CN105102643B - 包含锂的铝合金的铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铸造包含锂的铝合金锭的方法，所述方法包含以下步骤：(a)在单独的炉中制备至少两种熔融的基于铝的合金，第一合金具有组成A，所述组成A不含有作为目的性合金元素的锂，第二合金具有组成B，所述组成B含有作为目的性合金元素的锂；(b)通过金属传送槽将第一合金从炉转移至铸造工段；(c)开始对锭进行铸造，并在铸造方向上将第一合金铸造至锭所需的长度L1；(d)随后通过金属传送槽将第二合金从炉转移至铸造工段，同时停止将第一合金转移至所述铸造工段；(e)在铸造方向上，从已铸造的第一合金长度L1处的端面开始，将第二合金铸造至额外的所需长度L2；(f)在铸锭底部大于等于铸造长度L1的长度处裁切铸锭。
Description
技术领域
本发明涉及铝-锂合金的铸造方法，将所述铝-锂合金铸造成适于通过挤压、锻造和/或轧制进行进一步加工的原料。
背景技术
在下文中将会明了的是，除非另作说明，下文中所有铝合金牌号和状态代号是指在2013年由美国铝业协会(Aluminum Association)出版的Aluminum Standards and Dataand the Registration Records中的Aluminum Association designations，其对本领域技术人员而言是公知的。
除非另作说明，对于铝合金组成或优选铝合金组成的任何描述，所指的百分数均为重量百分数。
包含锂的铝合金在航空航天的工业用途中是非常有益的，这是由于在有目的性地添加锂的情况下，加入每1wt％的锂可降低约3％的铝合金密度，并提高约6％的弹性模量。为了使这些合金被选用于飞机，它们在其它工程性质方面的表现必须与常用的合金一样好，尤其是在静态机械强度性质和耐损伤性质之间的折衷方面更是如此。随着时间的推移，已经采用大量的热-机械加工路线开发出了大量的铝-锂合金。然而，关键的加工路线仍然是锭或坯(ingots or billets)的铸造，所述锭或坯用于通过挤压、锻造和/或轧制进行进一步加工。已证明在工业规模的锭和坯的生产中，铸造工艺仍然是有问题的加工步骤。在炉中、转移槽中和铸造本身的过程中，尤其存在熔融金属发生氧化的问题。并且在铸造铝-锂合金过程中，安全问题依然是“铸漏”(bleed outs or runs outs)，同时由于锂使熔融的铝更加活泼，上述安全问题会导致比不含锂的合金发生更剧烈的反应。
Reynolds金属公司获颁的美国专利号5,415,220公开了在盐覆盖物之下直接激冷铸造铝-锂合金，以保护熔融金属免受由环境氧造成的氧化作用的方法，所述方法包含：(a)在包含熔融铝合金的炉中，形成包含氯化锂盐组合物的保护性熔融盐覆盖物；(b)通过盐覆盖物向熔融铝合金中加入锂和含锂铝合金中的至少一种，在炉中形成熔融铝锂合金；(c)将所述熔融铝锂合金转移至铸造工段；以及(d)将所述熔融铝锂合金直接激冷铸造成锭形式，例如坯或轧制用锭。熔融金属转移槽可包括金属过滤器，例如设计用于除去颗粒和将通过转移槽的熔融金属脱气的陶瓷床过滤器或泡沫过滤器。在模具中将盐覆盖物加至锭头部的直接激冷铸造工艺中，熔融盐覆盖层被认为是特别有用的。所述盐混合物包含LiCl，优选的盐混合物包含LiCl与选自KCl、NaCl和LiF的其它盐的组合。在熔融容器中氯化钠是不优选的，这是由于其中的钠组分倾向于与铝合金中的锂发生交换，因此钠在其中作为非常不希望的杂质元素对合金含量产生不利的影响。
在铸造含锂铝合金中使用盐或盐混合物具有若干缺点。重要的缺点在于，盐对用于除去熔融金属中的任何颗粒的常用陶瓷泡沫过滤器(“CFF”)具有强的腐蚀性。
发明内容
