CN105345004B

CN105345004B - 一种利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法

Info

Publication number: CN105345004B
Application number: CN201510662802.3A
Authority: CN
Inventors: 张豪; 张捷; 马万太; 周小军
Original assignee: Jiangsu Haoran Spray Forming Alloy Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Haoran Spray Forming Alloy Co Ltd
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: CN105345004A

Abstract

本发明涉及铝锂合金，具体涉及利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法。采用Ar雾化，将除气、除渣、精炼、过滤后的铝锂合金熔体喷射成形，形成圆柱形锭坯，通过调节喷射角度，雾化气压，熔体过热温度，接收盘下降速度和转速的优化组合，实现铝锂合金熔体快速、精确、致密成形，成形速率不低于10kg/min，所得锭坯形状规则、致密度高，无化学成分宏观偏析、直径可达Φ650mm，且该方法生产的大规格铝锂合金锭坯的成品率达到80%以上。

Description

一种利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法

技术领域

本发明涉及铝锂合金，具体涉及利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法。

背景技术

铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和比刚度、良好的疲劳性能、优良的高温和低温性能、优异的耐腐蚀性能、卓越的超塑性成形性和好的焊接性等诸多优异的综合性能，其强度可以和2024、7075等铝合金媲美。用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%，而且铝锂合金与复合材料相比，具有耐高低温、耐损伤和可修理、易维护的优点，因此，铝锂合金成为21世纪航空航天和兵器工业领域最具潜力的金属结构材料。

现有生产铝锂合金的工序是将配制好的液态合金熔体经铸造，凝固形成铝锂合金锭坯，然后再通过对锭坯施加挤压、轧制、锻造、环轧等一种或多种变形使其成为航空航天可使用的原材料或构件。由于铝锂合金的特殊用途，迫切需要三维大规格（三维方向尺寸都较大）锭坯来满足航空航天各种整体结构件的制造。然而现有技术很难生产三维大规格铝锂合金锭坯，目前直径Φ300mm以上铝锂合金锭坯的成品率很低，不能保证需求供应，而且圆锭芯部与表面主合金元素含量相差超过20%，严重限制了铝锂合金的使用。

铝锂合金锭坯制备是铝锂合金构件生产的首要工艺步骤，也是最重要的工序，因为锭坯生产属于凝固过程的生产环节（包括模铸、半连续铸造等），而金属材料具有“组织遗传”现象，凝固过程中所形成的材料组织几乎伴随着零件的整个生命周期，一旦在凝固生产环节发生化学成分的不均匀性以及粗大组织形态，后续加工将很难有效改善，最终影响着零件的性能。据报道有色金属材料生产过程中，约70%的废品是与铸锭存在的缺陷有关，另外，凝固锭坯组织也影响材料的冷热加工性能。

对于铝锂合金铸锭的生产，现有半连续铸造凝固技术主要存在宏观偏析严重的特点。偏析对铸锭质量影响很大，晶界偏析使易熔共晶富集在晶粒边界呈网状组织，易使铸锭在冷却过程中产生热裂，并使制品易发生晶界腐蚀。宏观偏析会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀，同时也会导致铸锭的加工性能和成品率降低，使材料成本提高。

各类偏析都是凝固过程中溶质再分布的必然结果，铝锂合金相比其他普通铝合金更容易发生偏析，主要有以下原因：

1)Li的密度仅为铝的1/5，因此比重偏析使锂很难均匀地加入铝中，据报道含1%锂的铝合金中，约1/20的锂原子在熔体内部，约1/2的锂原子在相界。

2)Li是表面活性物质，在熔体中有很高的迁移率，另外金属Li的熔点（182℃）与Al相差较大，因此，在铝锂合金的凝固过程中Li原子容易脱溶形成结晶的第二相；

3)Li可以大幅度降低熔体表面张力，添加1%的锂，表面张力降低60%。这大大促进了Cu、Mg、Mn、Zn等其他合金元素的扩散，导致它们在晶界上偏析形成低熔点共晶相和粗大难溶第二相，这些粗大第二相在晶界处断断续续，分布很不均匀，这会导致铸锭在后续加工过程中出现热裂，以及材料韧性较低等。

要想获得化学成分均匀无偏析的铝锂合金锭坯，有两个努力方向，一个是让整个锭坯所有位置都以非常缓慢且相同的冷却速度凝固，给合金原子足够长的时间来扩散均匀；另一个就是快速凝固，瞬间将均匀的液态合金熔体凝固为固态，让合金原子来不及扩散偏聚。然而实际生产中几乎不可能采用第一种方式，通常的做法仍然是不断改进铸造技术，从模铸到半连续铸造，不断提高冷却速率。然而锭坯规格越大，冷却过程中锭坯内部和表面的温度梯度越大，冷却速度相差越大，越容易导致宏观偏析以及缩孔、缩松等缺陷，致使锭坯开裂报废，这限制了铸锭冶金法生产铝锂合金锭坯的尺寸。因此，铸锭冶金法很难生产出三维大规格铝锂合金锭坯。

