CN106048335B - 航天大型厚铸件用铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航天大型厚铸件用铝合金材料及其制备方法，在航天标准ZL114A合金的基础上，通过调整合金成分、控制微量元素含量以及批量化生产细化变质、熔炼制备工艺，采用普铝批量制备出一种高强韧的新型亚共晶铝合金材料，适用于航天大型厚铸件，力学性能与精铝小批量生产的性能相当，成本下降5000元/吨，满足了航天产品批量化的需求。

Description

航天大型厚铸件用铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金制造领域，涉及航天大型厚铸件用铝合金材料，尤其是一种航天大型厚铸件用铝合金材料及其制备方法。
背景技术
我国航天产品以蒙皮桁条铆接结构成型工艺为主，铝合金材料以强度和韧性较好的变形铝合金为主，但随着国内外航天产品的形状日益趋向大型化、整体化、结构与功能一体化发展，国外越来越多的采用铸造成型工艺，主要因为铸造具有低成本、综合性能优及可靠性强，制造周期短等优势。
例如航天用底座，属于大型厚壁件(厚度0.2m，长度10m)，需要合金兼具良好的流动性和高的力学性能。目前，航天领域主要采用选用ZL114A，因其含有较高的Si含量，液态金属具有较好的流动性，可以成型大型厚铸件，由于微量Mg元素的加入，可通过形成Mg2Si析出相来进行时效强化处理，因而具有较高的强度、且延展性较好。航天产品为了保证高的力学性能，使用的ZL114A铝合金材料一般采用精铝(Al≥99.85％)在真空试验炉中制备，生产成本高而且无法满足航天铸件批量化生产的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种航天厚大铸件用铸高强造亚共晶铝硅合金材料及其制备方法，关键技术是界定了对力学性能有影响的微量元素的含量、采用炉后铝钛硼丝辅助细化与Sr+RE联合变质工艺及批量化制备工艺的控制，生产实现了批量化生产，生产成本大幅下降，满足了航天产品批量化生产。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种航天大型厚铸件用铝合金材料，其组分及质量百分含量为：
一种航天大型厚铸件用铝合金材料的制备方法，步骤如下：
⑴将Al≥99.70％的重熔用铝锭、金属硅放入火焰反射炉中熔化，熔化温度为780-800℃；
⑵然后再将AlTi10、AlBe3、AlMn10、AlSr10、RE投入反射炉中，搅拌5～8min，升温至760-780℃；
⑶按总投料的0.1～0.2％称取ST无钠精炼剂，以惰性气体氮气为载体将ST无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内，喷粉时间控制在20～30min，静置5min，将铝液表面的浮渣捞出；
⑷用钟罩将金属镁压入铝合金熔体内部至金属镁全部熔化，迅速搅拌4～5min；
⑸调整铝液温度为720-740℃，使用除气耙往反射炉内的铝合金液中吹入氮气，去除铝合金液中的气体，直至铝合金液中的含氢量达到0.3cm3/100gAl，停止炉内除气；
⑹在浇铸流槽尾端的过滤箱内放置陶瓷过滤板，预热浇铸流槽和过滤板至600-700℃；
⑺炉内铝液静置10min，调整铝液温度至700±5℃，打开炉组放水装置，开始浇铸；
⑻浇铸开始后，启动喂丝机，钛硼丝的喂料速度为0.45-0.5m/min，浇铸流槽的容积为0.8m3，钛硼丝在浇铸流槽的铝合金液中有效合金化时间保证10min-12min；
⑽浇铸过程，铝合金液经过在线氮气除气和陶瓷过滤板除渣，进入模具内部凝固成锭。
而且，所述的金属硅为破碎好的1～5cm3的小块。
而且，所述的陶瓷过滤板为30目的陶瓷过滤板。
而且，所述的浇铸过程使用在线测氢仪测量铝液含氢量，含氢量≤0.10cm3/100gAl。
本发明铝合金材料在QJ3185《航天用铝合金ZL205A、ZL114A铸件规范》中ZL114A的基础上，进行优化：
1)增加Mn/Fe比(1/3-3/4)的控制
2)增加杂质元素P(≤0.0020％)、Ca(Ca≤0.0020％)的控制
3)合金强化细化作用：加入铝液重量0.5-0.7％的AlTi5B1钛硼丝
4)增加变质处理：Sr：(0.010％-0.025％)、RE(0.15-0.25％)
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过加强对杂质元素P、Ca、Mn的控制，采用Sr+Re联合变质，炉后钛硼丝强化细化以及炉内和炉后双重除气除渣生产工艺，研制出一种航天大型厚铸件用高纯净、高强韧铝合金材料，实现了批量化生产，成本低，满足了航天产品批量化生产需求。
2、本发明降低Ca、P等对力学性能有害元素含量，同时添加了适量的Mn元素来降低Fe元素的有害作用，提高力学性能。
3、本发明使用喂丝机在炉后流槽内均匀添加钛硼丝，铝液内部形成TiB2化合物，通过控制钛硼丝的喂料速度以及浇铸流槽的容积，有效控制了钛硼丝的有效合金化时间，避免了合金化时间过短和过长对合金力学性能的危害。
4、本发明针对大型厚铸件的特点，选用Sr+RE联合变质工艺，对铝合金的Si相进行变质；同时稀土具有除气的效果，外加炉内除气耙除气、炉后静波在线除气、陶瓷过滤板除渣的精炼工艺，厚大铸件含气量低而且变质效果均匀、良好，克服了Sr变质合金含气量高的缺陷。
附图说明
图1为接近铸件表面的金相组织图
图2为距离铸件表面深100mm部位的金相组织图
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种航天大型厚铸件用铝合金材料，其组分及质量百分含量为：
(1)按以上比例分别称取普铝(Al≥99.70％)、金属硅(441)、金属镁(Mg≥99.95％)、钛中间(AlTi10)、铍中间(AlBe3)、锰中间(AlMn10)、钛硼杆(AlTi5B1)、锶中间(AlSr10)、混合稀土RE；其中金属硅为破碎好的1～5cm3的小块。
(2)按总投料的0.1～0.2％称取ST无钠精炼剂；
(3)利用叉车将步骤(1)中的重熔用铝锭、金属硅放入30t的固定式火焰反射炉中熔化，熔化温度为780-800℃，取样进行成分检测；
(4)然后将步骤(1)中钛中间、铍中间、锰中间、混合RE利用叉车投入固定式反射炉中，叉车叉动搅拌耙大力搅拌炉内铝液5～8min，升温至760-780℃，取成分样块检测成分；
(5)调整铝液温度至760-780℃，将步骤(2)中的ST无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体氮气为载体将ST无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内去除铝合金中的浮渣(兼有除气的作用)，喷粉时间控制在20～30min，静置5min，将铝液表面的浮渣捞出；
(6)用钟罩将步骤(1)中的金属镁压入铝合金熔体内部至金属镁、锶中间全部熔化，迅速搅拌4～5min，取样检测。
(7)调整铝液温度为720-740℃，使用除气耙往反射炉内的铝合金液中吹入氮气，去除铝合金液中的气体(兼有去除浮渣的作用)，直至铝合金液中的含氢量达到0.3cm3/100gAl，停止炉内除气。
(8)在浇铸流槽尾端的过滤箱内放置30目的陶瓷过滤板，浇铸前1小时开启预热系统，预热浇铸流槽和过滤板至600-700℃；
(9)炉内铝液静置10min，调整铝液温度至700±5℃，打开炉组放水装置，开始浇铸。
(10)浇铸开始后，启动喂丝机，钛硼丝的喂料速度为0.45-0.5m/min，浇铸流槽的容积为0.8m3，钛硼丝在浇铸流槽的铝合金液中有效合金化时间保证10min-12min。
(11)浇铸过程，铝合金液经过在线氮气除气和陶瓷过滤板除渣，进入模具内部凝固成锭。
(12)浇铸过程，使用在线测氢仪测量铝液含氢量，含氢量≤0.10cm3/100gAl。
本发明合金材料与航天标准ZL114A合金成分、力学性能对比(参见表1及表2)，完全符合航天标准的要求，而且价格较精铝产品便宜约5000元/吨。
表1合金材料成分
表2合金力学性能
使用本合金材料制备的大型厚铸件不同部位的变质效果图，如图1、图2所示，可以看出，不同部位的变质效果良好而且均匀。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，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 (4)

