CN111424196B - 一种民机用大规格7系铝合金铸锭及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种民机用大规格7系铝合金铸锭及其制备方法，属于铝合金制造领域，铝合金铸锭中各物质的质量百分比为：Si含量低于0.08%，Fe含量低于0.10%，Cu含量2.1%‑2.4%，Mg含量2.0%‑2.2%，Mn含量低于0.05%，Cr含量低于0.02%，Zn含量7.8%‑8.2%，其它杂质元素含量低于0.15%，余量为Al。本发明采用三级除气五级除渣熔体纯净化技术、细化剂精准添加高效利用技术、铸造温度精准控制技术，解决了熔体纯净化、晶粒粗化、成分偏析及铸造开裂等一系列技术问题，全面提升了大规格7系铸锭的各项质量指标，生产出满足民机用机翼下长桁生产和装机需求的大规格高品质7系铝合金铸锭，填补了国内空白。

Description

一种民机用大规格7系铝合金铸锭及其制备方法

技术领域

本发明属于民机用铝合金制备领域，具体涉及一种民机用大规格7系铝合金铸锭及其制备方法。

背景技术

航空制造业水平是国家实力的重要标志，自1970年我国启动首架大型民用飞机研制项目以来，我国航空制造业取得了明显进步，特别是近十余年来，随着我国经济和民航工业的快速发展，航空运输产业展现出了巨大的市场需求，研制具有自主知识产权的商用飞机作为国家目标之一被提上日程，相继启动了ARJ21新支线飞机和大型客机C919研制项目，ARJ21飞机于2016年正式投入航线运营，我国自主研制的大型喷气式客机C919也于2017年5月5日在上海浦东国际机场实现完美首飞，表明我们国家航空制造业又向前迈进了一大步。在未来20年，全球商用飞机交付量将达4万多架，总价值将达6万亿美元，其中我国新机交付量将达9000多架，占全球的22％。中国的民机之路将迎来快速发展期和广阔的市场良机。

航空用关键材料与构件是飞机制造中的关键之一，但我国民机制造业在相关构件材料研发上仍相对落后，民机用航空铝合金材料绝大多数需要进口，而技术含量更高的航空铝合金型材则完全依赖进口。民机的机翼上长桁，一般选用具有高强高韧、高耐蚀、高损伤容限与高疲劳寿命的7系超高强铝合金型材制造，常用牌号及状态包括有：7055-T76511、7150-T6511等。其中7055铝合金是美国铝业公司研发的一种超高强7系铝合金，具有高强度、高断裂韧性、良好耐蚀性等诸多优点，被广泛应用于制造机翼上长桁、机翼翼肋、机身纵梁等关键结构件，在Boeing 777与A380客机上都被大量应用，被业界称为“王牌合金”，也被C919选做机翼上长桁的制造材料，但目前仍依赖进口。

7系铝合金是一种可热处理强化的铝合金，通常包括Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu两个系列，典型的合金牌号包括7050、7150、7075、7055等。Al-Zn-Mg-Cu铝合金具有高强度、高损伤容限、高耐蚀性、高疲劳寿命等优点，被广泛应用于航空航天领域。

7系航空铝合金的合金含量较高，总合金含量普遍超过10％，在铸造过程中存在很高的偏析倾向，且凝固时热应力非常大，容易产生热裂纹，对整个熔铸装置和工艺提出了非常高的要求。用于民机机翼长桁生产的7系铸锭，直径可达600～700mm，为了保证结构件满足高强高韧、高损伤容限、高疲劳寿命等性能指标，既要大幅降低Fe、Si元素含量，还要严格控制成分偏析、氢含量与渣含量及晶粒尺寸。生产大断面型材对铸锭大直径的要求，会增大液穴深度，显著提高了成分偏析和晶粒尺寸的控制难度，增大了铸锭铸造开裂的风险。Fe、Si元素含量的降低，既容易造成铸锭晶粒粗化，又会进一步提高铸造成型难度。铸锭氢含量和渣含量的控制也一直是铝合金熔铸的难题。现有技术都是针对铸锭的一项或几项指标进行性能改进，未针对民机用大规格高品质圆铸锭进行设备配置的系统设计和工艺过程的系统优化，也未能实现铸锭性能的全面提升。