另一个方法是粉末冶金，先通过快速凝固将铝锂合金制备成化学成分均匀的粉末，再通过压制、烧结生产出铝锂合金锭坯。但是粉末冶金除过工序长，粉末表面易氧化引入杂质，难以致密化等缺点外，大规格也是其无法突破的瓶颈，很难采用粉末冶金生产满足航空航天需求的大规格铝锂合金锭坯。

综上，采用铸锭冶金法和粉末冶金几乎不能够生产出整体构件需求的三维大规格铝锂合金锭坯。目前尚无利用喷射成形技术生产工业规格铝锂合金的报道。因此，发明一种制备三维大规格工业化应用的铝锂合金锭坯的制备方法对铝锂合金的大规模应用有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法；采用高压Ar将铝锂合金金属流喷出，半固态的铝锂合金喷射在一个旋转的接收盘上，通过调节喷射角度，雾化气压，熔体过热温度，接收盘下降速度和转速的优化组合，实现铝锂合金圆锭的成形速率不低于10kg/min，制备得到形状规则、致密度大于96%，直径为最大可达Φ650mm的铝锂合金圆锭。

作为优选，所述利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法步骤如下：

（1）按合金的化学成分及质量百分比称料。

（2）将铝锂合金的组成成分在熔炼炉中熔化，并添加覆盖剂保护，熔化温度为650~850℃。

（3）对熔体进行精炼，精炼温度为700~800℃。

（4）精炼后静置10~30min，然后进行过滤。

（5）对过滤后的合金熔体喷射成形。

作为优选，步骤（3）中精炼的实施方法是向熔体深度2/3处通入Ar30min以上。

作为优选，步骤（5）中雾化气体选用Ar，喷射参数为喷射角度5~45°，雾化压力0.1~1.2MPa，雾化温度为650~950℃，接收盘转速为20~100rpm，接收盘下降速度为2~9mm/s，接收距离300~700mm，铝锂合金圆锭的成形速率不低于10kg/min。

作为优选，喷射成形的沉积室采用Ar保护，沉积室充满Ar，喷射过程中保持Ar压力在1.01~2.0个大气压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明提供了一种利用喷射成形制备大规格铝锂合金圆锭的方法，通过调整喷射角度、雾化压力、雾化温度、接收盘转速、接收盘下降速率以及接收距离的优化组合，保证了铝锂合金熔体实现快速、精确、致密成形，致密度大于96%，工艺稳定性良好；整个喷射过程中利用Ar雾化，并在Ar保护条件下进行，保证了喷射铝锂合金锭坯处在钝化环境。

（2）本发明提供的这种利用喷射成形制备大规格铝锂合金圆锭的方法，制备的铝锂合金圆锭规格可达到Φ650mm，且锭坯成品率大于80%。这是由于喷射成形具有快速凝固特征，不论规格大小，锭坯芯部和表面冷却速率几乎相同，避免了大尺寸引起的冷热不均所致合金元素偏析、缩松、缩孔等缺陷，因此不受限于冷却速率对锭坯尺寸的限制，可以做到三维大规格。

（3）本发明提供的这种利用喷射成形制备大规格铝锂合金圆锭的方法，制备的铝锂合金圆锭芯部与外表面，头端、中端、尾端化学成分差异小于5%，这是由于本方法喷射过程的快速凝固，合金元素来不及偏析。

（3）本发明提供的这种利用喷射成形制备大规格铝锂合金圆锭的方法，可用来稳定生产第二代、第三代、第四代成熟牌号铝锂合金，也可以用来生产更高Li含量的超低密度铝锂合金锭坯。

具体实施方式

实施例1：2195铝锂合金锭坯的生产；

1）合金重量百分比：Cu4.0%、Ag0.4%、Li1.2%、Zr0.12%、Mg0.56%、Fe<0.15%、Si＜0.12%、Ti＜0.1%、Zn＜0.25、Al余量。

2）将称好的铝锂合金组成成分在熔炼炉中熔化，使用LiCl和KCl按照质量比1：1混合的混合物作为覆盖剂，熔化温度为740℃。

3）待所有合金都熔化完毕后，向熔体深度2/3处通入Ar30min进行精炼。

4）精炼后静置30min，然后进行过滤。

5）对过滤后的上述熔体进行喷射。

喷射沉积工艺参数为：喷射角度15°，雾化压力0.6MPa，雾化温度为760℃，接收盘转速为40rpm，接收盘下降速度为3.0mm/s，接收距离490mm，沉积室Ar压力为1.05大气压，最终沉积速率为16kg/min，获得规格为Φ650×1800mm铝锂合金锭坯；圆锭成品率大于90%；测量锭坯的致密度为98.5%，组织为均匀细小等轴晶，晶粒尺寸为10~30μm，利用上海精密科学仪器有限公司生产的4510原子吸收分光光度计检测2195喷射圆锭头、中、尾以及头端圆锭芯部、半径二分之一处、表面主要元素含量，测试结果如表1所示，结果表明圆锭化学成分均匀，锭坯不同位置合金元素偏差值不大于5%。

