摘 要：本文论述了美国航母高强度结构用钢的历史发展情况，对美国航母结构用钢的性能特点、应用部位、机械性能、化学成份等进行了对比分析。通过分析认为，先进的高强度结构用钢是一个国家海军发展的基础之一，良好的结构材料及其合理应用不但可以提高航母船体结构的强度和抗打击能力，还能有效地减轻船体结构的重量，有利于进一步提高航母的总体性能，增加排水量。

关键词： 航母 结构用钢 美国

1 美国典型航母用钢情况

美国航母的高强度结构用钢已经从最初的HTS钢及HY 钢发展到现在的HSLA 钢，其屈服强度值从352 MPa 到903 MPa 共5 个等级。其中HSLA 钢目前共有HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100 和HSLA-115 四个品种，屈服强度分别为449 MPa、549 MPa、689 MPa 和795 MPa；其中，HSLA-65 钢首次在航母上应用是“布什”号航母（CVN 77），而HSLA-115的首次应用将是在未来航母“福特”号航母（CVN78）上。

1）“尼米兹”级航母“尼米兹”级航母是目前世界上最先进的大型航空母舰，也是美国海军现役航母的主要构成部分，共造10 艘。该级航母首舰“尼米兹”号于1968 年开始建造，1975 年3 月服役，到2008 年已经有9艘“尼米兹”级核动力航母在役；其最新的“乔治?布什”号（CVN 77）于2006 年下水，2009 年初服役。CVN 77 核动力航母总长332.9 m， 宽40.8 m，吃水11.3 m， 满载排水量102 000 t； 飞行甲板长332.9 m，斜角甲板长237.7 m，宽76.8 m；机库甲板长208.48 m，宽32.92 m，机库净高8.07 m；最大航速可达30 kn。

“尼米兹”级航空母舰从首舰建造到如今已有40年的时间，这段时间航母的船体结构材料得到了迅猛发展，从最初的HY 系列到现在已经拥有成熟技术的HSLA-80、 HSLA-100 钢材，这些船体材料的发展在“尼米兹”级航母上都能充分体现出来。

“尼米兹”级航母飞行甲板由20 ~ 50 mm 厚的钢板和复合装甲材料组成。为减轻航母自身重量，早期的“尼米兹”级的舰体主要采用屈服强度为549 MPa的HY-80 高强度钢， 装甲结构采用屈服强度为689 MPa 的HY-100 超高强度钢。20 世纪80 年代中期以后建造的“尼米兹”级航母主要结构材料改为HSLA-80 和HSLA-100 高强度低合金钢。HSLA-100钢在航母上的应用最初是在“尼米兹”级的“斯坦尼斯”号（CVN 74）上，用量约为2 080 t。图1 及图2 为“斯坦尼斯”号上相关板架图例，图3 是其应用示意。据初步估算，与采用HY-100 钢相比，引入HSLA-100 钢每吨可节省500 ~ 3 000 美元不等。不过对于厚度大于25.4 mm 的钢板，仍需采用与HY-100相同的焊接预热工艺，造成这种预热要求的原因并不是材料本身，而是对焊条的各种限制。目前美国已经开发出低氢敏焊条，以便能在较低的预热温度下焊接较厚的HSLA-100 钢材。

HSLA-100 钢是美国为先进的攻击型核潜艇（非耐压壳体）和新建的航母壳体而研制的专用钢，属低碳铜沉淀强化钢，其强度性能已达到HY-100 钢的水平，板厚可达100 mm，焊接材料与HY100 钢的相同。与HY100 钢相比，不同之处在于可在较低的焊接预热/ 层间温度下施焊，从而降低了建造成本。该型号钢焊接预热温度仅在15.6℃ ~ 93.3℃之间，而HY100钢根据厚度不同预热温度在51.7 ℃ ~ 149 ℃ 之间。HSLA-100 钢材在“斯坦尼斯”号上的应用取得了很好的效果，因而很快在“杜鲁门”号航母（CVN75）上开始了大范围应用。在“杜鲁门”号航母上，该钢用量已增加到大约11 600 t，在“里根”号（CVN-76）上的应用更为广泛，但该钢被禁止用于止裂结构及海军海上系统司令部规定的08 编号区（核动力装置区）。表1 列出了HSLA-100 在美海军舰艇上的使用情况，图4 是HSLA-80/100 钢在美国海军水面舰艇中的用量。总体而言，该级舰的舰桥、飞行甲板、舷部水线附近舷侧外板、尾舵和螺旋桨附近外板均采用大厚度的HY-100 或HSLA-100 装甲钢板。

图1 带有纵/ 横向加强结构的HSLA-100 甲板组件

图2 带密布加强杆的HSLA-100 主甲板板架

图3 HSLA-100 甲板应用示意图 （虚线表示背面结构）

表1 HSLA-100 在美海军舰艇上的使用情况

图4 HSLA-80/100 钢在美海军舰艇中的累积用量

2）“福特”级航母

“福特”级新型航母将逐艘替代“企业”号航母（美第一艘核动力航母）和“尼米兹”航母，将成为未来美海军海上打击的核心力量。早在2004年，诺思罗普? 格鲁曼的纽波特? 纽斯船厂就获得了一份价值13.9 亿美元的合同，用于该级航母动力装置的设计和装备。“福特”级航母的首舰为“杰拉尔德? R ? 福特”号（CVN 78，以下简称“福特”号）。“福特”号航母长约255 m，宽80.8 m，满载排水量约100 000 t。在船体材料的选择上，“福特”号航母与“尼米兹”级航母的“布什”号在结构钢使用上最大的区别是：美国海军金属材料研究中心计划将HSLA-65 在“福特”号上推广应用，而且将首次应用HSLA-115 钢。目前已经完成了CVN 78 用HSLA-65 钢板的大小及厚度评价，并且美国海军海上系统司令部（NAVSEA）已经颁布了鉴定书，证明这种材料满足“福特”号航母的采购要求及设计需求。目前该厂已经将HSLA-115 钢纳入到“福特”号航母的设计中。

