0 引　言

舰船轻量化是提升航速、续航能力与燃油经济性的核心需求，而铝合金板材因密度仅为钢的1/3、比强度可达钢的1.2～1.5倍，且具备优异的海洋环境耐蚀性，已广泛应用于舰体甲板、舱壁、上层建筑等关键结构^{[1 − 2]}。板材成型作为舰船铝合金结构制造的核心工序，其工艺合理性直接决定构件尺寸精度、力学性能与服役可靠性，是衔接材料研发与工程应用的关键环节。当前船用铝合金板材成型技术呈现传统技术主导、新型技术探索的格局。传统冷压成型因设备成本低、生产效率高，多用于简单平面板材加工，但室温下铝合金塑性变形抗力大，易产生3%～8%的回弹量，导致构件尺寸偏差超差，需额外进行矫正加工^[3]；热压成型通过300～500℃加热降低变形抗力，可减少回弹至1%～2%，但长时间高温易引发晶粒粗化，晶粒尺寸从15 μm增至35 μm以上，导致屈服强度下降10%～15%，且表面氧化皮需后续酸洗处理，增加工艺复杂度^[4]；液压成型依托均匀液体压力实现构件壁厚均匀变形，成型精度可达±0.1 mm，但其设备投资成本是传统冷压的3～5倍，单件成型周期延长20%～30%，难以满足批量生产需求。

在性能评价方面，现有研究存在明显局限性：其一，评价维度单一，多聚焦拉伸强度、硬度等基础力学指标，忽略舰船板材核心服役需求，导致部分力学合格构件在服役中因腐蚀失效或疲劳断裂引发安全事故；其二，评价标准碎片化，不同研究对成型精度的定义、耐蚀性的测试条件差异显著，缺乏统一的量化体系，无法实现不同成型工艺的横向对比^{[5 − 6]}。

本文针对上述问题，以5083、6082船用铝合金板材为研究载体，剖析主流与新型成型技术的工艺约束及微观机制，基于层次分析法构建多维度性能评价体系并验证新型技术可行性。

1 船用铝合金板材主流成型技术

目前，船用铝合金板材主流成型技术在舰船不同部位零件加工中都有广泛应用，对这些技术进行对比和总结，结果如表1所示。冷压成型技术是在室温环境下通过模具对铝合金板材施加压力，利用材料的塑性变形特性实现目标形状的加工方式。热压成型技术包含常规热压成型与时效成型2种工艺类型，其中热压成型需将板材加热至300～500 ℃并保温10～60 min，时效成型则是在120～180 ℃的温度条件下同步施加压力，以实现材料变形与时效强化的协同作用。液压成型技术主要分为充液成型和内高压成型2种类型。充液成型通过在板材与模具之间充入液体，施加5～20 MPa的压力实现成型；内高压成型则是在管材内部充液的同时利用外部模具约束，通过20～100 MPa的压力完成加工^[7]。

2 实验设计 2.1 实验材料预处理

选取5083H112和6082T6两种船用铝合金板材，其中5083H112板材厚度为6 mm，6082T6板材厚度为8 mm，2种板材的尺寸均设定为300 mm×200 mm，以适配实验室成型设备的加工要求。为明确材料初始状态，通过两类测试手段开展表征：力学性能测试采用Instron5982万能试验机，测试结果显示5083铝合金的屈服强度为240MPa；抗拉强度为310 MPa；伸长率为22%，6082铝合金的屈服强度为270 MPa；抗拉强度为310 MPa；伸长率为16%。微观组织观察借助OlympusGX51金相显微镜，观察发现：5083铝合金的初始晶粒尺寸处于15～20 μm，6082铝合金的初始晶粒尺寸处于10～15 μm，两类数据共同为后续成型工艺优化提供初始材料性能基准。

在板材正式进入成型工序前，需先开展去氧化皮处理，避免表面氧化层对成型质量与性能测试结果产生干扰。该处理工艺采用10%浓度的NaOH溶液，在50℃的温度环境下对板材进行酸洗操作，酸洗持续时间控制为5 min，通过这一过程可有效去除板材表面厚度约5 μm的氧化层，使板材基体暴露，为后续润滑处理与成型加工创造洁净的表面条件。