本发明的目的是提供将铝-锂合金铸造成锭或坯的方法，所述方法避免了与盐相关的若干问题，或至少提供了铸造铝-锂合金的替代方法。
本发明达到或超越了此目的和其它目的以及进一步的优势，并提供了铸造包含锂的铝合金锭的方法，该锭具有长度L方向、宽度W和厚度T，该方法包含以下步骤：
(a)在单独的炉中制备至少两种熔融的基于铝的合金，第一合金具有组成A，所述组成A不含作为目的性合金元素的锂，第二合金具有组成B，所述组成B含有作为目的性合金元素的锂，并优选在单独的炉中的第二合金上保持有保护性的盐覆盖物；
(b)通过金属传送槽将第一合金从炉转移至铸造工段；
(c)开始对锭进行铸造，并在铸造方向上将第一合金铸造至锭的所需长度L1；
(d)随后通过金属传送槽将第二合金从炉转移至铸造工段，同时停止将第一合金转移至所述铸造工段，由此优选在不中断熔融金属流的情况下实现合金A和B之间的过渡；
(e)在铸造方向上，从已铸造的第一合金长度L1处的端面开始，将第二合金铸造至额外的所需长度L2；以及
(f)在铸锭底部大于等于铸造长度L1的长度处裁切铸锭，例如使用剪切或者对于厚规格的铸锭使用锯切。
依据本发明，铸造工艺从不含作为目的性合金元素的锂的铝合金开始，一旦达到稳定的铸造条件或铸造状态，通过转为含锂的铝合金使连续铸造工艺继续进行。
这实现了在不使用含锂的合金的情况下开始铸造工艺的效果，并避免了其相关的缺点。例如，如果反之直接使用含锂的合金开始，在铸造工艺开始之前，通常例如通过喷涂的方式，使用非常吸湿的熔盐(salt flux)对模具和起动块(starter block)进行涂覆。如果未事先进行适当干燥，一旦倾倒入铸造模具中，由盐产生的湿气会与熔融的铝-锂合金反应，产生非常不安全的环境。在铸造开始时，倾倒入起动块的熔融铝在固化时收缩，这会导致用于冷却铸造模具的水蒸汽进入模具中的区域，当与熔融铝-锂合金接触时可能导致爆炸。此外，铝-锂合金较高的粘度会对铸造模具(例如，由玻璃纤维织物线制成，如Combo-bags)中的金属分布体系在开始时造成问题；由于不均匀的金属分布，使得这些合金在铸造工艺开始时容易发生铸漏。如果铝-锂合金发生铸漏，当熔融铝与任何冷却水接触时将会造成灾难性的后果。本发明的方法克服了或至少明显降低了所有的这些缺点和风险，这是因为在铸造工艺开始时，既不需要熔融的Al-Li合金，也不需要使用减少由环境氧造成的氧化作用的任何盐。
在铸造工艺结束时，一旦锭已经固化，将铸锭从铸造工段上移除，此后将锭的底部从锭上进行裁切。取决于所铸造的合金，可在铸造之后进行裁切或先进行热处理后裁切，热处理也可以是均质化热处理，从而使得铸件得以消除应力。虽然不期望，但可能在从合金A到合金B的过渡中形成过渡区Z，过渡区Z具有介于第一合金和第二合金之间的中间组成。在理想的情况下，应将此过渡区Z从铸锭中裁切掉。
当本发明上下文提及锭时，本领域技术人员应理解的是，该锭涉及：具有长度L(通常形成轧制方向)、宽度W和厚度T的轧制用锭；以及用于挤压或锻造的坯，该坯具有通常形成挤压方向的长度L，并具有基本上为圆形的外周，从而使得宽度和厚度为形成坯直径的相同尺寸。
本发明适用于各种铸造工艺，该铸造工艺优选选自于：直接激冷铸造、水平连铸、柱间薄带连铸(continuous casting of strips between cylinders)和使用带式铸造机的薄带连铸。
本领域技术人员已知的“直接激冷铸造”或“DC铸造”工艺是本发明上下文中优选的工艺。在该工艺中，铝合金在具有假底(dummy bottom)或起动块的水冷锭模具中铸造，同时垂直地连续移动假底，从而在合金固化期间维持熔融金属在模具中保持基本恒定的水平，用水对固化面直接冷却。垂直的铸造方向随后形成了铸锭的长度方向。
