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國產航母的特種鋼到底有多難做?為什麽會這麽難?

航母用的特種鋼是相當難做,目前只有少數幾個國家可以制造。印度的“國產航母”之所以拖了那麽久沒造好,其中壹個原因就是因為其所用的特種鋼要麽是產量不足,要麽是美俄等國家禁止出口或者少量出口。正所謂物以稀為貴,航母上的壹顆螺絲釘換壹輛名車所言非虛。

目前航母用的特種鋼大概是從英國,德國,美國的特種鋼發展和完善。英國海軍使用的高強度鋼HT是壹種造船和輕裝甲鋼,並在壹戰結束時使用。HT鋼是壹種含有少量鎳的碳鋼,它可以使其硬化到更高的水平而不會開裂,即韌性很大。直到1945年左右,杜克父子研發了杜克鋼,這種鋼壹般只含有錳和矽作為合金元素。類似的鋼還有德國的低百分比的鎳鋼,和美國的高強度鋼HTS,其使用鉻、釩和鉬的更復雜的合金。

英國皇家海軍1927年建成的納爾遜級和羅德尼號戰列艦使用的杜克鋼來減輕重量,但是這種鋼在遭遇炮擊時會造成鋼體結構的損壞。後來它被用於英國最後壹艘戰艦喬治國王V級戰艦的反魚雷系統設計實踐。其內部船體和魚雷艙壁,內部甲板由杜克鋼制成,這是高強度鋼的壹種超強形式。

由於日本在壹戰中是同盟國,日本海軍的建造起初得到了英國大量的技術支持,其使用的由鋼是由維克斯、阿姆斯特朗·惠特沃斯和三井合作建造的。最上級重巡洋艦最初設計為全焊接的杜克鋼艙壁,然後焊接到船體上。船體結構部分使用的電焊引起的故障導致變形,主炮塔無法正常訓練。另外兩個被重新設計,它們是用鉚接結構重新建造的。後來日軍的加賀號,飛鷹號,翔鶴號,信濃號航母等軍艦都是采用杜克鋼進行建造。

而意大利海軍在軍艦的魚雷防禦系統中使用了與杜克鋼相似的鋼材。這種水下“凸出”系統被引入意大利利托裏奧級戰列艦,以及完全重建的意大利戰艦“凱奧·杜伊利奧”號和“孔蒂·迪卡沃”級戰列艦。船舷內側由壹層28-40mm厚的矽錳高強度鋼組成,稱為ER鋼。

1970年壹份關於杜克W30鋼的制造報告發現,除非在675攝氏度的足夠溫度下進行焊後熱處理,否則焊縫中會出現熱影響區脆化現象。日本海軍在二戰前後期建造的大型戰艦使用全焊接的杜克鋼結構,讓其這很快導致了類似最上級重巡洋艦的嚴重問題。而且在二戰期間使用的魚雷的威力甚至迅速超過了最好的裝甲保護系統,魚雷可以通過在船的龍骨下引爆而完全繞過保護系統,因此航母逐漸放棄了使用杜克鋼建造,只在輕型裝甲、公路橋梁和機車蒸汽鍋爐和核反應堆的壓力容器等民用領域使用。

在另外壹個分支中,克虜伯軍工廠生產的特種鋼,於1910年左右研發。這種均質鋼制造的表面硬化裝甲有效降低了對保護體的高傾角攻擊。卡內基鋼鐵公司開發了壹種新的鎳鉻釩合金鋼,盡管1914年以後釩不再使用,但它比以前的鎳鋼裝甲提供了更好的保護。這種合金鋼後來被克虜伯運用在軍工方面後被稱為“特殊處理鋼”。

特種鋼被用作厚度小於102毫米的均質裝甲,起初用於火炮底座和指揮塔的同質裝甲,其厚度要大得多。它比任何類似裝甲的平均韌性稍高壹些,與而傳統的裝甲相比特種鋼很昂貴,但美國可以負擔得起,並奢侈地使用它,並且幾乎在1930年到二戰期間美國建造的每壹級軍艦上都使用它,其使用範圍從從艙壁到碎片防護,從軍艦的裝甲甲板到較低的裝甲帶。

