铜具有良好的耐海水腐蚀性能,溶入水中的铜离子有杀菌作用,可以防止海洋生物污损,在海运业上的应用已有较长的历史,并取得了非常好的效果。在舰船上主要用作螺旋桨、冷凝器、海水管系、泵阀及结构件等。如: 紫铜、铝青铜、锰青铜、硅青铜、铝黄铜、炮铜(锡锌铅铜合金) 、白铜等近20 种铜合金在舰船上获得应用,用量有逐渐增加的趋势。

　　1 　铜合金在传统舰船上的应用

　　军船和商船上铜和铜合金的用量占船自重的2 %～3 %。紫铜在造船上主要用于制造导电部件和耐蚀性零件,如汇流排、电气线路板、低压油管及各种船舶管路;铝青铜、锰青铜主要用作高负荷下抗磨零件,如轴套、泵阀、管件等;镍铝青铜主要用作接触海水和其它介质的耐蚀零件、螺旋桨和桨叶、螺旋桨导流罩、海水泵和滑油泵的叶轮等零件;白铜用于船散热器、通海管系等[1] 。

　　1.1 　螺旋桨

　　为提高舰船的隐身性能,已成功研制出了Mn2Cu 基高阻尼合金,它是一种可消除振动和噪声的舰船材料。简单的Mn2Cu 二元合金虽然有较高的阻尼能力,但强度低、耐蚀性差且工艺性不好。为提高性能,目前实用的合金大多是添加多种元素的Mn2Cu 基合金,例如我国研制的Mn2Cu2Al 系合金2310,就是在Mn2Cu2Al 合金的基础上添加了一定量的Fe 、Ni 、Zn 和Cr 等元素而开发出的多元高阻尼合金。该合金桨与普通铜桨相比:

　　制造螺旋桨的材料有铜合金、钛合金、铸钢等,其中铜合金(如锰青铜和镍铝青铜、高锰铝青铜) 强度高、耐腐蚀、易于加工,故应用较广。常用的铜螺旋桨材料主要有:ZHMn552321、ZHA167252222 、ZQA112282322 、ZQA19242222 、ZQA114282322 、Mn2Cu 基高阻尼合金等[2 ]。

　　早期的螺旋桨材料主要采用耐海水腐蚀性较高的锰黄铜和耐海水腐蚀、抗空泡腐蚀性能优良的镍铝青铜、高锰铝青铜。在第二次世界大战以前锰黄铜是舰船螺旋桨的主要用材,但是为了满足舰船不断向大型化、高速化的发展需要,开发出了性能优异的镍铝青铜、锰铝青铜等螺旋桨材料。镍铝青铜和高锰铝青铜的抗拉强度、腐蚀疲劳强度及抗空泡腐蚀性能均较高,世界各国广泛用来制造舰船螺旋桨。日本目前大量使用上述两种青铜材料螺旋桨。法国、意大利和前苏联从上世纪70 年代初开始研制镍铝青铜,并用其制造舰船螺旋桨。我国上世纪60 年代末70 年代初开始研制高锰铝青铜螺旋桨材料,80 年代初达到了实用化[3 ]。现在的螺旋桨大多采用镍铝青铜或高锰铝青铜。

　　(1) 航速可提高0145～1124 节;

　　(2) 噪声明显降低,在相同航速下,降低5～9dB

　　(3) 振动明显降低,总振级降低1～10dB

　　另外,凡是出现振动和噪声的部位均可利用2310合金减振和降噪,特别是一些机座、机体、座脚、框架和其他一些支承零件等[4]。该合金的不足之处是强度偏低、耐蚀性能差、易发生应力腐蚀开裂,需要外加电流保护才能满足潜艇螺旋桨的使用要求。

　　1.2 　冷凝器

　　冷却设备是舰船海水冷却系统的重要组成部分,按被冷却介质的不同分为海水冷凝器、海水淡化冷却器、空气冷却器、润滑油冷却器、燃油冷却器、液压油冷却器等。冷凝管在我国造船工业中的用量较大,约6万t/ a。舰船用铜合金冷凝管主要包括BFe302121 、BFel02121 白铜管、HSn7021 锡黄铜管和HA17722 铝黄铜管。HSn7021 锡黄铜管被称为“海军黄铜”,具有卓越的耐蚀性能及较高的强度[5] ,最早锡黄铜HSn7021 腐蚀的主要方式是脱锌腐蚀。通过材料的加砷化,研制出了HSn7021A 铜合金,有效地抑制了因脱锌腐蚀造成的大面积腐蚀泄露,冷凝管的质量和寿命都有了大幅度提高。上世纪90 年代研制出添加B 的HSn7021B铜合金和添加Mn、Ni 、微量稀土元素Ce 的HSn7021AB 铜合金,强度和耐蚀性能进一步提高[6 ,7] ,但是黄铜管脱锌腐蚀和应力腐蚀能力均比不上铜镍合金,限制了其在舰船上的应用。

