CN108950264B - 高锂含量铸造铝锂合金的精炼方法 - Google Patents

高锂含量铸造铝锂合金的精炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高锂含量铸造铝锂合金的精炼方法，其包括如下步骤：S1、将纯铝熔化后，在加入细化合金元素前，于810～820℃下，利用氩气旋转喷吹，进行一级精炼；S2、在加入主合金化元素前，于730～740℃下，利用氩气旋转喷吹，进行二级精炼；S3、在加入主合金化元素后，于720～730℃下，利用氩气旋转喷吹，进行三级精炼。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：获得的高锂含量铸造铝锂合金含氢量与含渣量大幅度减少，Li元素烧损率降低，熔炼成本降低，力学性能提高，为高锂含量铸造铝锂合金的开发和实际应用提供技术支持。

Description

高锂含量铸造铝锂合金的精炼方法
技术领域
本发明涉及一种高锂含量铸造铝锂合金的精炼方法，属于铝合金精炼技术领域。
背景技术
铝锂合金材料是一种先进的轻量化结构材料，近年来在航空航天材料中发展尤为迅速，具有密度低、比强度和比刚度高、弹性模量高、疲劳裂纹扩展速率低、低温性能较好、良好的耐腐蚀性和卓越的超塑成形性能等诸多优异的性能。
铝锂合金与普通铝合金相比，由于含有较高含量的Li元素，在高温熔炼过程中更容易吸气，氧化，产生的氢气孔和夹渣会严重损害铝锂合金的性能。在专利公开号为CN105925826A李翔光等人发明的一种铝合金精炼技术里，介绍了包括惰性气体除空气、一级精炼、二级精炼和降低至常温步骤等方法，可以对普通铝合金进行除气和除渣。但由于他精炼处理的铝合金并不含有Li元素，此方法并不能有效的对高锂含量铸造铝锂合金进行除气、除渣，并且会使Li元素的烧损率较高，提高了熔炼成本。
发明内容
本发明的目的是提升高锂含量铸造铝锂合金的精炼效果，提高熔体纯净度。针对高锂含量铸造铝锂合金开发新型三级氩气旋转喷吹的精炼工艺，提供了一种高效的铝锂合金精炼方法，获得的高锂含量铸造铝锂合金含氢量与含渣量大幅度减少，Li元素烧损率降低，熔炼成本降低，力学性能提高，为高锂含量铸造铝锂合金的开发和实际应用提供技术支持。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高锂含量铸造铝锂合金的精炼方法，其包括如下步骤：
S1、将纯铝熔化后，在加入细化合金元素前，于810～820℃下，利用氩气旋转喷吹，进行一级精炼，加入细化合金元素后在750～780℃温度范围内加入微合金化元素；
S2、在加入主合金化元素前，于730～740℃下，利用氩气旋转喷吹，进行二级精炼；
S3、在加入主合金化元素后，于720～730℃下，利用氩气旋转喷吹，进行三级精炼。
作为优选方案，所述高锂含量铸造铝锂合金中，主合金化元素的含量为1～7％，微合金化元素的含量为0.2～3％，细化合金元素的含量为0.2～0.8％，余量为铝和不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总含量不超过0.15％。
作为优选方案，所述主合金化元素为锂或锂和铜，所述微合金化元素包括镁、锰、锌中的至少一种，所述细化合金元素包括锆、钪中的一种或两种。
作为优选方案，步骤S1所述的一级精炼中，氩气转速为210～250rpm，氩气流量为1.6～2.0L/min，喷吹时间为6～10min。
作为优选方案，步骤S2所述的二级精炼中，氩气转速为210～250rpm，氩气流量为1.6～2.0L/min，喷吹时间为11～15min。
作为优选方案，步骤S2所述的二级精炼中，氩气转速为210～250rpm，氩气流量为0.8～1.2L/min，喷吹时间为6～10min。
本发明考虑在高锂含量铸造铝锂合金的熔炼制备过程中，铝熔体中氢溶解度随温度升高而增大，加入Zr或者Sc元素之前熔体温度最高约为810～820℃，此时极易发生吸氢现象，在此温度下进行一级精炼，首次降低熔体内部含氢量与含渣量。一级精炼结束后会依次加入其他合金等元素，保温时间较长，吸氢比较严重，因此在温度范围为730～740℃，加入活泼元素Li之前进行二级精炼来进一步提熔体纯净度，降低含氢量与含渣量。在720～730℃加入Li元素后，熔体处于极易氧化的状态，此时进行三级精炼，采用较小的气流量一方面是为了保证熔体液面的平稳度，降低Li烧损率；另一方面能进一步降低熔体内部含氢量与含渣量，保证浇注前熔体的纯净度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
获得的高锂含量铸造铝锂合金含氢量与含渣量大幅度减少，Li元素烧损率降低，熔炼成本降低，力学性能提高，为高锂含量铸造铝锂合金的开发和实际应用提供技术支持。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1中合金的铸态组织25倍金相照片；
图2为实施例2中合金的铸态组织25倍金相照片；
图3为实施例3中合金的铸态组织25倍金相照片；
图4为实施例4中合金的铸态组织25倍金相照片；
图5为实施例5中合金的铸态组织25倍金相照片；
图6为对比例1中合金的铸态组织25倍金相照片；
图7为对比例2中合金的铸态组织25倍金相照片；
图8为对比例3中合金的铸态组织25倍金相照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