表1 喷射成形2195圆锭主要元素检测结果

实施例2：2099铝锂合金锭坯的生产；

1）合金重量百分比：Cu2.7%、Ag0.4%、Li1.8%、Zr0.08%、Mg0.30%、Zn0.7%、Mn0.3%、Fe<0.07%、Si＜0.05%、Ti＜0.1%、Al余量。

3）待所有合金都熔化完毕后，向熔体深度2/3处通入Ar35min。

4）精炼后静置30min，然后进行过滤。

5）对过滤后的上述熔体进行喷射。

喷射沉积工艺参数为：喷射角度18°，雾化压力0.5MPa，雾化温度为760℃，接收盘转速为40rpm，接收盘下降速度为3.2mm/s，接收距离485mm，沉积室Ar压力为1.1大气压，最终沉积速率为15kg/min，获得规格为Φ450×1200mm铝锂合金锭坯；圆锭成品率大于90%；测量锭坯的致密度为98.4%，组织为均匀细小等轴晶，晶粒尺寸为10~30μm，利用上海精密科学仪器有限公司生产的4510原子吸收分光光度计检测2099喷射圆锭头、中、尾以及头端圆锭芯部、半径二分之一处、表面主要元素含量，测试结果如表1所示，结果表明圆锭化学成分均匀，锭坯不同位置合金元素偏差值不大于3%。

表2喷射成形2099圆锭主要元素检测结果

实施例3：VL30铝锂合金锭坯的生产；

1）合金重量百分比：Li3.0%、Cu1.0%、Mg0.7%、Fe<0.07%、Si＜0.05%、Al余量。

2）将称好的铝锂合金组成成分在熔炼炉中熔化，使用LiCl和KCl按照质量比1：1混合的混合物作为覆盖剂，熔化温度为710℃。

3）待所有合金都熔化完毕后，向熔体深度2/3处通入Ar40min。

4）精炼后静置30min，然后进行过滤。

5）对过滤后的上述熔体进行喷射。

喷射沉积工艺参数为：喷射角度25°，雾化压力0.4MPa，雾化温度为730℃，接收盘转速为40rpm，接收盘下降速度为3.5mm/s，接收距离450mm，沉积室Ar压力为1.1大气压，最终沉积速率为12kg/min，获得规格为Φ300×1000mm铝锂合金锭坯；测量锭坯的致密度为98.0%，组织为均匀细小等轴晶，晶粒尺寸为20~50μm；锭坯成品率大于90%；利用上海精密科学仪器有限公司生产的4510原子吸收分光光度计检测VL30喷射圆锭头、中、尾以及头端圆锭芯部、半径二分之一处、表面主要元素含量，测试结果如表3所示，由表中可以看出喷射成形VL30锭坯不同部位化学成分均匀，含量相差值不大于3%。

表3喷射成形VL30圆锭主要元素检测结果

此外应理解，在阅读了本发明说明书的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等同的技术方案同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法，包括配料、熔化、精炼、静置和过滤的步骤，其特征在于：对过滤后的合金熔体喷射成形，通过调节喷射角度，雾化气压，熔体过热温度，接收盘下降速度和转速，实现铝锂合金圆锭的成形速率不低于10kg/min，制备得到形状规则、致密度大于96％，直径可达Φ650mm的铝锂合金圆锭；具体步骤如下：

1)合金重量百分比：Li3.0％、Cu1.0％、Mg0.7％、Fe<0.07％、Si＜0.05％、Al余量；

2)将称好的铝锂合金组成成分在熔炼炉中熔化，使用LiCl和KCl按照质量比1：1混合的混合物作为覆盖剂，熔化温度为710℃；

3)待所有合金都熔化完毕后，向熔体深度2/3处通入Ar40min；

4)精炼后静置30min，然后进行过滤；

5)对过滤后的上述熔体进行喷射；

喷射沉积工艺参数为：喷射角度25°，雾化压力0.4MPa，雾化温度为730℃，接收盘转速为40rpm，接收盘下降速度为3.5mm/s，接收距离450mm，沉积室Ar压力为1.1大气压，最终沉积速率为12kg/min，获得规格为Φ300×1000mm铝锂合金锭坯；测量锭坯的致密度为98.0％，组织为均匀细小等轴晶，晶粒尺寸为20～50μm；锭坯成品率大于90％；检测VL30喷射圆锭头、中、尾以及头端圆锭芯部、半径二分之一处、表面主要元素含量，喷射成形VL30锭坯不同部位化学成分均匀，含量相差值不大于3％。