CN106702237A - 一种铝锂合金的喷射成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝锂合金的喷射成形方法，包括以下步骤：(1)按合金化学成分的质量百分比称料；(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700～800℃；(3)对合金熔体进行精炼，精炼温度为700～750℃；(4)精炼后静置10～30min，然后进行过滤；(5)将过滤后的合金熔体注入漏包中，合金熔体从难熔喷嘴中喷射至接收盘成形，本方法采用喷射成形装置通过调节喷射角度，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精确成形，具有成品致密度高、化学成分均匀无宏观偏析、成形速率高、工艺稳定性好、成品率高的优点。

Description

一种铝锂合金的喷射成形方法
技术领域
本发明属于铝锂合金成形技术领域，具体涉及一种铝锂合金的喷射成形方法。
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；通常情况下涉及凝固过程的生产环节(包括模铸、半连续铸造等)并不是生产零件的最终工序，但是由于金属材料的“组织遗传”现象，凝固过程中所形成的材料组织却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加工性能，因此，凝固生产环节是金属材料生产中最重要的工序；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，枝晶偏析一般通过加工和热处理可以消除，但在枝晶臂间距较大时不能消除，会给制品造成电化学性能不均匀；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。
因此，用铸锭冶金法很难制备Li质量分数超过3％的Al-Li合金，不能满足轻型合金的要求，在制备低Li含量铝锂合金过程中也会因为偏析导致性能不稳定，成品率低，成本提高等。
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致使锭坯开裂报废，因此，传统铸造技术很难生产出三维大规格铝锂合金锭坯。
还有就是使用粉末冶金，先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大规格铝锂合金锭坯的需求。
综上，工业规格铝锂合金的生产具有很大的技术瓶颈，采用传统铸造技术几乎不能够很好生产出满足工业化应用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，发明一种铝锂合金的喷射成形方法对铝锂合金的大规模应用有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种铝锂合金的喷射成形方法。
一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按合金化学成分的质量百分比称料；
(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700～800℃；
(3)对合金熔体进行精炼，精炼温度为700～750℃；
(4)精炼后静置10～30min，然后进行过滤；
(5)将过滤后的合金熔体注入漏包中，合金熔体从难熔喷嘴中喷射至接收盘成形。
优选地，所述步骤(1)中合金化学成分的质量百分比为Li1.0～8.0％，其他合金为Cu、Mg、Zr、Ag、Zn、Mn、Ti中的1～6种。
优选地，所述步骤(2)中的铝锂合金组成成分的比例为Li1.0～8.0％、Cu1.00～4.50％、Mg0.30～0.70％、Zr0.06～0.16％、Ag0.20～0.70、Zn0.22～0.8％、Mn0.20～0.50％、Ti0.04～0.12％另外可含小于0.15％的Re或者Sc，余量为纯Al。
优选地，所述步骤(2)～(4)在Ar环境中进行。
优选地，所述步骤(2)中所使用的覆盖剂为LiCl、KCl。
优选地，所述步骤(3)中精炼使用的是Ar，实施方法是向合金熔体深度2/3处通入Ar30min以上。
优选地，所述步骤(4)静置过程中向合金熔体所在保护装置中持续通入Ar，保持与大气环境压力1.1倍以上的正压。
优选地，所述步骤(5)中喷射前先用Ar对沉积室、管道进行清洗，待沉积室充满Ar，保持与大气环境压力1.05倍以上的正压。
优选地，所述步骤(5)中难熔喷嘴喷射参数为喷射角度5～35°，雾化压力0.2～1.0MPa，雾化温度为700～950℃，接收盘的转速为25～55r/min，接收盘下降速度为3～9mm/s，难熔喷嘴与铝锂合金锭坯之间的接收距离300～700mm，铝锂合金锭坯的成形速率不低于10kg/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明制备的铝锂合金锭坯规格为直径大于＞Φ300mm，形状规则，致密度高，化学成分均匀无宏观偏析。
(2)本发明成形速率高，工艺稳定性良好，锭坯成品率高。
(3)本发明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。
附图说明
图1为本发明一种铝锂合金的喷射成形装置的示意图。
图中，1、漏包，2、沉积室，3、第一气路阀门，4、旋转结构，5、接收盘，6、铝锂合金锭坯，7、第二气路阀门，8、难熔喷嘴。
具体实施方式
参见图1，一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按合金化学成分的质量百分比称料；
(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700～800℃；
(3)对合金熔体进行精炼，精炼温度为700～750℃；
(4)精炼后静置10～30min，然后进行过滤；
(5)将过滤后的合金熔体注入漏包1中，合金熔体从难熔喷嘴8中喷射至接收盘5成形。
在一个实施例中，所述步骤(1)中合金化学成分的质量百分比为Li1.0～8.0％，其他合金为Cu、Mg、Zr、Ag、Zn、Mn、Ti中的1～6种。
在一个实施例中，所述步骤(2)中的铝锂合金组成成分的比例为Li1.0～8.0％、Cu1.00～4.50％、Mg0.30～0.70％、Zr0.06～0.16％、Ag0.20～0.70、Zn0.22～0.8％、Mn0.20～0.50％、Ti0.04～0.12％另外可含小于0.15％的Re或者Sc，余量为纯Al。
在一个实施例中，所述步骤(2)～(4)在Ar环境中进行。
在一个实施例中，所述步骤(2)中所使用的覆盖剂为LiCl、KCl。
在一个实施例中，所述步骤(3)中精炼使用的是Ar，实施方法是向合金熔体深度2/3处通入Ar30min以上。
在一个实施例中，所述步骤(4)静置过程中向合金熔体所在保护装置中持续通入Ar，保持与大气环境压力1.1倍以上的正压。
在一个实施例中，所述步骤(5)中喷射前先用Ar对沉积室2、管道进行清洗，待沉积室2充满Ar，保持与大气环境压力1.05倍以上的正压。