　　目前,舰船冷凝管材料主要采用BFe302121和BFe102121 合金。据报道,世界上第一艘核动力船,使用了30 吨白铜冷凝管。为了提高抗冲刷腐蚀性能,铜镍合金冷凝管材料一般都加入少量的Fe 。B10 的含Fe 量控制在115 % ～118 %(

　　w) ,B30 为015 %～110 %(w ) ,适量的Fe 除能增强合金的力学性能外,还能促进铜合金表面形成保护层提高防腐能力[8] 。铜镍合金冷凝管材料的耐沉积腐蚀和耐污染海水腐蚀能力还有待进一步提高。

　　1.3 　通海系统、波纹管、法兰

　　舰船海水管系是舰船推进保障系统、发电机组保障系统和辅助系统的重要组成部分,对于保证舰船动力装置、辅助机械和设备的正常工作具有重要的作用。管系材质的耐蚀性是影响海水管系腐蚀破坏的主要因素。目前可供海水管系选择的材质有:紫铜管、无缝钢管、B10 、B30 、双相不锈钢管等。上个世纪舰船海水管系多采用紫铜(TUp)。紫铜随海水流速的提高,其腐蚀速度呈现有规律的增大,主要是由于其保护膜和基体的硬度都较低,当流速超过流速极限及海水中含固体物时,保护膜被破坏,同时高流速海水带来充足的溶解氧,使其腐蚀速度急剧升高。随着造船工业焊接方法的不断发展,铜镍合金愈来愈多地用于船舶海水冷却管系中[9 ]。另外,连接管路的波纹管膨胀节,连接法兰等,常采用BFe302121 、高锰铝青铜制造。

　　B10 合金耐流动海水冲刷腐蚀能力优于TUP的,但其耐含砂海水腐蚀性能仍较差。目前,铜质管系的流速极限通常为3m/s ,洛阳船舶材料研究所正在开展这方面的研究工作,已经研制出流速极限达到7m/s 的铸造铜合金。

　　1.4 　导电用铜

　　船上复杂的电气设备,发动机、电动机、通讯系统等几乎完全依靠铜和铜合金来工作。舰船的计算机微处理器大规模集成电路,分布着千万个相互连接的芯片,要通过引线框架材料和印刷电路组装起来才能进行工作。这些电子元器件一般采用高精铜带、锡磷青铜带QSn6152011 、T2 导电缆带、电真空无氧铜TU1 空芯导线、异型铜材、导电铜排等。

　　为预防磁性水雷对舰船的袭击,以前曾发展了抗磁性水雷装置,在钢船壳周围附一圈铜带,通上电流以中和船的磁场,这样就可以不引爆水雷。对于铁磁舰船来说,磁防护系统在舰上有3 个线圈系统。通过控制线圈中电流的强度和方向,就可准确地补偿由地磁场引起的可变的瞬时局部感应磁化[10] 。资料表明,二次世界大战中,盟军的所有船只,共计约18000艘,都装上了这种去磁装置而得到了保护。一些大型主力舰为此需用大量的铜,其中一艘舰需用铜线45km长,30t重。

　　1.5 　小型铸件

　　此类铸件主要分为锡青铜制品、铅青铜制品、硅黄铜制品及高铝黄铜制品等。具体产品有阀门、弯头、船用阀门、机械零件等数百个品种。船用青铜截止阀阀体采用ZQSn1022[11] ,阀杆采用QA1922 ,阀瓣盖与阀瓣用ZQSn1022 ,阀杆螺母材料为QA1l0232115 等青铜合金。