目前，针对7系铝合金铸锭的制备，部分企业和科研院校作出了相应的技术改进。西南铝业有限责任公司于2014年在CN 104532043 A中公开了一种7系铝合金铸锭的制备方法。通过采用纯铝熔体铺底、铸造工艺优化等手段，显著提高了铸造成型率，成型率达到85％以上，但采用纯铝熔体铺底会明显降低生产效率和成品率。通过除气工艺优化，氢含量可达0.15ml/100gAl以下，仍不能满足民机结构件生产的使用要求。

辽宁忠旺集团有限公司2015年于CN 104561704 A中公开了大尺寸7055铝合金圆铸锭生产工艺。通过在铸造过程中采用阶梯式铸造，即铸造过程中调整铸造速度和水流量，并采用刮水板，实现了超过500mm直径7系圆铸锭的生产。但该发明只涉及成型率和偏析层厚度的改善，未给出晶粒尺寸、成分宏观偏析、氢含量、渣含量等相关参数，也未见工业化生产的报道。

东北大学2016年在专利CN 105234363 A中公开了一种抑制铝合金铸锭成分偏析的半连续装置及方法。通过将感应线圈集成至结晶器内部，采用电磁场对熔池进行搅拌，显著降低了铸锭的偏析程度。铸造750mm铸锭时，可将Cu元素成分起伏控制在0.23％内，Mg元素的成分起伏控制在0.24％内，Zn元素成分起伏控制在0.37％内。但未涉及晶粒尺寸、氢含量、渣含量等具体参数，也未见工业化生产的报道。

上海交通大学2018年在专利CN 108788102 A中公开了增材法快速凝固全等轴晶铝合金铸锭的制备方法及装置。通过采用增材制造的方式，绕开半连续铸造的各种技术难题，制备出全等轴晶组织、无宏观偏析的铝合金的铸锭。但制备的铸锭尺寸较小，也未见工业化生产的报道。

现有技术中的半连续铸造技术都是通过某项装备与工艺的改进，来改善铸锭的某项或某几项指标，难以实现7系铝合金铸锭规格尺寸与各项质量指标的全方面提升，也难以实现民机用大规格7系铝合金的工业化生产。此外，为了规避大规格7系圆铸锭生产的技术难点，一些现有技术直接采用增材制造或喷射沉积进行铸锭的生产，但生产效率及铸锭尺寸均难以得到保证。

究其原因，一方面是因为国内民机工业起步较晚，没有催生出航空重型材与大规格铸锭的使用需求，现有技术生产线的建立都不是以满足民机航空型材生产作为主要目的，设备配置不够齐全，工艺过程控制要求偏低。另一方面因为民机用大规格7系圆铸锭主要用于生产机翼长桁、机身纵梁、翼肋等重型航空型材，技术指标要求高，生产难度大，其本身就是一个国际难题。民机用大规格7系圆铸锭的生产技术目前仍掌握在美铝、肯联等国外极少数几个铝合金巨头手中。民机用大规格7系圆铸锭的制备和生产难度体现在以下两个方面：

首先，民机用7系圆铸锭尺寸大，民机用大断面型材的挤压生产需要的圆铸锭直径高达600mm-700mm。适用的7系航空铝合金的合金元素含量普遍超过10％，其中Zn、Mg、Cu元素都是容易引起铸造开裂的元素，铸造过程中发生开裂的风险非常高，航空用7系圆铸锭对Fe、Si等杂质元素的含量具有严格的控制要求，这也进一步提高了铸锭成型的开裂风险。大规格铸锭铸造过程中的液穴更深，凝固过程中产生的内应力更大，非常容易发生铸造开裂。

