CN108149087B - 一种航天用铝锂合金及利用铝锂合金制备型材的方法 - Google Patents

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Abstract

一种航天用铝锂合金及铝锂合金型材制造方法，涉及一种铝锂合金及铝锂合金型材制造方法。目的是解决生产铝锂合金难度大和铝锂合金的强度低的问题。铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al组成；Mg：5.5％～6.5％、Li：2.2％～2.5％、Ti：0.03％～0.12％、Zr：0.15％～0.20％、Zr+Ti≤0.25％和Al为余量。方法：称取原料、制备铝合金熔液、精炼、喷射成形、切成短棒、盲模挤压、热挤压、淬火、拉伸矫直和时效处理。本发明喷射进行成形解决了铝锂合金生产难度大和质量差的问题，抗拉强度达485Mpa，规定非比例延伸强度达345Mpa，断后伸长率达10.0％；盲模挤压能够使铸锭更加致密。

Description

一种航天用铝锂合金及利用铝锂合金制备型材的方法
技术领域
本发明涉及一种铝锂合金及铝锂合金型材的制造方法。
背景技术
随着我国航天事业的发展，铝合金不断发展，铝合金的制造方法也得到优化和改进；但是现有的铝锂合金工艺生产存在难度大和生产的铝锂合金的强度低的问题；
由于铝锂合金比较活泼，铸造装置通常采用真空炉，铸造过程中依然需要采用气体保护，生产装备复杂，操作难度大，铸造的合金质量很难得到保证。现有铝锂合金多采用传统的铸造工艺，由于铝锂合金相对活波，很容易氧化，现有铸造过程中铝锂合金熔体需要经过流槽和结晶器等装置，虽然有气体保护，但还是很难保证铝锂合金熔体不被氧化，或者有杂质掉入铝锂合金熔体形成的结晶区域；同时现有工艺中铝锂合金的结晶过程冷却速度慢，容易使铝锂合金芯层和表层冷却不均匀，进而造成现有工艺生产的铝锂合金偏析。现有的AL-Mg-Li系合金的抗拉强度最高为450MPa，规定非比例延伸强度最高为320MPa，断后伸长率最高为8.0%。
发明内容
本发明为了解决现有工艺生产铝锂合金存在难度大和生产的铝锂合金的强度低问题，提出一种航天铝锂合金及铝锂合金型材制造方法。
本发明航天用铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al组成；铝锂合金中元素的质量百分比为：Mg：5.5%～6.5%、Li：2.2%~2.5%、Ti：0.03%~0.12%、Zr：0.15%~0.20%和余量的Al，其中Zr+Ti≤0.25%；杂质元素的质量百分比为：Cu：≤0.01%，Si：≤0.15%，Fe：≤0.20%。
利用上述航天用铝锂合金制备型材的方法按以下步骤进行：
一、按元素的质量百分比为：Mg：5.5%～6.5%、Li：2.2%~2.5%、Ti：0.03%~0.12%、Zr：0.15%~0.20%、Zr+Ti≤0.25%和余量为Al称取纯镁锭、Al-Li中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金和高纯铝锭作为原料；
二、将步骤一称取的高纯铝锭加入到熔炼炉中，在720℃~740℃条件下熔炼6~8小时得到铝熔液，将铝熔液降温至670℃～690℃，然后向熔炼炉内通入保护气体，向降温后的铝熔液中加入纯镁锭和Al-Li中间合金并升温至720℃~740℃，然后加入Al-Zr中间合金和Al-Ti中间合金，保温0.5~1.5小时，得到铝合金熔液；所述保护气体为氩气；
三、将步骤二得到的铝合金熔液进行精炼，精炼后静置得到铸造熔体；
所述精炼工艺为：精炼温度为720℃~740℃，精炼气氛为氩气气氛，精炼时间为15min~25min；
四、将步骤三得到的铸造熔体进行喷射成形，得到喷射锭坯；
所述喷射成形工艺为：雾化温度：720℃~740℃，雾化距：450～600mm，斜喷角：30～40°，接收盘旋转速度：40～60r·min-1，接收盘下降速度：2～4mm·s-1；
五、去除步骤四得到的喷射锭坯的氧化皮，得到铝合金喷射坯料，将铝合金喷射坯料切成铝合金短棒；所述铝合金短棒的长度为1000mm~1050mm；
六、将经步骤五得到的铝合金短棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短棒温度达到370℃~460℃后转移至盲模内进行挤压，得到挤压棒材坯料；
