CN107641739A - 一种含Zr阻燃铝锂合金及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在700‑800度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Al‑Li‑Zr铝锂合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:2.0‑8.0wt.%,Zr:1.0‑3.0wt.%,Sr:2.0‑8.0wt.%,Ho:0.2‑0.3wt.%,Y:0.8‑1.2wt.%,Th:0.1‑0.2wt.%,Sc:0.1‑0.2wt.%,S:0.2‑0.4wt.%，B:0.1‑0.4wt.%，余量为铝。本专利提出的Al‑Li‑Zr铝锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在700‑800温度范围内在大气环境下保温和静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的氧化燃烧。所得铝锂合金材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：在300度下，屈服强度为350‑400MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为250‑300MPa左右。

Description

一种含Zr阻燃铝锂合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铝锂合金。

背景技术

把锂作为合金元素加到铝中，就形成了铝锂合金。锂既能降低铝的密度又能提高弹性模量。一般来说,向铝合金中每添加1wt.%锂，密度就下降约3%，而其弹性模量则会上升约6%。铝锂合金主要为飞机和航空航天设备的减重而研制的，因此也主要应用于航空航天领域，还应用于军械和核反应堆用材，坦克穿甲弹，鱼雷和其它兵器结构件方面。铝锂合金已经在军用飞机、民用客机和直升飞机上使用，主要用于机身框架、舱门、燃油箱等。采用铝锂合金制造飞机，其重量可以减轻14.6wt.%，燃料节省5.4%，飞机制造成本可下降2.1%，每架飞机每年的飞行费用可降低2.2%。随着新世纪对节能和环保的要求，铝锂合金在航空、航天及汽车工业中的应用会越来越广泛。

铝锂合金具有如下特点.(1)密度低。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%。(2)减振性好。与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功。具有降噪、减震功能，可承受较大的冲击震动负荷。(3) 铝锂合金电磁屏蔽性能和导热性能比较好。适用于电子产品的壳罩，如手机外壳。铝锂合金与铝，铜等有色金属一样具有非火花性，适合做矿山设备和粉粒操作设备。(4)铝锂合金具有较高的尺寸稳定性。由于相变及引起的尺寸变化接近于零，适合做样板，夹具和电子产品外罩。(5)铝锂合金的动力学粘度低。相同的液体状态下充型速度远大于铝合金。此外，合金熔点低、比热容和相变潜热小，故其熔化能耗少，凝固速度快。

但是,锂属于活泼元素,在大气环境下很容易和氧气或者氮气进行剧烈的反应而产生燃烧或者爆炸。在铝锂合金冶炼过程中, 为了防止铝锂熔体的氧化燃烧，传统中通常采用保护气体或者熔剂保护熔炼。（1）气体保护熔炼：气体保护熔炼通常是指熔炼过程中在铝锂合金熔体表面填充惰性气体或者能够与铝锂合金反应生成致密保护膜的气体，从而隔绝空气中的氧。常用的主要保护气体是CO2,S02, SF6,Ar或其混合气体。其中,SF6是目前应用最为广泛的保护性气体。(2)熔剂保护熔炼：熔炼铝锂合金用的熔剂有覆盖作用。熔融的熔剂借助表面张力的作用，在熔体表面形成连续、完整的覆盖层。隔绝空气，阻止铝锂合金与空气中氧气、水分的反应，防止了锂的氧化。但是，这两种方法的使用都因其存在难以避免的缺陷而受到限制。例如,易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。而且熔剂夹杂容易成为产品在使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。此外，熔剂中的氯盐和氟盐在高温下易挥发产生某些强腐蚀性气体，破坏厂房、设备及生态环境。

目前先进的阻燃方法是合金阻燃法, 其机理是在铝锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学反应与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且铝锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高铝锂合金的加工安全性。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的抗燃烧性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终的铝锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用铝锂合金的力学性能水平。

本发明提供了一种具有在700-800度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Al-Li-Zr铝锂合金，且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有铝锂合金的力学性能，和良好的室温塑性，又有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能。该Al-Li-Zr铝锂合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显，熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差，制品成品率低、高温强度低、废品料及渣料回用性差等技术难题。同时，该抗燃烧Al-Li-Zr铝锂材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的保护气氛下的压力铸造，特别是适合铸造要求具备轻量化特征的轻型结构材料，具有巨大的市场前景。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有阻燃性的Al-Li-Zr铝锂合金及其加工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有在700-800度之间熔炼时具有抗燃烧性能的Al-Li-Zr铝锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 2.0-8.0wt.%, Zr: 1.0-3.0wt.%,Sr: 2.0-8.0wt.%,Ho: 0.2-0.3wt.%, Y: 0.8-1.2wt.%,Th: 0.1-0.2wt.%, Sc: 0.1-0.2wt.%, S: 0.2-0.4wt.%，B:0.1-0.4wt.%，余量为铝。该铝锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-5.0wt.%左右。