其次，民机用铝合金铸锭需要同时满足低成分偏析、细晶粒、高纯净化的要求。Zn、Mg、Cu元素都是高偏析元素，7系铝合金在铸造过程中必然产生成分偏析，减低铸造偏析的难度本身就很大，而铸锭规格的增大又进一步增大的成分偏析控制的难度。受半连续铸造的冷却条件控制，铸锭晶粒尺寸从边部到芯部越来越大，大规格铸锭芯部的冷却速度非常慢，极易造成芯部晶粒粗化，难以满足航空用铝合金一级粒度的使用要求。基于现有技术工业化生产的航空7系铝合金圆锭的尺寸都偏小，通过铸造参数优化与细化剂添加工艺的优化，一定程度地解决了成分偏析和晶粒细化的问题。但大规格铸锭的成分偏析和晶粒细化的综合控制技术仍未见相关报道。航空铝合金铸锭的高纯净化要求对铝合金熔体进行多级严格净化，严控熔体中的氢含量和渣含量，但现有技术报道中关于7系航空铝合金氢含量的控制水平一般处于≤0.15ml/100gAl，仍无法满足民机用铝合金铸锭氢含量控制的要求，同时目前在7系铝合金铸锭的铸造中也未见对渣含量进行在线测试。

由于存在上述问题和原因，导致目前无法生产出符合民机使用标准的7系铝合金铸锭。

发明内容

本发明提供一种民机用大规格7系铝合金铸锭及其制备方法，用以解决现有技术中存在的问题和缺陷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种民机用大规格7系铝合金铸锭，铝合金铸锭中各物质的质量百分比为：Si含量低于0.08％，Fe含量低于0.10％，Cu含量2.1％-2.4％，Mg含量2.0％-2.2％，Mn含量低于0.05％，Cr含量低于0.02％，Zn含量7.8％-8.2％，其它杂质元素含量低于0.15％，余量为Al。

一种民机用大规格7系铝合金铸锭的铸造方法，包括如下步骤：

步骤一：根据铝合金铸锭中各物质的质量百分比，考虑合金熔炼过程中的烧损及废料中合金成分及含量，按照投料量，计算出铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金的重量，最后根据计算结果，称量各种原料；铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金需提前分割成小块再进行称量。

步骤二：将充分干燥的铝锭投入熔炼炉，熔化过程中控制炉膛温度为950～1050℃；待铝锭全部熔化后，使用电磁搅拌设备搅拌25～35min。熔体温度达到700℃后，开始进行合金化，熔体温度起伏范围控制在700～750℃，分批加入铜板及各种中间合金，每批合金添加时间间隔为20min，每次添加重量不超过800kg，并采用电磁搅拌器进行持续搅拌，合金化过程中，在每次投料前，均采用扒渣车扒净熔体表面的浮渣。

步骤三：待全部原料投入熔炼炉且完全熔化后，将熔体由熔炼炉转入静置炉，进行第一次精炼，静置炉的炉膛温度为850℃，熔体从熔炼炉向静置炉转移时的熔体温度控制在725-745℃，采用旋转通气装置进行精炼，其转子转速为280-380RPM，并通入氩气与氯气混合气体，氩气流量为200-240slpm，氯气流量为5-15slpm，在精炼过程及时清理浮出熔体的浮渣，每次精炼时间控制在30min，通过在固定位置取样进行化学成分分析，对熔体合金成分进行精准调控。

步骤四：将在静置炉完成第一次精炼的熔体送入两级双转子除气箱进行第二次精炼，两级双转子除气箱温度控制在725-735℃，熔体从静置炉向两级双转子除气箱转移时的温度控制在700-720℃，并在两级双转子除气箱内加入细化剂。

步骤五：将经过两级双转子除气箱进行除气除渣的熔体送入双层过滤箱中进行过滤，第一级过滤板孔隙率选择30ppi进行第四次除渣，第二级过滤板孔隙率选择50ppi进行第五次除渣，每次起铸时，提前40min利用天然气燃烧喷枪的火焰对过滤板及整套流槽进行均匀预热，但加热时间不超过2h。

步骤六：将经过双层过滤箱过滤的熔体送入铸造机进行铸造，起始铸造速度为15-25mm/min，水流量24-28m³/h·根，同时启用结晶器自动润滑系统；当铸造长度达到100mm时，铸将造速度调整为35-40mm/min，水流量调整为40-45m³/h·根，并保持匀速铸造；当铸锭长度超过550mm后，将铸造速度调整为15-25mm/min，水流量调整为25-30m³/h·根。

