随着海洋强国战略的推进，开发海洋工程装备已上升为国家战略层面。海洋工程包括资源开发、装备制造和军事工程等，其中海洋平台、船舶舰艇、海底管路等重要的装备设施均由金属材料制造而成[1]。在海洋环境下，耐腐蚀性是保证金属材料服役稳定性和寿命的关键因素。早期，多数海洋工程设施由钢材制造，存在耐蚀性差、密度大等缺点，无形中增加了海洋工程装备的重量，不符合国家轻量化的发展需求。相比而言，铝合金具有质轻、比强度高、加工性能优良等特点，因而早已广泛应用于航空航天、交通运输和建筑工程等行业[2,3]。由于铝合金表面形成的钝化膜对于保护基体、抵抗海洋环境下的腐蚀有着重要作用，因此铝合金成为使用率仅次于钢的第二大金属材料，在海洋工程领域应用前景广阔，将铝合金作为一种新型材料应用于海洋工程成为当前的研究热点[4,5]。
1 铝合金的应用
铝合金是一类有色金属，具有密度低、强度高等优点，且兼具优良的导电性、导热性和耐腐蚀性能。从19世纪末开始，铝合金逐渐在船舶制造、海洋工程领域有所应用，到20世纪五六十年代，新技术使得铝合金在耐腐蚀和强度性能上取得了突破，自此被广泛应用[6,7,8]。由于海洋工程装备的不同结构件服役的环境、受力也不同，因此根据实际应用开发出1～8种不同系列的铝合金，其中2系、5系、6系和7系铝合金是海洋工程装备制造时常用的4个系列。
2系铝合金是一类硬质合金，主要分为Al–Cu系和Al–Cu–Mg系[9]。2024–T4属于Al–Cu–Mg系，无磁性，硬度约为HB120～145，是海洋石油钻杆的主要材料，用来开采海洋石油和天然气资源[10,11]。2024铝合金具有质轻、强度高等特点，与传统钢相比，能够减轻钻机负荷、节约能耗，提高钻杆在H2S等恶劣环境中的耐腐蚀能力，降低海洋平台总质量[12,13]。Al–Cu系铝合金（如2A10、2A12和2A14等）曾为船舶、舰艇外壳的制造材料，后因腐蚀性能的限制，被高系铝合金替代[14]。目前，2A10是铝合金船体、民用船舶上层建筑专用的铆接构件[15,16]。
5系铝合金主要为Al–Mg系列，根据Mg合金含量的不同，又将其分为不同牌号，海洋工程常用的5系铝合金牌号见表1[17]。5系铝合金因耐腐蚀性优异，因而在海洋工程领域的应用较多[18]。在船舶制造中，壳体结构采用5083、5086铝合金，5052和5454铝合金用来制作船舶甲板和上层舾装壁板[14,19,20,21]。在海洋运输过程中，液化天然气（LNG）储罐对材料性能的要求较苛刻，需在低温下保证材料的强度、力学性能和腐蚀性能不受影响，5083铝合金具有同时满足以上条件的性能，是可燃冰、天然气等海上低温储存装置的主要制造材料[22]。海洋运输容器（如油箱、水泵、导管、散热器、烟囱等船舶零配件）采用5A系列铝合金。在海洋和海岸设施建造中，海洋平台停机坪的材料开始由传统用钢向铝合金转变，耐蚀铝合金的使用节约了腐蚀维护、涂装防护涂层的成本，减轻了平台的自质量，铝合金的抗震动、抗冲击等性能也缓解了飞机起落对海洋平台的冲击。5754铝合金常用来建造船舶停靠码头的浮坞，对于防止浮坞在浪花飞溅区的腐蚀、延长使用寿命具有重要意义[23]。5系铝合金在海洋军事上也有所应用，如护卫舰、快艇及炮艇的壳体材料。
表1 海洋工程用5系铝合金的化学组成（质量分数）[17]
Tab.1 Chemical composition of 5 series aluminum alloy for Marine engineering[17] wt.%
Note:5754 aluminum alloy contains 0.10wt.%-0.06wt.%Mn+Cr,5059 aluminum alloy contains 0.05wt.%-0.20wt.%Zr.
6系铝合金指Al–Mg–Si系列合金，其具有可塑性和加工性能良好等优点，经过冲孔、挤压等工艺锻造成为型材、板材，可应用于船舶甲板、壳体结构，船舶上层建筑的门、窗、盖等配件及生活区域的床柜、家具等也多采用6系铝合金[24,25]。6系铝合金常见的牌号为6063、6061、6005A和6063，最初用于建筑工程，后由于其具有优异的力学性能和焊接性能，开始用于船舶制造（如用于制造船舶舷窗）。6063是辽宁号航空母舰建造中使用频率最高的一类铝合金[26,27]。6061可用来制作船上的桅杆、舷梯等，但可焊性较差，因此常作为铆接构件使用[19]。
7系铝合金是一类高强韧合金，最初作为航天材料被开发，后来逐渐应用于轨道交通、船舶制造等领域。在海洋工程方面，深潜器、鱼类外壳及其发射器常使用7系铝合金[28]。7075铝合金拥有高强比和抗疲劳性能，是工业上常用的结构材料[29,30]。由于Al–Zn–Mg–Cu(7系）铝合金的显微组织较复杂，存在金属间化合物和强化相，发生晶间腐蚀、点蚀的危险性较大，因此在海洋上的应用范围受到极大限制，仅用于制造少部分承重和受力构件[31]。7A33被称为海洋铝合金，弥补了7系铝合金腐蚀性能较差的短板，是继5系后耐腐蚀性能较佳的铝合金，硬度与2系硬质铝合金相当，已经被用来制造水上飞机、直升机和两栖飞机[17]。