所述盲模为一端开口的筒状模具，盲模的内径与铝合金短棒的外径相同；
所述挤压时向铝合金短棒施加的挤压力大于300MN，挤压时间大于25s；
七、将步骤六制得的挤压棒材坯料置于空气加热炉中加热至370℃~460℃，然后将加热后的挤压棒材坯料进行热挤压处理，得到目标规格的型材；所述热挤压处理的温度为370℃~460℃，挤压系数为14~25；
八、将步骤七得到的型材置于空气淬火炉中进行淬火；所述淬火温度为450℃~470℃，淬火时间为0.5h~1.5h；
九、将步骤八淬火后的型材置于张力拉伸机上进行拉伸矫直；所述拉伸矫直的拉伸量为2.5%~3.0%；
十、将拉伸矫直后的型材进行时效处理，即完成；所述时效处理的温度为110℃~130℃，时效处理保温时间为11h~13h。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明制备的铝锂合金型材能够应用于航天工业，本发明采用喷射方式进行成形，喷射过程直接采用气体保护，从生产装置和工艺上都要优于真空炉铸造，生产装备简单，操作难度低；同时喷射方式进行成形过程中铸造熔体是非常小的熔体液滴，冷却速度快，较少了偏析等问题的发生，所以挤压棒材的质量可以达到AAA级的探伤级别；本发明工艺不仅解决了现有工艺生产铝锂合金难度大和强度低的问题；
2、铝锂合金中过量的Zr会引起合金内产生粗大化合物产生，进而影响铝合金的力学性能，本发明中Ti：0.03%~0.12%，Zr：0.15%~0.20%，并且Zr+Ti≤0.25%，本发明限定了Zr的含量和Ti的含量，还限定了Zr和Ti的总量，其中含量为0.15%~0.20%的Zr在铝锂合金中不会引起合金内产生粗大化合物产生，同时含量为0.03%~0.12%的Ti能够补充并保证合金的晶粒细化效果；合金晶粒细化后还有利于避免铝锂合金构件工程打孔过程中产生裂纹；
3、Mg和Li是铝锂合金的主要元素，Mg的强化作用很小，对强度的贡献主要是固溶强化。由于本发明铝锂合金中有较高含量的Mg，Mg的存在可以降低Li在A1中的固溶度，从而促进了δ`相的析出，使得δ`相相的体积分数较大，所以本发明铝锂合金中的强化效果更多地来自于δ`相的体积分数，也正是由于大量δ`相的析出才使合金具有十分显著的时效特性。因此，本发明铝锂合金中由于大量δ`相的析出使合金具有十分显著的时效特性，并且获得了优异的综合力学性能，本发明制备的铝锂合金型材的抗拉强度可以达到485MPa，规定非比例延伸强度达到345MPa，断后伸长率达到10.0%；
4、本发明在熔铸过程中铝熔液形成后，将铝熔液的温度由720℃~740℃降低至670℃～690℃，在降温后加入的纯镁锭和Al-Li中间合金，降温处理能够减少纯镁锭和Al-Li中间合金的烧损，保证了合金的成分准确；
5、本发明在热挤压处理前增加了盲模挤压工艺，盲模挤压能够使铸锭更加致密，保证了铝锂合金的综合性能和内部组织。
附图说明：
图1为实施例1采用的铸造熔体进行喷射成形装置，其中2为漏包，3为雾化器，4为雾化平台，5为雾化椎，6是喷射坯料，7为接收盘，8为传动机构，9为沉积室，10为排气混及粉尘收集口；
图2为实施例1中盲模的结构示意图，图中a为铝合金短棒，b为盲模。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式航天用铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al组成；铝锂合金中元素的质量百分比为：Mg：5.5%～6.5%、Li：2.2%~2.5%、Ti：0.03%~0.12%、Zr：0.15%~0.20%和余量的Al，其中Zr+Ti≤0.25%；杂质元素的质量百分比为：Cu：≤0.01%，Si：≤0.15%，Fe：≤0.20%。
本实施方式具备以下有益效果：
1、铝锂合金中过量的Zr会引起合金内产生粗大化合物产生，进而影响铝合金的力学性能，本实施方式中Ti：0.03%~0.12%，Zr：0.15%~0.20%，并且Zr+Ti≤0.25%，本发明限定了Zr的含量和Ti的含量，还限定了Zr和Ti的总量，其中含量为0.15%~0.20%的Zr在铝锂合金中不会引起合金内产生粗大化合物产生，同时含量为0.03%~0.12%的Ti能够补充并保证合金的晶粒细化效果；合金晶粒细化后还有利于避免铝锂合金构件工程打孔过程中产生裂纹；