本发明的方法旨在使用不含锂的合金开始或启动铸造工艺，尤其是DC铸造工艺。一旦建立稳定的铸造状态，第一铝合金的转移过程可由包含锂的第二合金代替。对此，在本发明的实施方式中，铸造长度L1小于铸锭厚度T的约三倍，优选L1小于锭厚度T的约2.5倍，更优选L1小于锭厚度T的约两倍。
在实施方式中，铸造长度L1+L2等于铸锭长度L。
在实施方式中，金属传送槽包含至少一个用于金属过滤器、优选陶瓷泡沫过滤器的外壳，该金属过滤器用于在线熔融处理以除去非金属夹杂物。已知的是，在对含锂的铝合金进行熔融的炉中使用的盐覆盖物会不可避免地从熔融炉中被带入金属传递槽，这对陶瓷泡沫过滤器具有非常不利的影响。这是因为常用的盐对陶瓷过滤器有非常强的腐蚀性。然而在本发明的方法中，使用陶瓷过滤器进行在线金属处理以除去非金属夹杂物不会引起任何问题，并可有利地进行使用。由于铸造工艺以不含锂的第一铝合金开始，在熔融炉中也无须相应地使用盐覆盖物。因此，并没有来自熔融炉盐覆盖物中的盐移入或转入金属传递槽。在线陶瓷过滤器系统中将充满不含锂的铝合金，该不含锂的铝合金被进一步转移至铸造工段。一旦在铸造过程中进行过渡以转移至第二铝合金，在线陶瓷过滤器系统中的熔融金属水平保持在足够高，以避免从具有第二合金的熔融炉中转移出来的任何盐与陶瓷过滤器接触，同时将熔融的第二铝合金通过陶瓷过滤器转移至铸造工段。
在实施方式中，金属传递槽包含用于金属脱气装置的容器，该金属脱气装置使用特定用于从熔融铝合金中在线降低氢含量并去除颗粒的气体。该气体可通过旋喷式脱气机(spinning nozzle degasser)或气流棒(flux wand)引入。
在本发明方法的实施方式中，不含作为目的性合金元素的锂的铝合金也可用于铸造工艺的末尾。在铸造工艺的末尾阶段，用不含锂的铝合金冲洗金属传送槽和任何辅助设备、例如在线陶瓷过滤器和脱气装置，随后用不含锂的合金填充并放置待用，可用于下次铸造并因此延长此设备的使用寿命。
取决于其可用性，优选使用相同的第一合金A，但也可使用另一种不含锂的铝合金。因此，该方法包含进一步的步骤，使得将第二合金在铸造方向上铸造至长度L2之后，将第一合金通过金属传送槽从炉中转移至铸造工段，同时停止将第二合金转移至所述铸造工段，再从第二合金长度L2处的端面开始，在铸造方向上将第一合金铸造至额外的所需长度L3，随后完成铸造操作。所需长度L3对于铸造工艺的关键程度低于长度L1。长度L1应建立安全稳定的铸造工艺开端。理想的情况下，长度L3可小于铸锭的厚度T。
同时在此实施方式中，在铸锭的头部或尾部大于等于铸造长度L3的长度处对铸锭进行裁切。同时在此实施方式中，可在合金B向合金A的过渡中形成过渡区，该过渡区具有介于第一合金和第二合金之间的中间组成。理想的情况下，应将此过渡区(如有)从铸锭上裁切掉。
在实施方式中，第一铝合金具有组成A，所述组成A包含小于0.1％的锂，优选小于0.02％，更优选基本上不含锂。术语“基本上不含”是指不具有显著量的、有目的添加至合金组成的组分，应当理解的是痕量的偶存元素和/或杂质可能以其方式进入铝合金。
在实施方式中，第二铝合金具有组成B，所述组成B进一步包含约0.1％-1％的银，其中第一铝合金具有组成A，所述组成A具有小于约0.1％的银。其优点是合金A不仅具有使锭的铸造得以开始的非常低的Li含量，也避免了目的性添加相当昂贵的合金元素银。在铸造工艺的这一阶段，银的添加不具有目的性的作用，在铸造结束后铸锭底端被裁切并加以循环使用。
在实施方式中，在Li含量的差异以及任选的银含量的差异保持安全的情况下，第一铝合金和第二铝合金具有大致相同的化学组成。
本发明的方法对于Li含量的范围为至少约0.2％Li、优选至少约0.6％、且至多约10％、优选至多约4％的含锂的铝合金是有用的。尤其是可生产2XXX、5XXX、7XXX和8XXX-系列合金，例如但不局限于AA2050、AA2055、AA2060、AA2065、AA2076、AA2090、AA2094、AA2095、AA2195、AA2097、AA2197、AA2297、AA2397、AA2098、AA2198、AA2099、AA2199、AA8024、AA8090、AA8091、AA8093。