二戰結束後,它成為美國海軍建造和修理局(後稱為船舶局)的鎳鋼的標準形式,用於需要均質直接沖擊防護裝甲的軍艦的所有部分。美國船舶局進行了壹項研究計劃,以開發壹種用於船舶和潛艇建造的高強度鋼。在測試過程中,壹種經過碳和鎳改進並添加鉬的特種鋼變體,即所謂的“低碳特種鋼”,融合了所有理想性能的最佳組合。低碳特種鋼後來被用於青花魚號潛艇和福裏斯特爾號航母進行實踐。

低碳特種鋼後來發展成為另壹種特種鋼HY-80,HY-80最終成為冷戰期間潛艇和航母建造的標準鋼材,特別是美國核潛艇項目的耐壓殼的開發,目前仍在許多海軍應用中使用。它的使用價值在於它具有優越的強度重量比性能。

HY鋼擁有抵抗永久性塑性變形的強度。HY-80附有HY-100和HY-130,其中80、100和130分別表示其屈服強度80000 psi、100000 psi和130000 psi。HY-80和HY-100都是可焊接,但是,HY-130通常被認為是不可焊接的。現代鋼鐵制造方法能夠精確控制HY鋼加工過程中的時間和溫度,使得制造成本更加經濟。

HY-80具有良好的耐腐蝕性和良好的成形性,以提供可焊性。使用HY-80鋼需要仔細考慮焊接工藝,填充金屬選擇和接頭設計,以考慮微觀結構變化、變形和應力集中。HY-80鋼是以鎳、鉻、鉬為合金元素的低碳低合金鋼家族的成員,具有淬透性。盡管由於碳和合金含量的原因,鋼的焊接性很好,但它確實面臨壹系列挑戰。碳含量可以從0.12%到0.20 wt%(重量占比)之間,合金總含量高達8 wt%。在HY鋼的開發過程中,主要目的是制造壹類具有優良屈服強度和整體韌性的鋼,這些鋼部分通過淬火和回火來實現。

鋼在900℃下進行首次熱處理,以便在材料淬火前奧氏體化。淬火過程的快速冷卻產生了非常硬的馬氏體組織。馬氏體組織不能直接產生,只能在大約650℃下回火,以降低整體硬度,回火後形成馬氏體或者貝氏體組織。

焊接件的最終微觀結構將直接與材料的成分和所經受的熱循環直接相關,這將在基底材料、熱影響區和熔合區上發生變化。材料的微觀結構將直接與材料或者焊接件的機械性能、焊接性和使用壽命,性能相關。在使用HY-80鋼時,合金元素、焊接程序和焊接件設計都需要協調和考慮。另壹種特種鋼HY-130還包括釩作為合金元素。

而特種鋼的合金含量將根據板材的厚度略有變化。由於連接接頭中應力集中度的增加,增加焊接性挑戰,厚板在其成分合金範圍內將受到更大的限制。而碳是控制材料的峰值硬度,是奧氏體穩定劑,這是馬氏體形成所必需的。HY-80易形成馬氏體,馬氏體的峰值硬度與碳含量有關。鎳可以增加HY-80的韌性和延展性,同時也是奧氏體穩定劑。錳可以清除鋼中的雜質(最常用於清除硫化物),並形成針狀鐵氧體成核所必需的氧化物。HY-80鋼中需要針狀鐵素體,因為它能提高優良的屈服強度和韌性。矽氧化物前體,用於清潔針狀鐵氧體並提供成核點。鉻是鐵氧體穩定劑,可以與碳結合形成鉻碳化物,以提高材料的強度。制造特種鋼的難度之壹就是這些合金含量的添加份量要拿捏得很好,這需要精密的機器制造工藝。

只有采取適當的預防措施,才能避免潛在的焊接性問題,由於HY-80是壹種可硬化鋼,因此造成了人們對在熔合區和熱影響區中形成未回火馬氏體的擔憂。焊接過程會產生陡峭的溫度梯度和快速冷卻,這會形成未回火馬氏體,因此必須采取預防措施避免這個過程,需要把握溫度的變化和回火時機。使焊接性問題更加復雜的是,HY-80鋼在海軍用厚板或大型焊接件中的普遍應用。這些厚板、大型焊接件和嚴格的使用環境都會由於焊接接頭處的內部和外部應力集中而帶來額外的風險。