2 HSLA 钢分析

HSLA 钢即高强度低合金钢，这种钢工艺性能好，有良好的焊接性；此外，它们的应用还能显著降低航母自重并提高结构的抗损能力。

HSLA 系列钢中碳和碳当量都很低，加之其内部的非马氏体组织，保证了该型钢的高强韧化水平和优异的抗氢致开裂性能。在HSLA 钢中，铜和镍是主要合金元素。加入铜可使HSLA 在固熔处理和时效后形成富铜相，富铜析出相阻碍位错运动，提高屈服强度，产生沉淀硬化；还改善了钢材在海水中的耐蚀性；提高了钢材的耐磨性。加入镍可充分防止由铜引起的热脆性，还可提高淬透性。铌也是重要的元素，含量约为0.02% ~ 0.06%，它可使晶粒细化，加铌后产生的细晶粒组织有利于HSLA 钢的强韧化。此外，比起HY钢，HSLA刚的韧性加强了，这对于舰体的直接好处就是提高了防弹效果；采用HY 型焊接材料焊接时，HSLA 钢的热裂抗力及冷裂抗力都优于HY 钢，而且预热成本较低，焊接成本可降低50% 以上，它有逐渐替代水面舰艇用HY 钢的趋势。

HSLA-80 和HSLA-100 钢分别是HY-80 以及HY-100 钢的替代品种，屈服强度分别为549 MPa、689 MPa，它们具有比HY 系列钢更优异的焊接特性，不需预热或预热温度较低，焊接时可以采用与HY 系列相同的焊条及焊接工艺，大大降低了水面舰艇的建造成本。此外，控扎得到的HSLA-80 钢可取消热处理，进一步降低了成本；这种以轧制状态供应的控扎钢板材尺寸不受热处理炉的限制，可生产更长的板，既能减小横向焊缝的总长度，又能将一些横向焊件置于低应力区内。据美国海军官方数据，若采用HSLA-80 钢板，每磅（0.453 6 kg）HSLA-80钢的纯制造成本就比HY-80 钢低40% ~ 90%。美海军海上系统司令部曾作出预测，若用HSLA-80 取代HY-80 钢板，每10 年就可节省经费2 亿 ~ 10 亿美元。对于HSLA-100 钢而言，在航母上所用的钢中一半以上都是在25.4 mm 以下（25.4 mm 以下钢板可以在室温下焊接，因为其预热温度为15.6 ℃），因此美国海军预测，因为预热成本的减少，美海军在其研制成功后的10 年中节省的资金高达1 亿美元/ 年。表2 是HSLA-80 钢的焊接材料及焊接工艺。

表2 HSLA-80 钢焊接材料及焊接工艺

HSLA-65 钢由民船用钢改进而来，美国海军研究这种钢材是准备在未来的舰船建造中代替HTS钢。HSLA-65 钢的屈服强度约为449 MPa，可以填补高强度钢（HSS）DH/EH-36 与屈服强度为549 MPa 的HY 及HSLA 钢之间的空白；同时又能克服HSLA-80 钢作为船壳板时的缺陷。HSLA-80 钢虽然用较薄的板和更少的焊接金属可满足强度要求，不过会产生扭曲，需要附加加强件，增加了成本和舰艇重量，因此美国海军于20 世纪80 年代开发了HSLA-65 钢，它的成本及加工费用基本与HSS 钢相同，焊接工艺、程序和焊接材料也与HSS 相同。使用HSLA-65 代替HSS 可使用较薄的板材，从而使每艘舰重量减轻约1 500 t。

HSLA-65 钢的化学成分与HTS 钢相似，采用电炉冶炼，氩—氯脱碳精炼，真空脱氧，加钙处理以控制夹杂物形成，控扎；其板厚可达51 mm，机械性能、韧性均能满足舰艇用钢的要求。表3 是这几种钢的机械性能。

表3 HSLA-65 钢与HTS 钢的机械性能

HSLA-115 由HSLA-100 经过改进热处理而成，其屈服强度为115 千帕/ 平方英寸（约794 MPa），强于HSLA-100 的100 千帕/ 平方英寸（690 MPa）。如果通过测试，它将部分取代“福特”号航母上的HSLA-100 钢和HY100 钢，尤其是航母飞行甲板用钢，可增强飞行甲板结构强度，还能有效节省空间及减轻重量，增加有效负载。据美海军估计，如果在“福特”号航母上采用HSLA-115 钢替代HSLA-100 钢，则至少可以减轻400 t 的重量，其中仅上层建筑的重量就可以减少100 t ~ 200 t，进一步提高航母稳性，增加有效负载。

3 结束语

从美国航母船体结构用钢发展历史可以看出，美国海军和航母设计人员一直高度重视航母结构用钢的开发及应用研究，并进行了包括核爆炸在内的船体结构抗冲击试验，在船体结构用钢领域积累了丰富的经验。其船体结构用钢的综合性能在持续提高，为新型航母的设计及提高航母的综合性能创造了条件。