2、Mg和Li是铝锂合金的主要元素，Mg的强化作用很小，对强度的贡献主要是固溶强化。由于本实施方式铝锂合金中有较高含量的Mg，Mg的存在可以降低Li在A1中的固溶度，从而促进了δ`相的析出，使得δ`相相的体积分数较大，所以本发明铝锂合金中的强化效果更多地来自于δ`相的体积分数，也正是由于大量δ`相的析出才使合金具有十分显著的时效特性。因此，本实施方式铝锂合金中由于大量δ`相的析出使合金具有十分显著的时效特性，并且获得了优异的综合力学性能，本实施方式制备的铝锂合金型材的抗拉强度可以达到485MPa，规定非比例延伸强度达到345MPa，断后伸长率达到10.0%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：该铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al组成；铝锂合金中元素的质量百分比为：Mg：6%、Li：2.4%、Ti：0.12%、Zr：0.15%和余量的Al；其中杂质元素的质量百分比为：Cu：≤0.01%、Si：≤0.15%、Fe：≤0.20%。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式利用航天用铝锂合金制备型材的方法按以下步骤进行：
一、按元素的质量百分比为：Mg：5.5%～6.5%、Li：2.2%~2.5%、Ti：0.03%~0.12%、Zr：0.15%~0.20%、Zr+Ti≤0.25%和余量为Al称取纯镁锭、Al-Li中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金和高纯铝锭作为原料；
二、将步骤一称取的高纯铝锭加入到熔炼炉中，在720℃~740℃条件下熔炼6~8小时得到铝熔液，将铝熔液降温至670℃～690℃，然后向熔炼炉内通入保护气体，向降温后的铝熔液中加入纯镁锭和Al-Li中间合金并升温至720℃~740℃，然后加入Al-Zr中间合金和Al-Ti中间合金，保温0.5~1.5小时，得到铝合金熔液；
三、将步骤二得到的铝合金熔液进行精炼，精炼后静置得到铸造熔体；
四、将步骤三得到的铸造熔体进行喷射成形，得到喷射锭坯；
所述喷射成形工艺为：雾化温度：720℃~740℃，雾化距：450～600mm，斜喷角：30～40°，接收盘旋转速度：40～60r·min-1，接收盘下降速度：2～4mm·s-1；
五、去除步骤四得到的喷射锭坯的氧化皮，得到铝合金喷射坯料，将铝合金喷射坯料切成铝合金短棒；
六、将经步骤五得到的铝合金短棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短棒温度达到370℃~460℃后转移至盲模内进行挤压，得到挤压棒材坯料；
所述挤压时向铝合金短棒施加的挤压力大于300MN，挤压时间大于25s；
所述盲模为一端开口的筒状模具，盲模的内径与铝合金短棒的外径相同；
七、将步骤六制得的挤压棒材坯料置于空气加热炉中加热至370℃~460℃，然后将加热后的挤压棒材坯料进行热挤压处理，得到目标规格的型材；
八、将步骤七得到的型材置于空气淬火炉中进行淬火；
九、将步骤八淬火后的型材置于张力拉伸机上进行拉伸矫直；
十、将拉伸矫直后的型材进行时效处理，即完成。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式制备的铝锂合金型材能够应用于航天工业，本实施方式采用喷射方式进行成形，喷射过程直接采用气体保护，从生产装置和工艺上都要优于真空炉铸造，生产装备简单，操作难度低；同时喷射方式进行成形过程中铸造熔体是非常小的熔体液滴，冷却速度快，较少了偏析等问题的发生，所以挤压棒材的质量可以达到AAA级的探伤级别；本实施方式工艺不仅解决了现有工艺生产铝锂合金难度大和强度低的问题；
2、本实施方式在熔铸过程中铝熔液形成后，将铝熔液的温度由720℃~740℃降低至670℃～690℃，在降温后加入的纯镁锭和Al-Li中间合金，降温处理能够减少纯镁锭和Al-Li中间合金的烧损，保证了合金的成分准确；
