80 鋼板，每磅（0.453 6 kg）HSLA-80鋼的純制造成本就比HY-80 鋼低40% ~ 90%。美海軍海上系統(tǒng)司令部曾作出預(yù)測，若用HSLA-80 取代HY-80 鋼板，每10 年就可節(jié)省經(jīng)費2 億 ~ 10 億美元。對于HSLA-100 鋼而言，在航母上所用的鋼中一半以上都是在25.4 mm 以下（25.4 mm 以下鋼板可以在室溫下焊接，因為其預(yù)熱溫度為15.6 ℃），因此美國海軍預(yù)測，因為預(yù)熱成本的減少，美海軍在其研制成功后的10 年中節(jié)省的資金高達(dá)1 億美元/ 年。表2 是HSLA-80 鋼的焊接材料及焊接工藝。

表2 HSLA-80 鋼焊接材料及焊接工藝

HSLA-65 鋼由民船用鋼改進(jìn)而來，美國海軍研究這種鋼材是準(zhǔn)備在未來的艦船建造中代替HTS鋼。HSLA-65 鋼的屈服強度約為449 MPa，可以填補高強度鋼（HSS）DH/EH-36 與屈服強度為549 MPa 的HY 及HSLA 鋼之間的空白；同時又能克服HSLA-80 鋼作為船殼板時的缺陷。HSLA-80 鋼雖然用較薄的板和更少的焊接金屬可滿足強度要求，不過會產(chǎn)生扭曲，需要附加加強件，增加了成本和艦艇重量，因此美國海軍于20 世紀(jì)80 年代開發(fā)了HSLA-65 鋼，它的成本及加工費用基本與HSS 鋼相同，焊接工藝、程序和焊接材料也與HSS 相同。使用HSLA-65 代替HSS 可使用較薄的板材，從而使每艘艦重量減輕約1 500 t。

HSLA-65 鋼的化學(xué)成分與HTS 鋼相似，采用電爐冶煉，氬—氯脫碳精煉，真空脫氧，加鈣處理以控制夾雜物形成，控扎；其板厚可達(dá)51 mm，機(jī)械性能、韌性均能滿足艦艇用鋼的要求。表3 是這幾種鋼的機(jī)械性能。

表3 HSLA-65 鋼與HTS 鋼的機(jī)械性能

HSLA-115 由HSLA-100 經(jīng)過改進(jìn)熱處理而成，其屈服強度為115 千帕/ 平方英寸（約794 MPa），強于HSLA-100 的100 千帕/ 平方英寸（690 MPa）。如果通過測試，它將部分取代“福特”號航母上的HSLA-100 鋼和HY100 鋼，尤其是航母飛行甲板用鋼，可增強飛行甲板結(jié)構(gòu)強度，還能有效節(jié)省空間及減輕重量，增加有效負(fù)載。據(jù)美海軍估計，如果在“福特”號航母上采用HSLA-115 鋼替代HSLA-100 鋼，則至少可以減輕400 t 的重量，其中僅上層建筑的重量就可以減少100 t ~ 200 t，進(jìn)一步提高航母穩(wěn)性，增加有效負(fù)載。

3 結(jié)束語

從美國航母船體結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展歷史可以看出，美國海軍和航母設(shè)計人員一直高度重視航母結(jié)構(gòu)用鋼的開發(fā)及應(yīng)用研究，并進(jìn)行了包括核爆炸在內(nèi)的船體結(jié)構(gòu)抗沖擊試驗，在船體結(jié)構(gòu)用鋼領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗。其船體結(jié)構(gòu)用鋼的綜合性能在持續(xù)提高，為新型航母的設(shè)計及提高航母的綜合性能創(chuàng)造了條件。