CN107747005A

CN107747005A - 含Sb和Te可阻燃的铝锂合金及其加工工艺

Info

Publication number: CN107747005A
Application number: CN201710986400.8A
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: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2018-03-02

Abstract

本发明公开了一种在700‑800度之间熔炼时含Sb和Te可阻燃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.%,Sb:2.0‑3.0wt.%,Sr:2.0‑6.0wt.%,Ca:2.0‑6.0wt.%,Te:1.0‑2.0wt.%,S:1.0‑2.0wt.%,Ba:0.5‑1.0wt.%，Yb:0.2‑0.4wt.%，Ho:0.2‑0.3wt.%，余量为铝。本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解决方案。通过筛选合金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，在铝锂熔体表面形成一层结构致密持久的保护膜。该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度范围内在大气环境下保温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。

Description

含Sb和Te可阻燃的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

锂的密度很小(0.53 g/cm³)，是钢的1/14, 铝的1/5, 镁的1/3。当锂加到铝中就形成了迄今为止非常轻的铝锂合金结构材料。它具有良好的比强度和弹性模量，其密度只有2.4g/cm³。随着锂含量的增加，铝锂合金的密度可以进一步降低，并具有更加优异的冷热变形能力，较好的抗腐蚀性和适宜的延展性。一般而言，每加入1wt.%的锂，可使铝合金密度降低3%，模量提高6%。

铝锂合金具备优异的力学性能和减震消噪的高阻尼性能，以及抗辐射抗电磁干扰性能，代表了铝合金发展的技术前沿。在航空航天、兵器军工、石油化工、机械仪表、食品医厅器械、户外器材等军工及民用领域都具有广泛用途。铝锂合金抗高能粒子穿透能力强，尤其是其变形性能的优势，使得它在宇航、兵器、汽车、电子等领域有广阔的应用前景。此外，铝锂合金还具有其它一系列优点:抗压屈服极限超出普通铝合金2/3、对缺口不敏感、冲击韧性好、抗弯强度大、机械性能的各向异性不明显、塑性好、容易变形加工、容易焊接成形、比热容量大导热性低。铝锂合金可部分替代目前应用于航空、航天领域的铝材及其它铝合金材料，具有广泛的应用前景。采用先进铝锂合金取代铝合金来制造飞机，重量可以减轻14.6%，燃料可以节约55.4%，飞机成本就会下降2.1%，每一架飞机每年的飞行费用也会下降2.2%。铝锂合金与钢铁结构件比能够减重40-50%，与一般铝合金比能够减重20-30%。在降低卫星结构系统质量，提高卫星承载能力上取得了显著的成效。

铝锂合金在熔炼过程中锂很容易同周围介质发生氧化还原反应生成氧化物和氮化物膜。这些疏松的化合物膜不能阻止锂与外界介质的进一步反应，造成合金中锂的持续烧损和爆炸。铝锂合金熔化工艺的关键就是阻燃，这是由锂的化学活泼性特性决定的。铝锂合金熔炼过程防燃最早使用的是熔剂保护，一般使用低熔点的氯盐。但由于其密度大，随时间的延长会不断沉降，因此覆盖作用不能持久。而且部分熔剂作为熔渣残留在合金液中形成夹杂物，降低合金的力学性能。气体保护是国外当前普遍采用的防燃方法，常用的气体为SF6。但是，SF6是一种很强的产生温室效应的气体。在人类对环境质量重新审视和全球正为减少温室效应而不懈努力的今天，SF6保护熔炼技术受到了巨大的挑战。

通过合金化的方法达到阻燃的目的，是解决铝锂合金燃烧问题的发展方向之一。合金化阻燃的机理是在合金中添加合适的元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程。通过在合金熔体表面形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜来达到阻止合金熔体剧烈氧化和爆炸目的。与熔剂保护和气体保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能与抗腐蚀性能，消除有害气体对大气的污染。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。较早有报道，在铝锂合金中添加Be和Ca能显著提高铝锂合金的抗氧化性能，但Be有剧毒，且过量的Ca会严重损害铝锂合金的力学性能，极大地限制了Be和Ca在阻燃铝锂合金的工业化应用。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种具有在700-800度之间熔炼时具有抗燃烧性能的含Sb和Te的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含Sb和Te的铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:2.0-8.0wt.%,Sb: 2.0-3.0wt.%,Sr: 2.0-6.0wt.%, Ca:2.0-6.0wt.%, Te:1.0-2.0wt.%, S:1.0-2.0wt.%, Ba: 0.5-1.0wt.%，Yb: 0.2-0.4wt.%，Ho: 0.2-0.3wt.%，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。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：230度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度，4.2小时；真空时效处理130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度范围内在大气环境下静置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）该抗燃烧含Sb和Te的铝锂合金材料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。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。

（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）该含Sb和Te的铝锂合金在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。具有价格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、可以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点。

具体实施方式

实施例1

一种具有720度熔炼时抗燃烧性的含Sb和Te铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:4.6wt.%,Sb: 2.1wt.%,Sr: 3.6wt.%, Ca: 2.5wt.%, Te:1.4wt.%, S:1.8wt.%,Ba: 0.8wt.%，Yb: 0.2wt.%，Ho: 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：230度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度，4.2小时；真空时效处理130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413MPa，抗拉强度为584MPa，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396MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为268MPa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760度熔炼时抗燃烧性的含Sb和Te铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:7.1wt.%,Sb: 2.6wt.%,Sr: 2.3wt.%, Ca: 2.4wt.%, Te:1.6wt.%, S:1.5wt.%,Ba: 0.6wt.%，Yb: 0.2wt.%，Ho: 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760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760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：230度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度，4.2小时；真空时效处理130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520MPa，抗拉强度为615MPa，延伸率为11%。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398MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为262MPa左右。该合金在760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。

实施例3

一种具有790度熔炼时抗燃烧性的含Sb和Te铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:5.6wt.%,Sb: 2.8wt.%,Sr: 4.1wt.%, Ca: 3.4wt.%, Te:1.2wt.%, S:1.5wt.%,Ba: 0.8wt.%，Yb: 0.2wt.%，Ho: 0.3wt.%，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：230度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度，4.2小时；真空时效处理130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512MPa，抗拉强度为630MPa，延伸率为12%。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384MPa，而传统材料在300度下，屈服强度为262MPa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3.6wt.%左右。

Claims

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的含Sb和Te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.%,Sb: 2.0-3.0wt.%,Sr: 2.0-6.0wt.%, Ca: 2.0-6.0wt.%, Te:1.0-2.0wt.%, S:1.0-2.0wt.%, Ba: 0.5-1.0wt.%，Yb: 0.2-0.4wt.%，Ho:0.2-0.3wt.%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述含Sb和Te可阻燃铝锂合金，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所述含Sb和Te可阻燃铝锂合金，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：230度，2.6个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理350度，4.2小时；真空时效处理130度，2.8小时。