CN107641740A

CN107641740A - 一种防燃Al‑Li‑V合金

Info

Publication number: CN107641740A
Application number: CN201710941881.0A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2018-01-30

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‑V铝锂合金及其加工工艺。按重量百分比计，Li:2.0‑8.0wt.%,V:2.0‑4.0wt.%,Ca:2.0‑4.0wt.%,Sr:1.0‑2.0wt.%,Sn:1.0‑2.0wt.%,In:0.4‑0.8wt.%,Pr:0.2‑0.4wt.%,Yb:0.1‑0.2wt.%,S:0.5‑1.0wt.%，B:1.0‑2.0wt.%，余量为铝。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。可以达到在700‑800度范围内在大气环境下保温静置5个小时而没有明显的燃烧。该材料具有传统铝锂合金的力学性能：屈服强度为400‑650MPa，抗拉强度为500‑750MPa，延伸率为4‑15%。并具备传统铝锂合金不具备的高导热性能：热导系数为120‑140W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。

Description

一种防燃Al-Li-V合金

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

锂是世界上最轻的金属元素,当锂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,向铝金属中每添加1wt.%的锂，铝合金的密度就下降约3%，而其弹性模量则会上升约6%，从而成为复合材料强有力的竞争产品。铝锂合金主要为飞机和航空航天设备的减重而研制的，因此也主要应用与航空航天领域，核反应堆用材，坦克穿甲弹，鱼雷和其它兵器结构件方面。此外在汽车,机器人等领域也有充分运用。铝锂合金在军用飞机、民用客机和直升飞机上主要用于机身框架舱门、燃油箱等。在新型飞机设计制造中，采用铝锂合金可使飞机铝合金零部件的质量减轻14-30%，已成为新一代航空器的关键性结构材料。采用铝锂合金制造飞机，其重量可以减轻14.6%，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%。由于铝锂合金的成本大约只是复合材料（碳纤维增强塑料）的10%，因而在应用上具有明显的比较优势。

铝锂合金具有很独特的性能：(1)质量轻。锂的加入让铝锂合金的密度比多数合金的密度都要低。且随着锂含量的增加，其密度还会进一步降低; (2) 强度高。铝锂合金有很高的强度，其强度不会因为锂含量的增加而发生明显变化，而且可以通过添加铜、镁、锌等元素进一步提高合金的强度; (3) 刚度高。铝锂合金拥有很高的刚度，抗变形能力强，其刚度随着锂含量的增加还会进一步提高; (4) 抗疲劳。铝锂合金抗疲劳性能优异，使用寿命长; (5) 良好的延展性。铝锂合金拥有良好的延展性能，可以有效降低铝锂合金的加工难度。

铝锂合金在熔炼过程中极易发生燃烧，甚至爆炸。这是因为锂的氧化物和氮化物的体积小于生成这些化合物所消耗的金属的体，因此其氧化物和氮化物不足以包覆金属表面。形成的氧化膜和氮化膜疏松多孔且很脆，氧可通过氧化膜和氮化膜的孔隙与合金熔体继续作用，释放出大量的热并导致铝锂熔体燃烧。因此，铝锂合金产业化的一个重要课题是如何阻止铝锂合金在大气环境下冶炼时的高温氧化燃烧。目前，常用的阻燃方法是熔剂保护法与气体保护法。这些方法存在铸件易产生熔剂夹杂、污染环境以及设备和工艺复杂等缺点。

通过合金化方法达到阻燃是解决铝锂合金燃烧问题的先进方法。合金化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-V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-V铝锂合金熔体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静置5个小时而没有明显的燃烧。在搅拌等动态过程中，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。

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-V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-V铝锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 2.0-8.0wt.%, V: 2.0-4.0wt.%,Ca: 2.0-4.0wt.%,Sr: 1.0-2.0wt.%, Sn: 1.0-2.0wt.%, In: 0.4-0.8wt.%, Pr: 0.2-0.4wt.%, Yb: 0.1-0.2wt.%,S: 0.5-1.0wt.%，B: 1.0-2.0wt.%，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：290度，1.4个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理450度，6.5小时；真空时效处理170度，2.5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-V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-V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%。并具备传统铝锂合金不具备的高导热性能：热导系数为120-140W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。

（5）该Al-Li-V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710度熔炼时抗燃烧性的Al-Li-V铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:6.4wt.%, V: 2.3wt.%,Ca: 2.1wt.%,Sr: 1.8wt.%, Sn: 1.4wt.%, In:0.6wt.%, Pr: 0.3wt.%, Yb: 0.1wt.%, S: 0.6wt.%，B: 1.4wt.%，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710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710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：290度，1.4个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理450度，6.5小时；真空时效处理170度，2.5小时。该材料具有传统铝锂合金的力学性能：屈服强度为475MPa，抗拉强度为610MPa，延伸率为5%。并具备传统铝锂合金不具备的高导热性能：热导系数为126W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。该合金在710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-V铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 6.7wt.%, V: 2.1wt.%,Ca: 2.8wt.%,Sr: 1.6wt.%, Sn: 1.4wt.%, In:0.6wt.%, Pr: 0.3wt.%, Yb: 0.1wt.%, S: 0.6wt.%，B: 1.4wt.%，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：290度，1.4个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理450度，6.5小时；真空时效处理170度，2.5小时。该材料具有传统铝锂合金的力学性能：屈服强度为485MPa，抗拉强度为610MPa，延伸率为4%。并具备传统铝锂合金不具备的高导热性能：热导系数为126W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K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2.9wt.%左右。

实施例3

一种具有780度熔炼时抗燃烧性的Al-Li-V铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为： Li: 5.3wt.%, V: 3.2wt.%,Ca: 2.1wt.%,Sr: 1.6wt.%, Sn: 1.8wt.%, In:0.6wt.%, Pr: 0.3wt.%, Yb: 0.1wt.%, S: 0.6wt.%，B: 1.4wt.%，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780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780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：290度，1.4个小时。轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理450度，6.5小时；真空时效处理170度，2.5小时。该材料具有传统铝锂合金的力学性能：屈服强度为510MPa，抗拉强度为640MPa，延伸率为6%。并具备传统铝锂合金不具备的高导热性能：热导系数为129W/m.K，传统铝锂合金为85W/m.K左右。该合金在780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3.6wt.%左右。

Claims

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的Al-Li-V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.%, V: 2.0-4.0wt.%,Ca: 2.0-4.0wt.%,Sr: 1.0-2.0wt.%, Sn: 1.0-2.0wt.%, In: 0.4-0.8wt.%, Pr: 0.2-0.4wt.%, Yb: 0.1-0.2wt.%,S: 0.5-1.0wt.%，B: 1.0-2.0wt.%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述Al-Li-V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-V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：290度，1.4个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理450度，6.5小时；真空时效处理170度，2.5小时。