除去氧化皮外，还需根据不同成型工艺的特性差异开展针对性润滑处理，以减少板材与模具间的摩擦作用，保障成型过程稳定。针对冷压成型工艺，选用MoS₂润滑脂作为润滑剂，该润滑脂能使成型过程中的摩擦系数稳定维持在0.08，避免室温下铝合金塑性变形抗力大导致的模具磨损或板材表面划伤；针对热压成型工艺，由于加工过程温度较高，常规润滑脂易失效，故采用石墨粉作为润滑剂，利用石墨粉的高温稳定性与润滑特性，减少高温环境下板材与模具的黏连风险，确保热压成型过程顺利进行。

2.2 实验工艺设计

针对5083板材的冷压成型工艺优化采用L₉(3⁴)正交实验设计。实验选取压下量、模具圆角和摩擦系数作为关键影响因素，其中压下量设置为15%、20%、25%这3个水平，模具圆角设置为8、12、16 mm这3个水平，摩擦系数设置为0.06、0.09、0.12这3个水平。以回弹量和表面粗糙度作为主要评价指标。由图1可知，随着模具圆角增大，回弹量线性下降，且压下量越大，回弹量随模具圆角增大的下降速率越快，表明高压下量与大模具圆角的工艺组合，对降低冷压成型的回弹量具有更显著的效果。

针对6082板材的热压成型工艺优化采用响应面法中的Box-Behnken设计。实验选取加热温度、保温时间和冷却速率作为核心影响因素，加热温度设置为380、420、460 ℃这3个水平，保温时间设置为20、30、40 min这3个水平，冷却速率设置为10、15、20 ℃/min这3个水平。以晶粒尺寸和屈服强度作为评价指标，构建包含线性项、二次项和交互项的二次回归模型，模型中各项系数通过实验数据拟合获得。

3 船用铝合金板材多维度性能评价体系构建 3.1 评价指标体系设计

船用铝合金板材的性能评价需围绕舰船服役核心需求展开，因此构建涵盖力学性能、耐蚀性能、成型精度、微观组织四大维度的指标体系，且根据各维度对舰船安全与服役可靠性的影响程度，赋予不同权重 ——力学性能权重40%、耐蚀性能权重30%、成型精度权重20%、微观组织权重10%，确保评价的针对性与科学性。

1）力学性能作为板材承载能力的核心体现，包含基础力学、疲劳性能、弯曲性能三类指标。其中基础力学指标选取屈服强度（σ_s）、抗拉强度（σ_β）、伸长率（δ），这3项指标直接反映板材在静态载荷下的抗断裂与塑性变形能力，是保障舰体结构稳定的基础；疲劳性能聚焦舰船长期承受风浪、振动等交变载荷的场景；弯曲性能则针对舱壁、甲板等需承受弯曲载荷的构件，验证板材在弯曲受力下的完整性。

2）耐蚀性能指标针对舰船长期暴露于海洋高盐雾环境的特点设计，分为中性盐雾试验与电化学性能测试两类，中性盐雾试验直观反映板材在海洋环境中的整体腐蚀速率；电化学性能测试可从微观机理层面补充评价耐蚀性能。

3）成型精度指标直接关联板材与舰船结构的装配适配性，包含回弹量、壁厚均匀度、表面精度三类参数。回弹量（ΔL/L₀）通过ZeissContura三坐标测量仪精准采集成型后板材实际尺寸与设计尺寸的偏差，计算偏差率以评估板材成型后的尺寸一致性；壁厚均匀度（Δt/t₀）采用超声波测厚仪对板材不同位置（间隔50 mm选取测试点）进行壁厚测量，通过计算各点壁厚与平均壁厚的偏差率，反映板材成型过程中材料分布的均匀性；表面精度通过MitutoyoSJ-210表面粗糙度仪测试Ra值，该指标影响板材表面涂层附着力与装配密封性，对舰船结构的长期可靠性至关重要。

4）微观组织指标是宏观性能的内在支撑，选取晶粒尺寸与第二相分布作为评价参数。晶粒尺寸（d）通过金相显微镜观察板材金相试样，借助Image-ProPlus软件对晶粒轮廓进行识别与统计，计算平均晶粒尺寸——晶粒越细小，板材力学性能通常越优异；第二相分布则通过ZeissSigma300扫描电子显微镜观察，重点分析Mg₂Al₃（5083合金）、Mg₂Si（6082合金）等第二相粒子的尺寸与分布均匀性，第二相粒子尺寸适中（50～100 nm）且分布均匀时，可通过弥散强化作用提升板材强度与耐蚀性，反之则可能成为腐蚀源或应力集中点，影响板材性能。

