2002年3月,一群中国顶尖的船舶工程师和材料学专家围在一艘锈迹斑斑的庞然大物旁。这就是跨越1.5万海里抵达中国的瓦良格号航母。
2002年3月3日,瓦良格号顺利抵达大连港,中国专家得以实地考察这艘航母的钢材。当时瓦良格号已经闲置多年,外表被海水侵蚀得锈迹斑斑,但钢材依然保持着出色的强度和耐腐蚀性,表面清理后几乎完好如初。
专家们取下一块样本,用砂轮打磨,浮锈之下的钢板光亮如新。一名在场的冶金专家反复检测后感叹:“苏联人这钢材,用得太好了!”
在此之前,外界普遍认为中国买回来的只是一个空壳子。它没有发动机,没有武器系统,连电缆都被抽空。
商人徐增平为此倾家荡产,回航途中一名希腊水手还付出了生命。更令人惊讶的是,尽管已经超过十年没有进行过任何消磁操作,它舰体的磁性值几乎为零,因此不易被敌方磁力探测发现,也不易受到敌方磁性水雷等武器的攻击。
这反映出前苏联在钢材制造上的超高水平。前苏联于1954年开发出了潜艇壳体用AK25及其改进型钢材,不仅强度高,而且能在常温下焊接,不需要预热,性能优良。
其中的镍铬钛合金钢屈服强度可达980兆帕。这种高强度低磁钢大量用于潜艇制造,如941型台风级潜艇的非耐压壳体,以及潜艇的指挥台围壳、尾部壳体、稳定翼和舵板等。
前苏联建造的瓦良格号航母,主壳体选用的正是屈服强度590兆帕级的AK-25钢,防护结构则选用了屈服强度760至980兆帕的多种高强度AK系列钢。如今,俄罗斯的AB系列船体钢已逐步取代前苏联的AK系列钢。
作为对照,20世纪60年代以后,美国开始采用HY系列钢。
广泛用于各类水面舰艇、航母和潜艇的,是屈服强度550兆帕的HY-80钢和690兆帕的HY-100钢,但这类钢为防止焊接开裂,需要控制预热、层间温度等许多因素,焊接难度和制造成本都比较高。
集高强度、高韧性、抗腐蚀、低磁性于一身的特种钢材,对当时的中国来说还是一片空白。中国水面舰艇主船体曾使用的钢种有390兆帕级的907A钢,440兆帕级的903钢和945钢,以及作为止裂件使用的590兆帕级921A钢。
921A钢、922A钢、923A钢及新型785兆帕级980钢,是中国目前最主要的舰艇用钢。但这些钢种与修复瓦良格号所需的AK系列钢、对称球扁钢以及10ХСНД钢存在显著差异。
正是通过对瓦良格号钢材的深入研究,中国造船专家意识到这艘航母钢材技术的巨大潜力,决定以此为基础,研发适合中国航母的耐海水腐蚀、防鱼雷攻击的无磁特种钢材。用于船体、装甲和结构的各种钢板,是航母建造最主要、最重要、最关键的结构材料。
建造一艘像福建舰这样的8万吨级大型航母,需用各种特殊品种的大宽厚钢板4.3万多吨,其中仅飞行甲板就需钢板约8500多吨。中国曾在航母甲板钢以及拦阻索方面向俄罗斯求援,但都被对方以种种理由拒绝。
印度于2005年启动了维克兰特号航母的建造计划,但几年后俄罗斯突然切断了航母甲板钢的供应。印度一度尝试自己研发,最终发现产品明显不达标,只能再次高价购买俄罗斯产品。
2008年,航母用钢自主研发的重任落在了鞍钢集团肩上。鞍钢被誉为“中国钢铁工业的摇篮”,曾为南京长江大桥、京沪高铁和港珠澳大桥的建造作出巨大贡献。但面对对称球扁钢,鞍钢依然困难重重。以鞍钢研究员周丹为首的团队,接下了研制航母龙骨所需的对称球扁钢任务。
这种钢材形状极不规则,轧制难度极大,起初团队手里只有从瓦良格号上拆下的样品,废品一度堆积如山。周丹和同事们吃住在车间,在热处理架上把钢材固定住防止变形,日夜守护。
研发团队最终彻底掌握了球扁钢生产技术,只用了一年半,远少于最初预估的五年。2009年5月,鞍钢集团首次交付了辽宁舰改造所用的200吨特种钢。
两年后,鞍钢集团开始攻关难度更大的航母甲板钢,技术人员几乎全天守在一线,每天只睡四个小时左右。航母飞行甲板除了要承受海洋高盐雾环境下的电化学腐蚀,以及9级以上风浪中的应力载荷,还必须承受歼-15这类重量超过30吨的重型舰载机起降时的强烈冲击和高摩擦力。
同时,飞行甲板又不能太厚,一般为40至50毫米,以减轻船体重量、降低重心;不平度要求在每米5毫米以下。甲板还要承受喷气式飞机高达几千度的火舌烘烤,挡流板更要直接面对发动机尾焰。
承担甲板钢任务的是鞍钢军工所赵刚团队。力学性能的偏差不能超过10兆帕,在零下84度的超低温冲击试验中,韧性值要达到250焦以上。
鞍钢拥有世界上最大的10万吨级压力特种钢板压制机,全重超过760吨,可以压制长40米、宽5.5米的特种钢。在它的助力下,中国第一批航母甲板用钢成功投产,整体屈服强度高达690兆帕,综合性能不逊于美国福特级使用的HSLA-115特种钢。
2012年9月25日,瓦良格号被命名为辽宁舰正式交付海军,中国拥有了第一艘航母。改装过程让中国摸透了航母的设计理念、建造工艺和系统集成。
2013年,鞍钢宣布完成国产航母关键钢材的研发生产,赵刚称之为“世界顶配”。2019年,完全自主设计建造的山东舰服役,其甲板钢样本上刻着“完全国产,完全自主”八个大字。
业内说“航母焊接质量就是战斗力”。焊接约占航空母舰建造周期的四分之一,最高可达总工时的50%。
福建舰的焊缝总长超过50公里,每一条焊缝都需要经过X光拍片或超声波无损检测,检验合格率达到97%以上,接面平整度控制在千分之三以下。航母甲板的焊接需要重复五至十道工序才能完成。
为了能够追溯责任人和焊接时的环境工况,每块钢板上不仅记录着装配工和焊工的姓名,还记录着当天焊接作业时的温度、湿度,甚至风速等天气情况。
针对未来核动力航母和潜艇的用钢需求,东北大学、中国科学院金属研究所等团队此前联合研发了低成本碳锰系新型超高强钢。
钢铁强度达到2000兆帕级时塑性会急剧下降,而新技术使钢铁材料实现了1600至1900兆帕的屈服强度、2000至2400兆帕的抗拉强度,以及18%至25%的均匀延伸率,兼顾了强度和韧性。
如今全球拥有完整6万吨级航母制造技术的国家,只有中国和美国。回顾中国航母特种钢的研发历程,从瓦良格号的舰体修复到福建舰的自主建造,每一步都印证了“大国重器,材料先行”的道理。
当福建舰甲板迎来歼-35、歼-15战机起降时,这些特种钢板早已成为中国工业腾飞的基石。