按照成分及重量百分比为Li 2.0％，Cu 1.0％，Mg 0.2％，Zr 0.2％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。铝锭熔化后，在加入Zr元素之前，温度范围为810℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行一级精炼，喷头转速210r/min，气体流量1.6L/min，喷吹时间6min。在加入Li元素之前，温度范围为730℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行二级精炼，喷头转速210r/min，气体流量1.6L/min，喷吹时间11min。在加入Li元素之后，温度范围为720℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行三级精炼，喷头转速210r/min，气体流量0.8L/min，喷吹时间6min。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)：如表1所示：
表1
Figure BDA0001736401190000031
本实施例制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图1所示，无明显气孔与夹渣。
实施例2
按照成分及重量百分比为Li 2.5％，Cu 1.5％，Mg 0.4％，Mn 0.4％，Zr 0.25％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。铝锭熔化后，在加入Zr元素之前，温度范围为812℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行一级精炼，喷头转速220r/min，气体流量1.7L/min，喷吹时间7min。在加入Li元素之前，温度范围为732℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行二级精炼，喷头转速220r/min，气体流量1.7L/min，喷吹时间12min。在加入Li元素之后，温度范围为722℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行三级精炼，喷头转速220r/min，气体流量0.9L/min，喷吹时间7min。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)，如表2所示：
表2
Figure BDA0001736401190000041
本实施例制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图2所示，无明显气孔与夹渣。
实施例3
按照成分及重量百分比为Li 3.0％，Cu 2.0％，Mg 0.6％，Mn 0.6％，Zn 0.6％，Zr0.3％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。铝锭熔化后，在加入Zr元素之前，温度范围为815℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行一级精炼，喷头转速230r/min，气体流量1.8L/min，喷吹时间8min。在加入Li元素之前，温度范围为735℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行二级精炼，喷头转速230r/min，气体流量1.8L/min，喷吹时间13min。在加入Li元素之后，温度范围为725℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行三级精炼，喷头转速230r/min，气体流量1.0L/min，喷吹时间8min。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)，如表3所示：
表3
本实施例制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图3所示，无明显气孔与夹渣。
实施例4
按照成分及重量百分比为Li 3.5％，Cu 2.5％，Mg 0.8％，Zn 0.8％，Sc 0.35％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。铝锭熔化后，在加入Sc元素之前，温度范围为818℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行一级精炼，喷头转速240r/min，气体流量1.9L/min，喷吹时间9min。在加入Li元素之前，温度范围为738℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行二级精炼，喷头转速240r/min,气体流量1.9L/min，喷吹时间14min。在加入Li元素之后，温度范围为728℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行三级精炼，喷头转速240r/min，气体流量1.1L/min，喷吹时间9min。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)，如表4所示：
表4
Figure BDA0001736401190000052
本实施例制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图4所示，无明显气孔与夹渣。
实施例5