3、本实施方式在热挤压处理前增加了盲模挤压工艺，盲模挤压能够使铸锭更加致密，保证了铝锂合金的综合性能和内部组织。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二所述保护气体为氩气。其他步骤和参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤三所述精炼工艺为：精炼温度为720℃~740℃，精炼气氛为氩气气氛，精炼时间为15min~25min。其他步骤和参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤五所述铝合金短棒的长度为1000mm~1050mm。其他步骤和参数与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤七所述热挤压处理的温度为370℃~460℃，挤压系数为14~25。其他步骤和参数与具体实施方式三至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤八所述淬火温度为450℃~470℃，淬火时间为0.5h~1.5h。其他步骤和参数与具体实施方式三至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤九所述拉伸矫直的拉伸量为2.5%~3.0%。其他步骤和参数与具体实施方式三至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：步骤十所述时效处理的温度为110℃~130℃，时效处理保温时间为11h~13h。其他步骤和参数与具体实施方式三至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例航天用铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al组成；铝锂合金中元素的质量百分比为：Mg：6%、Li：2.4%、Ti：0.12%、Zr：0.15%和余量的Al，其中杂质元素的质量百分比为：Cu：≤0.01%，Si：≤0.15%，Fe：≤0.20%。
利用上述航天用铝锂合金制备型材的方法按以下步骤进行：
一、按元素的质量百分比为：Mg：6%、Li：2.4%、Ti：0.12%、Zr：0.15%和余量为Al称取纯镁锭、Al-Li中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金和高纯铝锭作为原料；
二、将步骤一称取的高纯铝锭加入到熔炼炉中，在730℃条件下熔炼7小时得到铝熔液，将铝熔液降温至680℃，然后向熔炼炉内通入保护气体，向降温后的铝熔液中加入纯镁锭和Al-Li中间合金并升温至730℃，然后加入Al-Zr中间合金和Al-Ti中间合金，保温1小时，得到铝合金熔液；所述保护气体为氩气；
三、将步骤二得到的铝合金熔液进行精炼，精炼后静置得到铸造熔体；
所述精炼工艺为：精炼温度为730℃，精炼气氛为氩气气氛，精炼时间为20min；
四、将步骤三得到的铸造熔体进行喷射成形，得到喷射锭坯；
所述喷射成形工艺为：雾化温度：730℃，雾化距：500mm，斜喷角： 40°，接收盘旋转速度：50r·min-1，接收盘下降速度：3mm·s-1；
五、去除步骤四得到的喷射锭坯的氧化皮，得到铝合金喷射坯料，将铝合金喷射坯料切成铝合金短棒；所述铝合金短棒的长度为1050mm；
六、将经步骤五得到的铝合金短棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短棒温度达到370℃~460℃后转移至盲模内进行挤压，得到挤压棒材坯料；
所述盲模为一端开口的筒状模具，盲模的内径与铝合金短棒的外径相同；
所述挤压时向铝合金短棒施加的挤压力为350MN，挤压时间为30s；
七、将步骤六制得的挤压棒材坯料置于空气加热炉中加热至400℃，然后将加热后的挤压棒材坯料进行热挤压处理，得到目标规格的型材；所述热挤压处理的温度为460℃，挤压系数为14；
八、将步骤七得到的型材置于空气淬火炉中进行淬火；所述淬火温度为460℃，淬火时间为1h；
九、将步骤八淬火后的型材置于张力拉伸机上进行拉伸矫直；所述拉伸矫直的拉伸量为3.0%；
十、将拉伸矫直后的型材进行时效处理，即完成；所述时效处理的温度为120℃，时效处理保温时间为12h。
本实施例采用的铸造熔体进行喷射成形的装置如图1所示，其中2为漏包，3为雾化器，4为雾化平台，5为雾化椎，6是喷射坯料，7为接收盘，8为传动机构，9为沉积室，10为排气混及粉尘收集口；合金喷射成形过程为：将铸造熔体导入到漏包中，铸造熔体由漏包进入雾化器，铸造熔体在雾化器雾化，启动传动机构，传动机构带动接收盘转动，接收盘旋转后，雾化后铸造熔体经雾化椎喷射到接收盘上，接收盘旋转转动同时下降，接收盘上的铸造熔体逐渐长大并成型，最终得到喷射锭坯；