　　2 　未来舰船铜合金应用发展趋势

　　2.1 　高强高导铜合金应用前景广阔

　　为了使舰船具有更好的机动性和更强的续航能力,未来舰船将大力发展全电力推进系统。舰船电力推进是采用电动机直接带动螺旋桨推动舰船行进的推进方式,它可以用于水下潜艇和各类水面舰船的航行推进,这需要大量的铜导体。以英国排水量4500t,航速30 节的双轴护卫舰所设计的推进动力系统为例,每台燃气轮机驱动1 台22MW、3600r/min 的四极交流发电机及2 台各为180r/min、20MW 的推进电动机,电动机为鼠笼感应电动机。2 台燃气轮机及驱动的2 台交流发电机和4 台20MW的推进电动机所需铜的总重量为400t[12 ,13 ] 。

　　新概念武器如激光武器、电磁武器、粒子束武器等,具有强大的威力和杀伤力,它们的上舰使用将使舰艇的战斗力发生革命性的飞跃。这类武器的发射需要十分强大的脉冲电功率,这就要求舰船必须具有足够的电能储备,需要成倍的增加电站容量[14] ,另外电磁弹射器和声纳设备都需大功率供电,舰载雷达、导弹的微波管,在工作中要实现电子和电磁场能量交换,需要流经超高频电流,材料须具有很高的导电性和导热性,这一发展趋势为高纯度无氧铜、弥散强化无氧铜、铬青铜、锆青铜等提供了广阔的用武之地。

　　2.2 　未来超导磁推进船离不开铜

　　未来的巨型船舶将可能取消螺旋桨推进装置,而改用超导电磁推进装置来推动船快速航行。由于海水的电阻大,必须达到20 万高斯的磁场强度,船体才能获得必要的推力。目前一般的铁芯电磁体仅能达到2 万高斯的磁场强度,用超导电磁体装备船舶的推进系统,就能获得强大的磁场和必要的推力。超导电磁力推进、超导雷达和超导扫雷、电磁炮的实现会使舰船装备产生革命性的变化[15] 。日本已建成世界上第一艘超导推进实验船“大和1 号”。英国制成了世界上第一台用液氮冷却的高温超导雷达天线。我国的超导扫雷研制也取得一定的成果[16] 。

　　超导材料的应用离不开铜。首先是这些材料要在超低温下工作,要通过气体的液化来获得低温,例如:液氦、液氢和液氮的液化温度分别为4K(- 269 ℃) 、20K(- 253 ℃) 和77K(- 196℃) 。铜在这样低的温度下仍有良好的韧塑性,是低温工程中不可缺少的结构和管路输送材料。此外,超导材料很脆,难以加工成型材,需用铜做包套把它们结合起来,例如青铜法。

　　2.3 　铜镍合金舰船冷凝器耐腐蚀性能需进一步提高

　　铜镍合金材料是制造海水管系的常用材料,但铜镍合金材料维修费用较高,需定期更换。与其他材料的冷凝管相比,钛在所有浓度的硫化物中都不受腐蚀,在含硫化物的污染海水中具有良好的耐蚀性。同时钛在水速高达20m/s 和含砂量高达40g/ L 的条件下,均具有优良的耐腐蚀性能。钛导热性能较差,冷凝管的导热系数约为B30 的5814 %,但可采用薄壁钛管解决这个问题,如<16mm×0175mm

　　钛管的总传热系数可达B30 铜镍合金管的9613 %。钛冷凝管比B30 冷凝管重量减轻近1/ 2,因此,采用钛材可使冷凝器的重量大幅度减轻。2003年,Avondale

　　公司接获美国海军的合同,为每艘新建的L PD217SanAn2tonio 级两栖舰船运输坞船安装约12000英尺长,直径为1/ 2～12 英寸的Grade2钛合金管系。但是,钛制取和加工困难,产量很低,价格昂贵,另外还存在生物附着堵塞管路的问题,因此,目前还不具备条件用钛材取代铜镍合金做舰船冷凝器。新开发的双相不锈钢极耐海水腐蚀,其腐蚀速度和腐蚀率优于B10 的[17] 。但是不锈钢导热系数约为B30 导热系数的38 %,同时也需要解决生物附着的问题,因此,很难成为冷凝器的主力材料。铜镍合金作为舰船冷凝器首选材料的地位短期内不会动摇。

　　3 　结语

　　随着舰船装备技术的不断发展,铜合金在舰船上获得应用,用量有逐渐增加的趋势。未来战船向高航速、隐身性、机动性、高续航能力以及全电力方面发展。开发出具有高强高导、耐海水腐蚀性能良好、抗应力腐蚀、高流速极限的铜合金舰船材料是未来高性能舰船开发的保障。

　　本文由铜合金整理，此文观点不代表本站观点