CN103993210A - 一种铝锂合金材料及其改进真空熔炼工艺的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝锂合金材料及其改进真空熔炼工艺的制备方法。本发明铝锂合金材料由如下重量百分比的组分组成：锂2.0-3.5wt％，铜0.01-0.03wt％,镁5.0-7.5wt％，锆0.1-0.35wt％，钛0.01-0.1wt％，铁0.1-0.2wt％，硅0.05-0.15wt％，余量为铝。本发明通过铝锂合金的熔炼过程中增加真空精炼的步骤，并且改进真空熔炼工艺，使其具有能够有效除氢钠钾等杂质的同时减少熔体中锂、镁等易挥发的合金元素大量烧损，避免材料产生成份偏差。本发明的铝锂合金材料具有高合金塑韧性、可焊接性以及高强度，同时密度降低、弹性模量提高、耐腐蚀性提高，成本降低。本发明的铝锂合金材料可广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝锂合金材料及其改进真空熔炼工艺的制备方法，特别是涉及一种低材料烧损率的铝锂合金材料及其改进真空熔炼工艺的制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用，近年来科学技术以及工业经济的飞速发展。
由于铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。
铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度及良好的耐腐蚀性能等优点，是航空航天工业中最重要的轻质高强结构材料。但在铝锂合金中，由于锂元素的加入，使合金在熔化过程中的化学活性大大增强，加重合金吸氢倾向。因此，铝锂合金中氢含量为一般铝合金的10倍以上。同时由于铝锂合金中含有锂，因此不可避免会含有与锂元素同族的钠钾和等碱金属杂质，而氢和碱金属杂质是导致铝锂合金低塑性的重要原因。
表1中所示的是氢含量对合金机械性能的影响
表1
综上，目前需要一种铝锂合金的制备方法，来解决铝锂合金氢脆、降低钠钾等碱金属杂质、提高合金塑韧性，防止铝锂合金在熔炼过程中熔体吸氢，同时降低大幅度降低铝锂合金铸锭氢及钠钾等杂质含量。
发明内容
在元素周期表中，氢锂钠钾都是临近的第一主族元素，在制定出合理的熔炼工艺，降低两边的氢和钠钾杂质元素的同时，而尽可能多的保留中间的合金元素锂成为真空熔炼的关键。本发明通过研究铝锂合金真空熔炼工艺和除氢规律，找出改进的方法，从而提高铝锂合金的性能，使铝锂合金适宜于工业化生产。
本发明的目的在于，通过铝锂合金的熔炼过程中增加真空精炼的步骤，同时进一步优化熔炼工艺。提供一种具有较高合金塑韧性的铝锂合金材料，其中氢钠钾等杂质含量降低，同时避免熔体中锂、镁等易挥发的合金元素大量烧损，材料成份偏差小。
为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：
一种铝锂合金材料，由如下重量百分比的组分组成：锂2.0-3.5wt％，铜0.01-0.03wt％,镁5.0-7.5wt％，锆0.1-0.35wt％，钛0.01-0.1wt％，铁0.1-0.2wt％，硅0.05-0.15wt％，余量为铝。
优选地，一种铝锂合金材料，由如下重量百分比的组分组成：锂2.75wt％，铜0.02wt％,镁6.8wt％，锆0.275wt％，钛0.05wt％，铁0.15wt％，硅0.1wt％，余量为铝。
本发明提供的上述铝合金材料的制造方法，具有以下步骤：
1)将材料按所述质量比混匀，在800-850℃下熔炼，熔炼时间为1-1.5小时；
2)采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内；
3)将合金液体保温至700℃之后置于真空熔炼炉中再次熔炼，在700℃温度、300-3000Pa的真空度条件下，真空熔炼20分钟；
4)检测氢含量至小于等于质量分数1×10-7；
5)采用连续铸造的方式生产毛坯圆锭；
6)时效处理，环境温度为200-220℃，时效退火时间为1.5小时；
7)将所述完成的合金材料拉制成形。
进一步地，其中在步骤3)中，将所述熔炼炉内真空度设置在1000Pa。
所述铝锂合金材料在制备航天航空结构材料中的用途。
采用上述技术方案，本发明的有益效果有：
1、本发明提供了一种铝锂合金，同时满足了对多用途材料的高合金塑韧性、低密度、高弹性模量、高比强度和比刚度、低温性能和耐腐蚀性、高强度的多种需要。
2、本发明通过改进真空熔炼工艺的制备方法，有效防止铝锂合金熔体吸氢，清除氢钠钾等杂质的同时减少熔体中锂、镁等易挥发的合金元素大量烧损，避免材料产生成份偏差，并且改进了熔炼的温度和时间。