在一个实施例中，所述步骤(5)中难熔喷嘴8喷射参数为喷射角度5～35°，雾化压力0.2～1.0MPa，雾化温度为700～950℃，接收盘5的转速为25～55r/min，接收盘5下降速度为3～9mm/s，难熔喷嘴8与铝锂合金锭坯6之间的接收距离300～700mm，铝锂合金锭坯6的成形速率不低于10kg/min。
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％、Zn0.25％、Ti0.1％、Fe<0.15％、Si＜0.12％、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比例1：1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)将过滤后的合金熔体注入漏包1中，合金熔体从难熔喷嘴8中喷射至接收盘5成形。难熔喷嘴8喷射参数为喷射角度15°，雾化压力0.6MPa，雾化温度为760℃，接收盘5的转速为40r/min，接收盘5下降速度为3mm/s，难熔喷嘴8与铝锂合金锭坯6之间的接收距离490mm，铝锂合金锭坯6的成形速率为16kg/min，获得规格为Φ400×1200mm铝锂合金锭坯；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
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；
Li1.0～8.0％、Cu1.00～4.50％、Mg0.30～0.70％、Zr0.06～0.16％、Ag0.20～0.70、Zn0.22～0.8％、Mn0.20～0.50％、Ti0.04～0.12％
1)合金重量百分比：Cu2.7％、Ag0.4％、Li1.8％、Zr0.08％、Mg0.30％、Zn0.7％、Mn0.3％、Ti0.1％、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比例1：1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Ar35min。
4)精炼后静置30min，然后进行过滤。
5)将过滤后的合金熔体注入漏包1中，合金熔体从难熔喷嘴8中喷射至接收盘5成形。难熔喷嘴8喷射参数为喷射角度18°，雾化压力0.5MPa，雾化温度为760℃，接收盘5的转速为40r/min，接收盘5下降速度为3.2mm/s，难熔喷嘴8与铝锂合金锭坯6之间的接收距离485mm，铝锂合金锭坯6的成形速率为15kg/min，获得规格为Φ350×1200mm铝锂合金锭坯；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2所示。
表2喷射成形2099圆锭主要元素检测结果
主要元素含量％ Cu Li Zn Mn
头部 2.68 1.76 0.68 0.29
中部 2.71 1.77 0.69 0.29
尾部 2.69 1.80 0.70 0.30
头端芯部 2.70 1.79 0.70 0.28
头端半径1/2处 2.67 1.78 0.69 0.31
头端表面 2.68 1.78 0.68 0.29
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比例1：1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)将过滤后的合金熔体注入漏包1中，合金熔体从难熔喷嘴8中喷射至接收盘5成形。难熔喷嘴8喷射参数为喷射角度22°，雾化压力0.4MPa，雾化温度为730℃，接收盘5的转速为40r/min，接收盘5下降速度为3.5mm/s，难熔喷嘴8与铝锂合金锭坯6之间的接收距离450mm，铝锂合金锭坯6的成形速率为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；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。
表3喷射成形VL30圆锭主要元素检测结果
主要元素含量％ Cu Li Mg
头部 0.98 2.96 0.69
中部 1.1 2.97 0.67
尾部 1.0 2.96 0.68
头端芯部 0.99 2.99 0.70
头端半径1/2处 0.98 2.98 0.69
头端表面 0.98 2.98 0.69
本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按合金化学成分的质量百分比称料；
(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700～800℃；
(3)对合金熔体进行精炼，精炼温度为700～750℃；
(4)精炼后静置10～30min，然后进行过滤；
(5)将过滤后的合金熔体注入漏包中，合金熔体从难熔喷嘴中喷射至接收盘成形。
2.根据权利要求1所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(1)中合金化学成分的质量百分比为Li1.0～8.0％，其他合金为Cu、Mg、Zr、Ag、Zn、Mn、Ti中的1～6种。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中的铝锂合金组成成分的比例为Li1.0～8.0％、Cu1.00～4.50％、Mg0.30～0.70％、Zr0.06～0.16％、Ag0.20～0.70、Zn0.22～0.8％、Mn0.20～0.50％、Ti0.04～0.12％另外可含小于0.15％的Re或者Sc，余量为纯Al。
4.根据权利要求1所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(2)～(4)在Ar环境中进行。
5.根据权利要求1所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中所使用的覆盖剂为LiCl、KCl。
6.根据权利要求1所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(3)中精炼使用的是Ar，实施方法是向合金熔体深度2/3处通入Ar30min以上。
7.根据权利要求1所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(4)静置过程中向合金熔体所在保护装置中持续通入Ar，保持与大气环境压力1.1倍以上的正压。
8.根据权利要求1所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(5)中喷射前先用Ar对沉积室、管道进行清洗，待沉积室充满Ar，保持与大气环境压力1.05倍以上的正压。
9.根据权利要求1所述的一种铝锂合金的喷射成形方法，其特征在于：所述步骤(5)中难熔喷嘴喷射参数为喷射角度5～35°，雾化压力0.2～1.0MPa，雾化温度为700～950℃，接收盘的转速为25～55r/min，接收盘下降速度为3～9mm/s，难熔喷嘴与铝锂合金锭坯之间的接收距离300～700mm，铝锂合金锭坯的成形速率不低于10kg/min。
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