CN110883319A

CN110883319A - 铝锂合金复合锭的铸造方法

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Publication number: CN110883319A
Application number: CN201910974078.6A
Authority: CN
Inventors: 王俊升
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-03-17

Abstract

本发明涉及铸造含锂铝合金的方法，通过半连续铸造锂所占比重大于0.25％的含锂合金复合锭和锂所占比重小于0.25％或者更少不含锂的合金复合锭，达到隔离易挥发性铝锂合金与氧气和水接触的效果，实现安全可靠铸造环境，并为后续低成本的挤压或者轧制创造条件。本发明采用氩气有效地隔离铝锂合金与空气的接触，使用不含锂的铝合金作为外壳，提供了铸造铝锂合金复合锭的一种新方法。

Description

铝锂合金复合锭的铸造方法

技术领域

本发明适用于含锂的铝合金熔铸生产，产品形式为复合铸锭(圆形、扁形)，可作为挤压、轧制、锻造等加工过程的原料，最终用途可用于航空航天等领域的零部件材料。

背景技术

铝锂合金铸造工艺复杂，但由于其低密度、高的比强度和比刚度、优良的低温力学性能和较高的高温强度等，以及较好的抗疲劳性能和一定的超塑性成形性能，具有取代常规铝合金，实现减重15％左右，提高刚度15％左右的效果，由此为航空航天飞行器设计带来的性能提升和经济效益十分显著，作为高端新材料越来越得到广泛应用。比如，在飞机设计中铝锂合金板材可做为蒙皮、璧板，挤压型材可做为桁条、加强筋、地板梁等零部件，替换传统铝合金减轻重量提高飞机性能。在火箭设计中，铝锂合金可做为燃料箱和液氧箱，优越的成形性能便于制作共底贮箱，不但可以增加有效载荷而且降低火箭高度，提高火箭整体性能。

由于锂的化学活性，为防止氧化和爆炸事故发生，锂必须在保护性气氛下进行熔化和铸造生产，通常采用惰性气体或者真空保护。如果采用传统的铸造方式，铸造过程中由于极易发生氧化，表面形成氧化层，不但导致冷却效率降低，而且容易出现拉漏的情况。拉漏指的是一种类似于蜡烛芯部液体溢出到外表面的现象。如果拉漏事故发生，将会造成高温铝锂合金液体直接与水接触，其产生氢气的能力是普通铝合金的10倍以上，将会迅速造成爆炸事故发生。另外，铸造的速度、润滑的程度、铸锭的大小、铸造温度、液态金属的径向分配、冷却水的质量与温度、液位的高低、断电事故、冷却水压变化等都可能造成拉漏事故的发生。因此，许多专利发明了不含水的冷却液，以提高换热稳定性，降低爆炸危险。同时，许多发明专利提出新的润滑剂，用于减少铝锂合金与结晶器接触面的摩擦系数，降低拉漏的事故发生。另外，许多文献报道通过添加有毒的铋(Bi)元素，可以减少氧化层的厚度，提高表面质量，避免拉漏事故发生。但是，铋(Bi)元素对人体伤害巨大，其使用是受到严格控制，一般不在有色金属行业使用。

因此，本发明主要解决的问题是通过对圆柱或者扁形复合锭的工艺流程设计和装备结构设计，实现安全、可靠的半连续铸造铝锂合金复合锭。例如，用2039铝铜合金包覆2099铝锂合金，避免2099铝锂合金直接与水接触，从而有效地抑制拉漏现象的发生，铸造2039/2099的复合锭，就像7075铝合金表面包覆1000系列铝合金防止腐蚀，通过后续加工实现整体性能的提高。在以往铝锂合金完全裸露于含氧、水分的环境中时，热轧过程需要特殊的润滑剂和具有加热功能的可逆式轧机，热处理过程需要控制环境气氛。然而，对于铝锂合金包覆在内部的复合锭的加工过程不需要特殊的保护措施，极大地降低了成本。另外，由于铸造过程采用先凝固外部烧杯状的壳体，然后在氩气保护气氛下注入铝锂合金溶液，壳体外部采用多级冷却水激冷，有效地降低了铝锂合金热裂倾向，提高了铸造的成品率。

为了解决铝锂合金铸造的安全性、可靠性，1986年美国凯撒铝业专利4567936介绍了通过外层铸造不含锂的铝合金，内芯铸造含锂铝合金的复合锭的方法。其中，更高的固相线温度的外层，被首先凝固成一个烧杯结构，然后浇铸更低固相线的内芯铝锂合金。该发明专利强调，更低的固相线温度的铝锂合金在浇铸之前外层必须是完全凝固的坚固外壳。该发明缺陷在于没有考虑内芯铸造过程中的氩气保护与密封装置，另外内部铝锂合金液位基本与外壁合金液位持平，务必造成固液混合区域过大，容易出现烧穿外壳、漏液的情况。

