深度:中国为何造不出尼米兹航母 仅钢材落后美一代

2016年09月23日 11:17 新浪军事 微博
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  军舰的钢材应用类型,大致上可以分为四个阶段。第一个阶段是19世纪中期后,欧洲国家(英、意、德、挪威等)开始建造钢质船;当时的舰船结构用钢,放在今天是典型的中低碳钢(0.13-0.2%),强度较低,被称为“软钢”。

  在钢质船的早期阶段,主要采用的都是铆接工艺而不是焊接;因此随着人们对军舰结构性能的要求提高,采用对铆接工艺影响不大的高含碳高强度钢,就成为军舰结构减重、并且能够越做越大的关键条件。因此采用高强度钢,就成为军舰钢材的第二历史阶段。

中国为何造不出尼米兹航母?仅军舰钢材就差美国一个时代图:衣阿华战列舰就是典型的第二阶段军舰钢材产物

  进入20世纪30-40年代以后,焊接工艺取代铆接工艺成为军舰结构制造的主流方式。但是高碳高强度钢的焊接性很差——含碳量越高焊接性能就越不靠谱,焊缝非常不结实,对于缺口非常敏感;一旦因为疲劳或者其它原因出一个小口子,很容易就会导致灾难性的结构脆性断裂。

  因此在二战以后,高强度、高韧性的合金钢材就成为世界强国的主要发展方向;美国的HY系列钢材、苏联俄罗斯的AK、AB系列钢材、中国的9XX系钢材(血缘上从属于苏俄系),都属于这类,算军舰钢材发展的第三历史阶段。

中国为何造不出尼米兹航母?仅军舰钢材就差美国一个时代

  图:HY80钢最早用在乔治华盛顿级弹道导弹潜艇上。因为那时候导弹和潜艇制造技术都不高,所以美国潜艇也带龟背。

  这类高强高韧合金钢,主要依靠镍、铬、钼等元素添加,大幅度改善性能。比如美国1956年建造潜艇的HY80钢,就有2.93%的镍,1.43%的铬。这类钢材的问题是,随着强度等关键的性能不断提高,对于镍、铬这样昂贵而稀少的高价合金元素也用的越来越多,而且焊接越来越困难。

  比如HY系列随着强度的提高,镍含量从HY80的2.93提升到HY130的4.8%;而为了避免焊接不牢、出现致命的焊接开裂问题,HY80得把待焊接的结构加温预热到90-150度,而HY130就得提高到100-175度。很多时候,焊完了还得在进行热处理。

中国为何造不出尼米兹航母?仅军舰钢材就差美国一个时代图:HY80、100后来迅速使用在航母等水面舰艇上

  这种问题,导致了高标号的高强高韧钢——比如美国在1968年研制的HY130,以及后来研制的HY150、HY200,虽然性能指标看起来非常的屌,但是造起来极度花费高价材料、金钱、人力、时间。目前这类钢材中性能最高的俄AB7A、日本NS110,屈服强度超过1000MPa的惊人水平,靠的就是高达8-11%含量的镍和其它合金成分。

  这也是美国后来只在海狼级潜艇上大量用了HY130钢材,冷战一结束马上裁减海狼的原因,太贵了,太贵了。而更高级的HY150、HY200,很多军迷连听说它们都没听说过。而苏联、中国的军舰高性能钢,至今都属于这一类产品,越是性能高,越是昂贵元素用得多、加工费力。

中国为何造不出尼米兹航母?仅军舰钢材就差美国一个时代图:冷战时期,美国和苏联核潜艇进行了旷日持久的潜深和航速竞赛,海狼级为此付出了巨大的成本代价

  80年代,美国放弃了继续堆镍、铬等元素提升钢材极限性能的做法,而是转而开发强度性能适中(取代HY80、HY100)、但是非常易于焊接、军舰结构制造费用低廉的新型高性能钢材。这也是军舰钢材发展的第四个历史阶段。美国从尼米兹航母上开始大量将其取代HY系列钢材,在今天,美国航母仍然必须使用HY系列钢材的地方已经只剩少数的止裂结构、08编号区(核反应堆舱室)区域。而中俄在军舰制造上,这方面还处于空白阶段。

  这一批新式钢材,比如HSLA80(取代HY80)、HSLA100(取代HY100),在保留较高镍含量的前提下,采用了超低碳(0.39-0.88%)、高含铜的成分设计;利用碳含量的降低改善焊接性能,利用铜的弥散析出来提高钢的强度性能。

中国为何造不出尼米兹航母?仅军舰钢材就差美国一个时代图:尼米兹航母开始大量采用HSLA80/100钢材,取代昂贵的HY80钢材

  在焊接性能上,HSLA80钢材在0度以上不需要任何预热就能直接开焊。而HSLA100钢材则略有些限制,只要厚度不大于1英寸(25.4毫米)——这涵括航母结构一半的焊接,只要温度高于15.6度就可以,即一年中大部分时候是不需要预热的,气温就足够了。在超出1英寸以后,则需要51.7-93.3度的预热,仍然比50年代的HY 80方便太多。

  根据美国海军的数据,每一磅HSLA 80钢材,仅纯制造成本就比HY-80钢材低40-90%;如果美国海军将HSLA-80取代全部HY 80,每10年可以节省2-10亿美元。而HSLA 100钢材,仅仅由于其焊接过程中预热成本的减少,美国海军在它研制成功后的10年内,每年节省的资金高达1亿美元。

中国为何造不出尼米兹航母?仅军舰钢材就差美国一个时代图:福特号航母舰岛结构小而轻

  目前美国最新的福特级航母不仅大量使用HSLA 80和HSLA 100钢材,而且已经首次应用HSLA 115钢材。这种钢材是在HSLA 100的基础上,改进热处理工艺而成,屈服强度达到794MPa。除了能够节省大量资金以外,美国海军计算显示,用HSLA-115钢材取代HSLA-100,福特号可以减重400吨;尤其是舰岛减重达到1-200吨,能够非常有效的降低航母重心,提升机动性和稳定性。(作者署名:候知健)

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