CN107779681A

CN107779681A - 具有阻燃能力的Al‑Li‑Cr合金

Info

Publication number: CN107779681A
Application number: CN201710952694.2A
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: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2018-03-09

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‑Cr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.%,Cr:1.0‑4.0wt.%,Ca:2.0‑3.0wt.%,Sr:4.0‑6.0wt.%,Y:1.0‑2.0wt.%,Gd:0.5‑1.5wt.%,Yb:0.5‑1.0wt.%，B:1.5‑3.0wt.%，余量为铝。本发明针对目前高温下铝锂合金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。在对熔体进行搅拌、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和氮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。

Description

具有阻燃能力的Al-Li-Cr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

Li是最轻的金属元素，当加入铝中时就形成了铝锂合金。每加入1wt.%的Li，可使铝合金密度降低3%，模量提高6%。铝锂合金同其它合金材料相比，具有以下特点：(1)密度小。铝锂合金的密度接近2.3-2.4g/cm³,约为铁或铜的1/3。(2)强度高。经过一定程度的冷加工可强化铝锂合金,部分铝锂合金还可以通过热处理进行强化处理。(3)导电性好。铝锂合金的导电性能仅次于银、铜和金。(4)耐蚀性好。铝锂合金的表面易自然生成一层致密牢固的氧化铝保护膜，能很好的保护基体不受腐蚀。(5)易加工。添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝锂合金或加工塑性好的变形铝锂合金。

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，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使用，主要用于机身框架、舱门、燃油箱等等。此外，飞机的机身蒙皮、长桁、地板梁、座椅滑轨、边界梁、客舱地板支撑立柱等部件也使用铝锂合金，其机体结构重量占比达到7.4%，获得综合减重7%的收益。一般而言，如果采用先进铝锂合金取代传统铝合金制造飞机，结构质量可以减轻14.6%，燃料节省5.4%，飞机成本下降2.1%，每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。战斗机质量若减轻15%，则可缩短飞机滑跑距离15%，增加航程20%，提高有效载荷30%。因此，发展铝锂合金，在航空航天和国防领域具有重要的意义。

锂由于很容易和大气中的氧和氮反应生成化合物而产生燃烧和爆炸，因而铝锂合金冶炼工艺的关键就是阻燃。铝锂合金的防燃最早使用的是熔剂保护，一般采用低熔点的氯盐。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。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。

解决铝锂合金在熔炼时燃烧的最先进途径是通过合金化的方法达到阻燃目的。所谓阻燃铝锂合金，即指通过合金化的方法，使铝锂合金在熔炼过程中在熔体表面自动生成一层保护性的氧化膜，阻止熔体的进一步氧化、燃烧。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。

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-Cr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。同时，该抗燃烧Al-Li-Cr铝锂合金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。该Al-Li-Cr铝锂合金冶炼加工方法简单，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。

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-Cr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-Cr铝锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 2.0-8.0wt.%, Cr: 1.0-4.0wt.%,Ca: 2.0-3.0wt.%,Sr: 4.0-6.0wt.%, Y: 1.0-2.0wt.%, Gd: 0.5-1.5wt.%, Yb: 0.5-1.0wt.%，B: 1.5-3.0wt.%，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：220度，2.4个小时;轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理360度，4.5小时；真空时效处理150度，2.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）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。在静态下(熔体的保温和静置)，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。在动态下(熔体的搅拌、吹气等熔体处理)，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。

（2）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。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。

（3）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。

（4）该Al-Li-Cr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。

（5）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。

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-Cr铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 4.7wt.%, Cr: 2.6wt.%,Ca: 2.1wt.%,Sr: 4.8wt.%, Y: 1.5wt.%, Gd:0.8wt.%, Yb: 0.7wt.%，B: 1.6wt.%，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：220度，2.4个小时;轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理360度，4.5小时；真空时效处理150度，2.5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415MPa，抗拉强度为540MPa，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2.8wt.%左右。

实施例2

一种具有750度熔炼时抗燃烧性的Al-Li-Cr铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 7.3wt.%, Cr: 1.8wt.%,Ca: 2.6wt.%,Sr: 4.5wt.%, Y: 1.6wt.%, Gd:0.8wt.%, Yb: 0.6wt.%，B: 1.9wt.%，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：220度，2.4个小时;轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理360度，4.5小时；真空时效处理150度，2.5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540MPa，延伸率为9%。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2.9wt.%左右。

实施例3

一种具有790度熔炼时抗燃烧性的Al-Li-Cr铝锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为： Li: 4.9wt.%, Cr: 1.6wt.%,Ca: 2.3wt.%,Sr: 4.8wt.%, Y: 1.5wt.%, Gd:0.8wt.%, Yb: 0.9wt.%，B: 2.1wt.%，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：220度，2.4个小时;轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理360度，4.5小时；真空时效处理150度，2.5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620MPa，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265MPa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3.1wt.%左右。

Claims

1.一种在熔炼时具有抗燃烧性能的Al-Li-Cr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.%, Cr: 1.0-4.0wt.%,Ca: 2.0-3.0wt.%,Sr: 4.0-6.0wt.%, Y: 1.0-2.0wt.%, Gd: 0.5-1.5wt.%, Yb: 0.5-1.0wt.%，B: 1.5-3.0wt.%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述Al-Li-Cr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-Cr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：220度，2.4个小时;轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理360度，4.5小时；真空时效处理150度，2.5小时。