1952年德国专利844806发明了铸造层状结构的模型，内芯比外壁提前铸造，并完全凝固之后浇铸外层合金。1967年美国专利3353934发明了一种铸造系统，其中内隔室设在型腔中，以便基本上分隔不同合金成分的区域。隔板端部涉及成可停止在凝固部分的“糊状区”，在该区域，合金在隔板端部之下自由地混合，以形成层之间的结合。然而，这种方法铸造的合金成分不可控，所以所谓的隔板只是一个阻拦流动的挡板，对真正固液两相区的合金成分并没有控制。1995年德国专利DE4420697发明了铸造系统，同样是采用内隔板，允许底层固液两相混合，从而形成在界面上的连续浓度梯度。1965年英国专利GB1174764中，提供了可移动式隔板，以分开共用的铸造槽，允许不同金属的铸造，但是，仍然未能解决两种合金相互混合的问题。2003年美国专利WO2003/035305发明了一个铸造系统，在两种不同的合金层之间采用薄片材形式的屏障材料。薄片材熔点高于两种合金的初始温度，使得它可以完全隔离两种合金获得复合结构。但是，这种方法成本高，而且实施困难。1989年美国专利4828015发明了一种单个模型的铸造两种液态合金的方法，通过磁场在液态区形成的隔室，供给两个区来实现，供给该区上部的合金在供给下部的合金周围凝固，从而形成复合结构。美国专利391196发明了外柔壁结构以便调节铸锭的模型，5947184专利发明了允许许多形状控制的复合锭，4498521专利发明了金属液面控制系统，采用位于金属表面上的浮漂来控制金属液面，实现反馈，5526870专利使用遥控雷达探测金属液面自动控制液位，6260602专利发明了具有可变锥形壁的铸锭外形。

近两年，随着空中客车公司和SpaceX等公司大量使用第三代铝锂合金，多家铝合金公司建造新的铝锂合金铸造生产线以满足市场对该新材料的需求。成熟的第三代铝锂合金牌号已经很广泛，复合锭的铸造工艺的发明，不仅避免拉漏和爆炸事故的发生，降低风险，而且能够提高产品质量。

因此，本发明的一个目的是安全、可靠、一致地生产不含锂铝合金和含锂铝合金的复合铸锭，不含锂铝合金作为外层包覆含锂铝合金的圆锭或扁锭，两种合金之间存在冶金结合。

本发明的另外一个目的是提供铸造复合锭的工艺方法，提供金属液从不同位置的来流槽注入里外两层，按照次序凝固形成包覆结构的冶金方法。

本发明的另外一个目的是提供用于隔离两种合金，氩气保护铸造，防止铝锂合金氧化的控制方法与设备结构。

本发明另外一个目的是提供液位控制的雷达监测方法，高温下金属液位自动调节的设备结构与控制方法。

本发明另外一个目的是提供防止拉漏事故发生的铸造方法，避免高温下铝锂合金熔液与水接触的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一套包含锂元素的铝合金圆锭和扁锭的整个熔铸工艺流程与控制方法，有效地控制高温液态金属冷却，凝固成可供轧制或者挤压的铸锭。该方法包括：

1.供料口分为内部和外部两个，且内外两个完全隔离，分别来自不含锂的铝合金供料室和含锂的铝合金供料室，通过自动控制系统调节流量和温度，实现来料供给按照工艺制度进行。

2.出料口采用液压支柱，将凝固之后的扁锭或圆锭自上而下抽拉出结晶器，形成直立的复合铸锭。

3.复合锭外层冷却系统，由结晶器和多次激冷系统组成，包括一套普通2000、7000系列铝合金通常使用的结晶器，以及多次激冷的喷淋水冷系统，该水冷系统提供除结晶器热传导之外的二次、三次、四次等多级对流换热。

4.复合锭内层配备独立的冷却系统，由纯铝或纯铜加工而成的烧杯盖式结构，外部附着石墨外壳，内部采用循环水冷保持内壁温度不高于100摄氏度。

5.氩气通过烧杯盖式内部冷却槽，冷却之后，吹扫至外层合金的内壁提供二次冷却效果，冷却保护性气氛通过在内部空腔循环回收至烧杯盖中。

6.本发明的工艺实施中，首先在外层注入不含锂的液态金属原料，通过底座、外部水冷结晶器和内部盖式结晶器与氩气的吹扫冷却，形成烧杯状外壳。

7.本发明的工艺实施中，采用液压支柱将凝固的外壳自上向下，抽拉出结晶器，并进行喷射冷却水的二次、三次、四次等多级冷却，形成坚固的自支撑外壳。

8.本发明的工艺实施中，不含锂的合金形成的外壳达到一定高度和强度之后，内部从中心注入含锂的液态金属，并通过分配槽导流至边缘，与外壳的内壁接触，实现热量的释放，从边缘到中心凝固。