3.2 指标标准化与权重确定

由于不同评价指标的量纲与取值范围差异显著，直接叠加计算会导致结果受量纲影响偏大，因此需通过标准化处理消除量纲干扰，本研究采用极值法实现指标标准化，该方法操作简便且能最大程度保留指标间的差异特征。

权重确定采用层次分析法（AHP），通过构建递阶层次结构实现指标重要性的量化分配。该层次结构分为3级：目标层为“船用铝合金板材综合性能评价”，明确评价的核心目标；准则层为力学性能、耐蚀性能、成型精度、微观组织，对应四大评价维度；指标层为各准则层下的具体指标，如力学性能下的屈服强度、疲劳强度等。为保证权重分配的客观性，邀请5位材料科学（2人）、船舶工程（2人）、金属成型工艺（1人）领域的高级工程师组成专家团队，依据舰船板材的实际服役需求对各准则层、指标层的相对重要性进行打分，构建判断矩阵。随后通过一致性检验来验证判断矩阵的逻辑一致性，计算得一致性比例CR=0.08，小于0.1的临界值，表明专家打分无逻辑矛盾，权重分配可靠。最终权重分配如表2所示。

3.3 综合量化评估

为实现多维度指标的综合量化评估，基于标准化后的指标值与权重，构建综合评价指数（Comprehensive Evaluation Index，CEI），计算公式为：

$ {{CEI}} = \sum ({x'_{ij}} \times {w_j}) \text{。} $

(1)

式中：w_j为第j项指标的综合权重，该公式通过加权求和的方式，将各指标的标准化表现整合为单一数值，CEI取值范围为0～1，值越接近1表明板材综合性能越优，既避免了单一指标评价的片面性，又能直观反映不同成型工艺的优劣差异，为工艺选型提供量化依据。

为提升模型可信度，进一步开展敏感性分析与误差传递分析。

1）敏感性分析：通过调整各指标权重（±10%），观察CEI结果的波动幅度，验证模型对权重变化的稳定性。以表3中5083合金激光辅助冷成型工艺为例，当力学性能权重从0.30调整为0.33时，CEI从0.87升至0.89，变化率为2.3%；当耐蚀性能权重从0.25降至0.225时，CEI降至0.86，变化率为1.1%。所有指标权重调整后的CEI变化率均小于5%，表明模型对权重波动不敏感，结果稳定性良好。

2）误差传递分析：考虑各指标测量过程中的随机误差，力学性能测试误差±2%、成型精度测量误差±1.5%），基于误差传递公式计算CEI的合成误差。结果显示，5083与6082合金各工艺的CEI合成误差均在±3%以内，表明测量误差对最终评估结果的影响可控，模型具有较高可靠性。

为验证不同成型工艺对板材性能的影响，针对5083、6082这2种合金，分别对优化后冷压、优化后热压、激光辅助冷成型（5083）、液压成型（6082）这4种工艺的板材进行CEI计算，（见表3）。可以看出，5083合金中，激光辅助冷成型工艺的CEI得分0.87，显著高于优化后冷压工艺得分0.78，主要得益于激光辅助技术降低了回弹量（成型精度得分从0.75提升至0.85）、提升了疲劳强度，力学性能得分从0.82提升至0.90；6082合金中，液压成型工艺的CEI得分0.86，略高于优化后热压工艺得分0.83，核心优势在于液压成型的壁厚均匀度与表面精度更优，成型精度得分从0.82提升至0.90，但需注意液压成型的设备成本与生产周期更高，实际应用中需结合经济性综合权衡。

以表3数据为基础，将CEI模型与TOPSIS、灰色关联分析2种常用多属性评价方法开展交叉验证，结果显示三者对工艺优劣的排序一致：5083合金激光辅助冷成型与6082合金液压成型均表现最优。其中，TOPSIS法虽结论一致，但需多次计算距离参数，过程复杂且结果物理意义不够直观；灰色关联分析同样结论相符，却对指标标准化方式敏感，且难以直接体现各指标重要性差异。相比之下，CEI模型通过加权求和整合多维度指标，计算简便且权重物理意义明确（可反映舰船服役需求优先级），更适合工程实践中快速直观地评估工艺优劣，其合理性与适用性得到验证。

4 结　语

1）本文提出的CEI评价框架收敛稳健，50组蒙特卡洛校验后一致性比例CR＝0.08＜0.1，权重分配可信；

2）多目标折中性能突出，5083合金激光辅助冷成型CEI达0.87，比传统冷压提升11.5%，6082合金液压成型CEI达0.86，较热压提高3.6%，在保持疲劳强度≥0.88的同时将回弹量压缩至≤1%。