3、本发明适当地提高了金属锂的含量，提高了合金材料的可焊接性和低各异性并且降低了生产成本，同时调整了生产工艺，以挤压取代多次热处理或锻打的方式实现了材料质量的整体减小。
4、本铝锂合金材料由于具有较高合金塑韧性、较低的密度及较高的强度，是一种理想的结构材料，可广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，比如飞机内部的连接架，高速动车车厢内部的连接杆等。
具体实施方式
实施例1本发明的铝锂合金材料的制备
配料 熔炼：将原料按质量比为：锂2.0wt％，铜0.03wt％,镁5.0wt％，锆0.1wt％，钛0.01wt％，铁0.1wt％，硅0.05wt％，余量为铝的比例放入熔炼炉中，熔炼炉温度控制在800℃，时间为1.5小时。
检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
真空熔炼：将合金液体保温至700℃之后置于真空熔炼炉中再次熔炼，在700℃温度、300Pa真空度的条件下，真空熔炼20分钟。
吸氢量检测：通过容量法、重量法等化学方法检测合金吸氢量至小于等于质量分数1×10-7。
铸造 冷开坯：采用连续铸造方式，采用计算机控制交流电机，实现微引程反推工艺，生产出大卷重带坯，经过双面铣削铣面机组铣去带坯表皮缺陷，经过冷轧机，切割成该毛坯圆锭。
挤压成型：在挤压筒中对锭坯使之从模孔中流出。
时效处理：采用人工时效处理，环境温度为200℃，消除内应力，时效退火时间为1.5小时。
洗刷 矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直工序，消除内应力，将合金材料拉制成成品。
根据实施例1的制造方法，氢含量达到1×10-7的时间以及材料烧损率，如表2所示：
表2
实施例2本发明的铝锂合金材料的制备
配料 熔炼：将原料按质量比为：锂3.5wt％，铜0.01wt％,镁6.8wt％，锆0.35wt％，钛0.1wt％，铁0.2wt％，硅0.15wt％，余量为铝的比例放入熔炼炉中，熔炼炉温度控制在850℃，时间为1小时。
检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
真空熔炼：将合金液体保温至700℃之后置于真空熔炼炉中再次熔炼，在700℃温度、500Pa真空度的条件下，真空熔炼20分钟。
吸氢量检测：通过容量法、重量法等化学方法检测合金吸氢量至小于等于质量分数1×10-7。
铸造 冷开坯：采用连续铸造方式，采用计算机控制交流电机，实现微引程反推工艺，生产出大卷重带坯，经过双面铣削铣面机组铣去带坯表皮缺陷，经过冷轧机，切割成该毛坯圆锭。
挤压成型：在挤压筒中对锭坯使之从模孔中流出。
时效处理：采用人工时效处理，环境温度为200℃，消除内应力，时效退火时间为1.5小时。
洗刷 矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直工序，消除内应力，将合金材料拉制成成品。
根据实施例2的制造方法，氢含量达到1×10-7的时间以及材料烧损率，如表3所示：
表3
实施例3本发明的铝锂合金材料的制备
配料 熔炼：将原料按质量比为：锂2.75wt％，铜0.02wt％,镁7.5wt％，锆0.275wt％，钛0.05wt％，铁0.15wt％，硅0.1wt％，余量为铝的比例放入熔炼炉中，熔炼炉温度控制在850℃，时间为1.5小时。
检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
真空熔炼：将合金液体保温至700℃之后置于真空熔炼炉中再次熔炼，在700℃温度、1000Pa真空度的条件下，真空熔炼20分钟。
吸氢量检测：通过容量法、重量法等化学方法检测合金吸氢量至小于等于质量分数1×10-7。
铸造 冷开坯：采用连续铸造方式，采用计算机控制交流电机，实现微引程反推工艺，生产出大卷重带坯，经过双面铣削铣面机组铣去带坯表皮缺陷，经过冷轧机，切割成该毛坯圆锭。
挤压成型：在挤压筒中对锭坯使之从模孔中流出。
时效处理：采用人工时效处理，环境温度为220℃，消除内应力，时效退火时间为1.5小时。
洗刷 矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直工序，消除内应力，将合金材料拉制成成品。
根据实施例3的制造方法，氢含量达到1×10-7的时间以及材料烧损率，如表4所示：
表4
实施例4本发明的铝锂合金材料的制备