氫致開裂或氫輔助開裂,是HY-80鋼必須解決的壹個實際焊接性問題。氫脆即在港內形成小裂縫或者氣泡,而且在HY-80的所有制造環境下都容易發生氫脆,可能發生在熔合區或熱影響區,因為在這些區域都容易形成馬氏體,因此存在氫脆的風險。熔合區的氫致開裂或氫輔助開裂,可通過使用適當的填充金屬來解決,而熱影響區的氫致開裂或氫輔助開裂,則必須通過預熱和焊接程序來解決。因此焊接HY-80鋼時,始終建議采用低氫操作。

由於未回火馬氏體的形成,不可能對HY-80進行自熔焊接。需要使用填充金屬,引入合金材料,以形成氧化物,從而促進針狀鐵素體的形核。但熱影響區仍然是壹個問題,必須通過適當的預熱和焊接程序來控制冷卻速率。在熱影響區,緩慢的冷卻速度和快速的冷卻速度壹樣有害,快速冷卻會形成未回火馬氏體。而且由於高預熱或預熱和焊接程序的高熱量輸入的組合導致的冷卻速度非常慢,可能會由於熱影響區中形成的高碳濃度而產生非常脆的馬氏體。

只能采取預熱,讓擴散氫擴散並降低冷卻溫度的變化梯度。較慢的冷卻速度將降低馬氏體形成的可能性。如果預熱溫度不夠高,冷卻溫度梯度將太陡,這將產生脆性焊縫。而多道焊需要最低和最高焊道間溫度,以保持屈服強度和防止開裂。預熱和焊道間溫度將取決於材料的厚度。

壹般采用AWS-1-1焊絲焊接。ER100S-1具有較低的碳和鎳含量,有助於在前面提到的焊接過程中起稀釋作用。填充金屬的壹個重要作用是使針狀鐵素體形核。針狀鐵素體是在氧化物的存在下形成的,填充金屬的成分可以增加這些臨界形核點的形成。但HY-130的焊接被認為更困難,因為很難獲得能夠提供類似性能的填充材料。

焊接工藝的選擇會對受焊接影響的區域產生重大影響。熱輸入可以改變熱影響區和熔合區的顯微組織,焊縫金屬和熱影響區韌性是HY-80焊接件的關鍵要求。在選擇工藝時,必須考慮焊件的整體性,因為厚板通常需要多道焊,而附加焊道可能會改變先前熔敷的焊接金屬。不同的方法手工電弧焊、熔化極氣體保護電弧焊、埋弧焊,可以對材料的斷裂韌性產生顯著影響,以埋弧焊為例,由於其通常具有較高的熱輸入特性,因此可以對以前的焊道進行回火。換句話說,工人的技藝對特種鋼的焊接成敗有關鍵影響,如果沒有積累足夠的高級技術人才,很容易就在焊接這關跪了。

HY-80焊件的詳細硬度曲線隨不同工藝而變化(梯度變化很大),但不同工藝之間的硬度峰值保持不變。這對熱影響區和焊接金屬都適用。

鑒於母材和焊縫復合區之間的成分差異,可以合理地預計,由於不均勻的膨脹和收縮,可能會產生潛在的變形。這種機械效應會導致殘余應力,導致焊接後立即出現各種故障,或在負載下工作時出現故障。在HY-80鋼中,變形程度與焊接熱輸入水平成正比,熱輸入越高,變形水平越高。

HY-80鋼的檢測可分為破壞性和非破壞性兩大類。可以進行通過各種破壞性試驗得出結果,無損檢測包括許多技術或方法:目視檢查、X射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測和渦流檢測。而壹旦被檢測是破壞性損傷,則前功盡棄,需要回爐重造。

而且制造特種鋼的不同器材都由不同的跨國公司制造,比如HY-80的鍛鋼由美國安賽樂米塔爾公司生產,HY-80的鍛件和鑄件由謝菲爾德鍛造大師生產,HY80的鑄件由英國的古德溫鑄鋼公司生產。由於這種特種鋼的全球化分工都集中在以英美為主的國家,而且他們都是穿同壹條褲子的,更容易形成技術壁壘,也更容易對特種鋼的核心技術形成卡脖子,這不是有錢就能買到的,妳要麽在產業鏈上實現技術突破,自給自足,要麽只能加入他們的朋友圈,才能獲得關愛的眼神。在特種鋼的制造上,能用錢解決的都不是問題,但是這不是壹句造不如買就能解決的。