本发明不局限于上述实施方式，并可在所附权利要求所限定的本发明的范围内广泛地变化。
Claims (13)
1.铸造包含锂的铝合金锭的方法，所述锭具有长度L、宽度W和厚度T，所述方法包含以下步骤：
(a)在单独的炉中制备至少两种熔融的基于铝的合金，第一合金具有组成A，所述组成A不含作为目的性合金元素的锂，第二合金具有组成B，所述组成B含有作为目的性合金元素的锂；
(b)通过金属传送槽将所述第一合金从所述炉转移至铸造工段，其中，所述金属传送槽包含用于金属过滤器的外壳；
(c)开始对锭进行铸造，并在铸造方向上将所述第一合金铸造至锭的所需长度L1；
(d)随后通过金属传送槽将所述第二合金从所述炉转移至所述铸造工段，同时停止将所述第一合金转移至所述铸造工段；
(e)在铸造方向上，从已铸造的所述第一合金长度L1处的端面开始，将所述第二合金铸造至额外的所需长度L2；
(f)在铸锭底部大于等于铸造长度L1处裁切所述铸锭。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤(c)包含在垂直方向上直接激冷铸造。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，铸造长度L1小于所述铸锭厚度T的3倍。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，铸造长度L1小于所述铸锭厚度T的2.5倍。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述金属过滤器为陶瓷泡沫过滤器。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述金属传送槽包含用于金属脱气装置的容器。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中，在不中断熔融金属流的情况下，实现合金A和B之间的过渡。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，在铸造方向上将所述第二合金铸造至长度L2之后，将所述第一合金通过所述金属传送槽从所述炉中转移至所述铸造工段，同时停止将所述第二合金转移至所述铸造工段，再从所述第二合金长度L2处的端面开始，在铸造方向上将所述第一合金铸造至额外的所需长度L3，随后完成铸造操作。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一铝合金具有组成A，所述组成A包含小于0.1％的锂。
10.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一铝合金基本上不含锂，所述基本上不含锂是指不具有显著量的、有目的添加至合金组成的锂。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第二铝合金具有组成B，所述组成B包含0.2％-10％的锂。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第二铝合金具有组成B，所述组成B进一步包含0.1％-1％的银；并且其中，所述第一铝合金具有组成A，所述组成A具有小于0.1％的银。
13.如权利要求1或2所述的方法，其中，L1+L2等于所述铸锭的长度L。
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