配料 熔炼：将原料按质量比为：锂2.75wt％，铜0.02wt％,镁6.8wt％，锆0.35wt％，钛0.1wt％，铁0.2wt％，硅0.15wt％，余量为铝的比例放入熔炼炉中，熔炼炉温度控制在800℃，时间为1小时。
检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
真空熔炼：将合金液体保温至700℃之后置于真空熔炼炉中再次熔炼，在700℃温度、2000Pa真空度的条件下，真空熔炼20分钟。
吸氢量检测：通过容量法、重量法等化学方法检测合金吸氢量至小于等于质量分数1×10-7。
铸造 冷开坯：采用连续铸造方式，采用计算机控制交流电机，实现微引程反推工艺，生产出大卷重带坯，经过双面铣削铣面机组铣去带坯表皮缺陷，经过冷轧机，切割成该毛坯圆锭。
挤压成型：在挤压筒中对锭坯使之从模孔中流出。
时效处理：采用人工时效处理，环境温度为200℃，消除内应力，时效退火时间为1.5小时。
洗刷 矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直工序，消除内应力，将合金材料拉制成成品。
根据实施例4的制造方法，氢含量达到1×10-7的时间以及材料烧损率，如表5所示：
表5
实施例5本发明铝锂合金材料的制备
配料 熔炼：将准备好的金属按质量比为锂2.0-3.5wt％，铜0.01-0.03wt％,镁5.0-7.5wt％，锆0.1-0.35wt％，钛0.01-0.1wt％，铁0.2wt％，硅0.15wt％，余量为铝放入熔炼炉中，熔炼炉温度控制在800-850℃，时间为1-1.5小时。
检测：采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内。
真空熔炼：将合金液体保温至700℃之后置于真空熔炼炉中再次熔炼，在700℃温度、3000Pa真空度的条件下，真空熔炼20分钟。
吸氢量检测：通过容量法、重量法等化学方法检测合金的吸氢量至小于等于质量分数1×10-7。
铸造 冷开坯：采用连续铸造方式，采用计算机控制交流电机，实现微引程反推工艺，生产出大卷重带坯，经过双面铣削铣面机组铣去带坯表皮缺陷，经过冷轧机，切割成该毛坯圆锭。
挤压成型：在挤压筒中对锭坯使之从模孔中流出。
时效处理：采用人工时效处理，环境温度为220℃，消除内应力，时效退火时间为1小时。
洗刷 矫直：通过酸洗洗刷工序，除去表面残留和氧化物，通过矫直工序，消除内应力，将合金材料拉制成成品。
检验:检测成品合金中各成分的含量。
根据实施例5的制造方法，氢含量达到1×10-7的时间以及材料烧损率，如表6所示：
表6
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种铝锂合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：锂2.0-3.5wt％，铜0.01-0.03wt％,镁5.0-7.5wt％，锆0.1-0.35wt％，钛0.01-0.1wt％，铁0.1-0.2wt％，硅0.05-0.15wt％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的一种铝锂合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：锂2.75wt％，铜0.02wt％,镁6.8wt％，锆0.275wt％，钛0.05wt％，铁0.15wt％，硅0.1wt％，余量为铝。
3.根据权利要求1或2所述铝锂合金材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：
1)将材料按所述质量比混匀，在800-850℃下熔炼，熔炼时间为1-1.5小时；
2)采用光谱分析法检测熔炼完成的合金液体，确定其成分在范围之内；
3)将合金液体保温至700℃之后置于真空熔炼炉中再次熔炼，在700℃温度、300-3000Pa的真空度条件下，真空熔炼20分钟；
4)检测氢含量至小于等于质量分数1×10-7；
5)采用连续铸造的方式生产毛坯圆锭；
6)时效处理，环境温度为200-220℃，时效退火时间为1.5小时；
7)将所述完成的合金材料拉制成形。
4.根据权利要求3所述的铝锂合金材料的制备方法，其中在步骤3)中，将所述熔炼炉内真空度设置在1000Pa。
5.根据权利要求1或2所述的铝锂合金材料在制备航天航空结构材料中的用途。
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