9.本发明的工艺实施中，两种原料注入量，与液压支柱相下的抽拉速率相匹配，通过红外或者雷达液位控制系统，实现稳定的液面位置。

10.本发明的工艺实施中，两种金属界面之间存在冶金结合，由于含锂的液态金属加热固态外壳的内壁，存在一定的内壁重熔，但是外壁接受的冷却水的喷射激冷带走热量速率远远大于内壁加热的速率，足够控制烧穿和漏液现象的发生。

11.本发明的工艺实施中，含锂铝合金的固相线低于外壳不含锂铝合金的固相线，不含锂铝合金的液相线高于含锂铝合金的液相象，不含锂铝合金外壳温度始终控制在含锂铝合金固相线以下。

12.本发明的工艺实施中，不含锂的铝合金外壳的强度具备自支撑烧杯状结构，而且不发生裂纹等缺陷。

13.在优选的方案中，不含锂的铝合金外壳的铸造有2个以上的供料口，确保液面的稳定、温度的均匀。

14.在优选的方案中，内部冷却装置形成的氩气吹扫压力接近大气压，吹扫至筒式内壁，高于内部含锂铝合金液面以上。

15.复合锭的截面形状可以是圆形或矩形，上述原理均适用，特征在于外壁不含锂的铝合金形成自支撑的烧杯状结构，烧杯结构内部采用石墨与纯铝的封闭活塞结构，该结构配有循环水冷装置保持恒温，随着新形成的铝合金壁完全凝固并具备自支撑能力，活塞结构开始上升，并从活塞顶部靠近内壁位置注入氩气，氩气充满整个内部空腔，氩气将铝锂合金与大气隔离。

16.含锂的液态铝合金必须在烧杯高度达到设定值后才开始注入，一般为圆锭半径大小或者扁锭厚度大小以上，在氩气保护的气氛下，从中心喷嘴经过导流管输送到四周壳体的内壁，在热传导冷却条件下凝固，铝锂合金液面维持在设定值，液压装置牵引下引锭头开始下降，输送导流管随着重力，开始倾斜，最终形成锥形结构位于液面以下10～50毫米。

17.铸造结束之后，首先停止液态铝锂合金的供应，然后停止外部不含锂的铝合金液供给，然后停止液压系统下降，并持续吹扫氩气、喷射冷却水，直至复合锭完全凝固。

附图说明

图1为本发明铝锂合金复合板熔铸工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。

实施例1

铸造结束之后，首先停止液态铝锂合金的供应，然后停止外部不含锂的铝合金液供给，然后停止液压系统下降，并持续吹扫氩气、喷射冷却水，直至复合锭完全凝固。

本发明的方法对于第三代及新一代铝锂合金铸造尤为适用，可用于制备2XXX、5XXX、7XXX和8XXX系列铝合金，例如但不局限于AA2050、AA2060、AA2090、AA2099、AA2097、AA2195、AA2197、AA2198、AA8090、5A90等合金。

本发明不局限于上述实施方式，适用于直接激冷铸造、水平连铸、薄带连铸等各种铸造工艺，无论铸造形式如何变化，锂的添加方法和控制策略不变，在所附权利要求所限定的本发明范围内广泛适用。

Claims

1.用于铸造包含锂元素的铝合金圆锭或者扁锭的工艺流程设计和设备结构设计：

铝锂合金复合锭，包括外层不含锂的铝合金和内芯严格控制铝锂合金成份的铸锭，其中外层不含锂的铝合金呈现烧杯结构与内芯含锂铝合金存在冶金结合，其特征在于内芯铝锂合金与外部冷却水以及空气完全隔离，不存在氧化。

2.根据权利要求1所述的复合铸锭，其特征在于，引锭头与首先凝固的不含锂铝合金构成坚固而且密封的烧杯结构，完全隔离铝锂合金与外界环境的接触。

3.根据权利要求1所述的复合铸锭，其特征在于，铝锂合金在氩气保护气氛下凝固，热量通过不含锂的铝合金形成的烧杯状外壁带走，凝固过程中两种合金结合界面，存在厚度可控的固液两相区，随着外部冷却水的激冷，两种合金形成结合紧密的相邻层。

4.根据权利要求1所述的复合锭，其特征在于，不含锂的铝合金以铝铜镁合金为主，含锂铝合金以铝铜镁锂合金为主。

5.根据权利要求1所述的复合锭，其特征在于，该复合圆锭经挤压、扁锭经热轧和冷轧、以及热处理后可以加工成抗疲劳、耐腐蚀的飞机、火箭承重结构件产品。

6.根据权利要求1所述的复合锭，其特征在于，该复合锭经过加工去皮之后可以制备内部无氧化缺陷、表面质量优异铝锂合金圆棒或扁锭产品。