上述铝锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到700-800度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在700-800度保温静置10分钟后浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为5-10%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：340度，1.8个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理460度，2.4小时；真空时效处理180度，2.8小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明专利针对目前高温下铝锂合金在熔炼时需要进行保护熔炼的现状提供了一种新颖材料学的解决方案。通过优选合金中的主要和次要添加元素，来改变熔体表面生成的氧化膜和氮化膜的类型，成分和含量，从而有效地防止在熔炼状态下铝锂合金发生燃烧现象进行烧损。通过优选的合金化办法，不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的阻燃效果，在阻燃元素含量明显降低的同时，合金燃点却大幅上升。

（2）合金熔炼时，熔体具有静态(熔体的保温和静置)和动态（熔体的搅拌）两种形式。本专利提出的Al-Li-Zr铝锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在700-800温度范围内在大气环境下保温和静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的氧化燃烧。所得合金表面氧化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡氧气侵入合金液内。

（3）该Al-Li-Zr铝锂合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显，熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差，制品成品率低、高温强度低、废品料及渣料回用性差等技术难题。

（4） 该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为400-650MPa，抗拉强度为500-750MPa，延伸率为4-15%。并具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为350-400MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为250-300MPa左右。

（5） 该Al-Li-Zr铝锂合金在700-800度之间进行搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且该铝锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。

（6）冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备的要求。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金使用寿命和高温下力学性能有了进一步提高，便于工业化大规模应用。本发明可用于制造在使用温度为100度以下结构件并具有极其显著的轻量化效果。

具体实施方式

实施例1

一种具有720度熔炼时抗燃烧性的Al-Li-Zr铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 6.2wt.%, Zr: 1.8wt.%,Sr: 2.4wt.%,Ho: 0.2wt.%, Y: 0.9wt.%,Th:0.1wt.%, Sc: 0.1wt.%, S: 0.3wt.%，B: 0.2wt.%，余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到720度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在720度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为6%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：340度，1.8个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理460度，2.4小时；真空时效处理180度，2.8小时。该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为490MPa，抗拉强度为720MPa，延伸率为4%。并具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为380MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为260MPa左右。该合金在720度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.4wt.%左右。

实施例2

一种具有750度熔炼时抗燃烧性的Al-Li-Zr铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 5.4wt.%, Zr: 1.9wt.%,Sr: 4.3wt.%,Ho: 0.2wt.%, Y: 0.9wt.%,Th:0.1wt.%, Sc: 0.1wt.%, S: 0.3wt.%，B: 0.2wt.%，余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到750度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在750度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：340度，1.8个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理460度，2.4小时；真空时效处理180度，2.8小时。该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为470MPa，抗拉强度为580MPa，延伸率为6%。并具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为390MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为260MPa左右。该合金在750度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.1wt.%左右。

实施例3

一种具有790度熔炼时抗燃烧性的Al-Li-Zr铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为： Li: 4.6wt.%, Zr: 2.3wt.%,Sr: 2.9wt.%,Ho: 0.3wt.%, Y: 0.9wt.%,Th:0.2wt.%, Sc: 0.1wt.%, S: 0.3wt.%，B: 0.2wt.%，余量为铝。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到790度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在790度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为6%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：340度，1.8个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理460度，2.4小时；真空时效处理180度，2.8小时。该材料具有传统铝锂合金室温下的力学性能：屈服强度为480MPa，抗拉强度为610MPa，延伸率为7%。并具有传统铝锂合金不具备的高温力学性能：在300度下，屈服强度为390MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为280MPa左右。该合金在790度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.9wt.%左右。

Claims (3)

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的Al-Li-Zr铝锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.0-8.0wt.%, Zr: 1.0-3.0wt.%,Sr: 2.0-8.0wt.%,Ho: 0.2-0.3wt.%, Y: 0.8-1.2wt.%,Th: 0.1-0.2wt.%, Sc: 0.1-0.2wt.%, S: 0.2-0.4wt.%，B:0.1-0.4wt.%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述Al-Li-Zr铝锂合金的制备方法，其特征在于合金的制备方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到700-800度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在700-800度保温10分钟浇铸到水玻璃模具内进行铸造成型。

3.根据权利要求1所述Al-Li-Zr铝锂合金的制备方法，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为5-10%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：340度，1.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理460度，2.4小时；真空时效处理180度，2.8小时。