本实施例在热挤压处理前增加了盲模挤压工艺，盲模挤压能够使铸锭更加致密，保证了铝锂合金的综合性能和内部组织。本实施例制备的铝锂合金型材的抗拉强度为485MPa，规定非比例延伸强度为345MPa，断后伸长率为10.0%。

Claims (9)

1.一种航天用铝锂合金，其特征在于：该铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al组成；铝锂合金中元素的质量百分比为：Mg：5.5%～6.5%、Li：2.2%~2.5%、Ti：0.03%~0.12%、Zr：0.15%~0.20%和余量的Al，其中Zr+Ti≤0.25%；杂质元素的质量百分比为：Cu：≤0.01%，Si：≤0.15%，Fe：≤0.20%；
该铝锂合金制备方法按以下步骤进行：
一、按元素的质量百分比为：Mg：5.5%～6.5%、Li：2.2%~2.5%、Ti：0.03%~0.12%、Zr：0.15%~0.20%、Zr+Ti≤0.25%和余量为Al称取纯镁锭、Al-Li中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金和高纯铝锭作为原料；
二、将步骤一称取的高纯铝锭加入到熔炼炉中，在720℃~740℃条件下熔炼6~8小时得到铝熔液，将铝熔液降温至670℃～690℃，然后向熔炼炉内通入保护气体，向降温后的铝熔液中加入纯镁锭和Al-Li中间合金并升温至720℃~740℃，然后加入Al-Zr中间合金和Al-Ti中间合金，保温0.5~1.5小时，得到铝合金熔液；
三、将步骤二得到的铝合金熔液进行精炼，精炼后静置得到铸造熔体；
四、将步骤三得到的铸造熔体进行喷射成形，得到喷射锭坯；
所述喷射成形工艺为：雾化温度：720℃~740℃，雾化距：450～600mm，斜喷角：30～40°，接收盘旋转速度：40～60r·min-1，接收盘下降速度：2～4mm·s-1；
五、去除步骤四得到的喷射锭坯的氧化皮，得到铝合金喷射坯料，将铝合金喷射坯料切成铝合金短棒；
六、将经步骤五得到的铝合金短棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短棒温度达到370℃~460℃后转移至盲模内进行挤压，得到挤压棒材坯料；
所述挤压时向铝合金短棒施加的挤压力大于300MN，挤压时间大于25s；
所述盲模为一端开口的筒状模具，盲模的内径与铝合金短棒的外径相同；
七、将步骤六制得的挤压棒材坯料置于空气加热炉中加热至370℃~460℃，然后将加热后的挤压棒材坯料进行热挤压处理，得到目标规格的型材；
八、将步骤七得到的型材置于空气淬火炉中进行淬火；
九、将步骤八淬火后的型材置于张力拉伸机上进行拉伸矫直；
十、将拉伸矫直后的型材进行时效处理，即完成。
2.根据权利要求1所述航天用铝锂合金，其特征在于：该铝锂合金由Mg、Li、Ti、Zr和Al组成；铝锂合金中元素的质量百分比为：Mg：6%、Li：2.4%、Ti：0.12%、Zr：0.15%和余量的Al；其中杂质元素的质量百分比为：Cu：≤0.01%、Si：≤0.15%、Fe：≤0.20%。
3.根据权利要求1所述航天用铝锂合金，其特征在于：步骤二所述保护气体为氩气。
4.根据权利要求1或3所述航天用铝锂合金，其特征在于：步骤三所述精炼工艺为：精炼温度为720℃~740℃，精炼气氛为氩气气氛，精炼时间为15min~25min。
5.根据权利要求4所述航天用铝锂合金，其特征在于：步骤五所述铝合金短棒的长度为1000mm~1050mm。
6.根据权利要求1、3或5所述航天用铝锂合金，其特征在于：步骤七所述热挤压处理的温度为370℃~460℃，挤压系数为14~25。
7.根据权利要求6所述航天用铝锂合金，其特征在于：步骤八所述淬火温度为450℃~470℃，淬火时间为0.5h~1.5h。
8.根据权利要求7所述航天用铝锂合金，其特征在于：步骤九所述拉伸矫直的拉伸量为2.5%~3.0%。
9.根据权利要求8所述航天用铝锂合金，其特征在于：步骤十所述时效处理的温度为110℃~130℃，时效处理保温时间为11h~13h。
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