按照成分及重量百分比为Li 4.0％，Cu 3.0％，Mg 1.0％，Mn 1.0％，Zn 1.0％，Zr0.4％，Sc 0.4％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。铝锭熔化后，在加入Zr元素之前，温度范围为820℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行一级精炼，喷头转速250r/min，气体流量2.0L/min，喷吹时间10min。在加入Li元素之前，温度范围为740℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行二级精炼，喷头转速250r/min，气体流量2.0L/min，喷吹时间15min。在加入Li元素之后，温度范围为730℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行三级精炼，喷头转速250r/min，气体流量1.2L/min，喷吹时间10min。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)，如表5所示：
表5
Figure BDA0001736401190000061
本实施例制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图5所示，无明显气孔与夹渣。
各实施例得到的铸造铝锂合金T4态室温力学性能如表6所示：
表6
Figure BDA0001736401190000062
各实施例得到的铸造铝锂合金含氢量，含渣量，Li元素烧损率如表7所示：
表7
Figure BDA0001736401190000063
对比例1
按照成分及重量百分比为Li 2.0％，Cu 1.0％，Mg 0.2％，Zr 0.2％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。在加入Li元素之后，温度范围为720℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行一级精炼，喷头转速210r/min，气体流量0.8L/min，喷吹时间6min。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)，如表8所示：
表8
Figure BDA0001736401190000071
本对比例的制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图6所示，气孔明显，尺寸较大。
对比例2
按照成分及重量百分比为Li 2.0％，Cu 1.0％，Mg 0.2％，Zr 0.2％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。在加入Li元素之前，温度范围为730℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行一级精炼，喷头转速210r/min，气体流量1.6L/min，喷吹时间11min。在加入Li元素之后，温度范围为720℃时，利用氩气旋转喷吹设备进行二级精炼，喷头转速210r/min，气体流量0.8L/min，喷吹时间6min。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)，如表9所示：
表9
Figure BDA0001736401190000072
本对比例的制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图7所示，气孔明显，尺寸较大。
对比例3
按照成分及重量百分比为Li 2.0％，Cu 1.0％，Mg 0.2％，Zr 0.2％的合金进行配料，先将纯铝及所需中间合金预热到180～200℃，然后将纯铝放入石墨坩埚中熔化。在加入Li元素之后，温度范围为730℃时，使用氯化物精炼剂进行精炼，精炼剂使用量约为合金总质量的1.5％。精炼完成后控制温度720℃，除去熔体表面覆盖剂，将熔体浇铸到预热至200℃左右的钢制模具。
该成分合金经过固溶处理，最后经水淬得到T4态合金。经化学析合金成分为(wt％)，如表10所示：
表10
本对比例的制备的铝锂合金的铸态组织25倍金相照片如图8所示，气孔明显，尺寸较大。
各对比例得到的铸造铝锂合金T4态室温力学性能如表11所示：
表11
Figure BDA0001736401190000082
各对比例得到的铸造铝锂合金含氢量，含渣量，Li元素烧损率如表12所示：
表12
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种高锂含量铸造铝锂合金的精炼方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将纯铝熔化后，在加入细化合金元素前，于810~820℃下，利用氩气旋转喷吹，进行一级精炼，加入细化合金元素后在750~780℃温度范围内加入微合金化元素；
S2、在加入主合金化元素前，于730~740℃下，利用氩气旋转喷吹，进行二级精炼；
S3、在加入主合金化元素后，于720~730℃下，利用氩气旋转喷吹，进行三级精炼；
所述一级精炼工艺参数为：氩气转速为210~250rpm，氩气流量为1.6~2.0L/min，喷吹时间为6~10min；
所述二级精炼工艺参数为：氩气转速为210~250rpm，氩气流量为1.6~2.0L/min，喷吹时间为11~15min；
所述三级精炼工艺参数为：氩气转速为210~250rpm，氩气流量为0.8~1.2L/min，喷吹时间为6~10min；
所述高锂含量铸造铝锂合金中，主合金化元素的含量为1~7wt%，微合金化元素的含量为0.2~3wt%，细化合金元素的含量为0.2~0.8wt%，余量为铝和不可避免的杂质元素，所述杂质元素的总含量不超过0.15wt%；
所述主合金化元素为锂，所述微合金化元素为镁、锰、锌中的至少一种，所述细化合金元素为锆、钪中的一种或两种。
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