1.一种航天大型厚铸件用铝合金材料的制备方法，铝合金材料的组分及质量百分含量为：Si6.5～7.5、Mg0.45～0.75、Ti0.08～0.25、Be0.04～0.07、Fe≤0.20、Cu≤0.1、Zn≤0.1、Mn＝1/3～3/4Fe、Ca≤0.0020、P≤0.0020、Sr0.010～0.025、RE0.15～0.25、杂质总和≤0.2，
制备步骤如下：
⑴将Al≥99.70％的重熔用铝锭、金属硅放入火焰反射炉中熔化，熔化温度为780-800℃；
⑵然后再将AlTi10、AlBe3、AlMn10、AlSr10、RE投入反射炉中，搅拌5～8min，升温至760-780℃；
⑶按总投料的0.1～0.2％称取ST无钠精炼剂，以惰性气体氮气为载体将ST无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内，喷粉时间控制在20～30min，静置5min，将铝液表面的浮渣捞出；
⑷用钟罩将金属镁压入铝合金熔体内部至金属镁全部熔化，迅速搅拌4～5min；
⑸调整铝液温度为720-740℃，使用除气耙往反射炉内的铝合金液中吹入氮气，去除铝合金液中的气体，直至铝合金液中的含氢量达到0.3cm3/100gAl，停止炉内除气；
⑹在浇铸流槽尾端的过滤箱内放置陶瓷过滤板，预热浇铸流槽和过滤板至600-700℃；
⑺炉内铝液静置10min，调整铝液温度至700±5℃，打开炉组放水装置，开始浇铸；
⑻浇铸开始后，启动喂丝机，钛硼丝的喂料速度为0.45-0.5m/min，浇铸流槽的容积为0.8m3，钛硼丝在浇铸流槽的铝合金液中有效合金化时间保证10min-12min；
⑽浇铸过程，铝合金液经过在线氮气除气和陶瓷过滤板除渣，进入模具内部凝固成锭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的金属硅为破碎好的1～5cm3的小块。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷过滤板为30目的陶瓷过滤板。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的浇铸过程使用在线测氢仪测量铝液含氢量，含氢量≤0.10cm3/100gAl。
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