步骤七：将铸造机铸造完成的铸锭立即送入均匀化炉中进行均匀化处理，按照不同合金配比所预设定的均匀化工艺进行均匀化退火处理，防止铸锭在残余应力释放过程中发生裂纹。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述步骤一中锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金的重量需提前分割成小块，便于在合金化过程中添加，能够快速完成合金化过程。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述熔体在由熔炼炉转静置炉的流槽内进行氢含量测试。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述步骤三中熔体精炼120min后，因故不能及时铸造的，需要重新精炼5min，并视实际情况进行扒渣，当静置炉熔体停留时间超过6h时，熔体即报废。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述步骤四中两级双转子除气箱用转子旋转除气装置，第一级转子除气装置通入氩气与氯气混合气体进行第二次除气和除渣时，单转子氩气流量为5-7m³/h，单转子氯气流量为0.02-0.5m³/h；第二级转子除气装置通入氩气进行第三次除气和除渣时，其单转子氩气流量为5-7m³/h。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述步骤四的细化剂采用Al-5Ti-1B细化丝，所述Al-5Ti-1B细化丝添加量为1.5-2.5kg/t，所述Al-5Ti-1B细化丝添加位置为第一级转子除气装置与第二级转子除气装置中间的流槽中心位置，且分别在第一级转子除气装置与第二级转子除气装置的前端和后端进行氢含量测试。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述步骤五中双层过滤箱在每炉铸造完成后，对过滤板进行更换，并对过滤装置进行仔细清理，熔体渣含量的测试位置为第二级过滤后流槽内，检测目标为尺寸大于20μm的渣的数量，单位为PCS/kg，即每公斤多少个。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述步骤六中铸造机在铸造过程中采用刮水板控制整个铸锭的冷却速度，通过铸锭的自退火，消除部分热应力，避免产生铸造裂纹，且刮水板位置越靠近结晶器，铸锭的退火效应越强，越不容易产生铸造裂纹，但会给铸锭的显微组织带来一些不利影响，根据反复试验得出当刮水板放置位置与结晶器之间的距离为120-190mm时，能够在确保避免铸造裂纹的产生同时，确保不会对铸锭的显微组织带来不利影响。

如上所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的制备方法，所述步骤六的铸造机的铸造流盘的温度为660-680℃。

本发明的优点是：

1、本发明所制备的7系铝合金铸锭在铸造时不易开裂，提高了7系铝合金铸锭的成品率，且制备过程对氢含量和渣含量进行监控，从而确保生产出的7系铝合金铸锭符合民机机翼下长桁所需7系铝合金型材的制备需求。本发明在铸造过程中采用三级除气五级除渣熔体纯净化技术、细化剂精准添加高效利用技术、铸造温度精准控制技术，解决了熔体纯净化、晶粒粗化、成分偏析及铸造开裂等一系列技术问题。本发明采用细化剂精准添加高效利用技术，显著提高细化剂的使用效率，既细化了铸锭晶粒尺寸，又避免了过多未利用的细化剂颗粒团聚形成夹渣；通过采用铸造温度精准控制技术，合理控制液穴深度，解决了成分偏析控制和铸锭芯部晶粒细化难题；通过采用三级除气五级除渣熔体纯净化技术，显著降低了熔体中的氢含量与渣含量；在采用热顶铸造和刮水自退火装置的基础上，通过上述三个技术的联合使用，同时解决了民机用大规格7系生产过程中的熔体纯净化难题、晶粒细化难题、成分偏析问题、铸造开裂问题，生产出晶粒细小、低偏析、氢与渣含量极低的铸锭，同时又可保证90％以上的成型率，实现了民机用大规格7系圆铸锭的工业化生产。

2、本发明先后在静置炉、两级除气箱中，共进行了三次除气，显著降低了熔体中氢含量；先后在静置炉、两级除气箱、双级过滤箱中进行了五次除渣，显著降低了熔体中的渣含量。三级除气五级除渣熔体纯净化技术显著降低了熔体的氢含量和渣含量，即保障了铸锭品质，又降低了铸锭开裂风险。而现有技术，都是针对精炼、除气、过滤中一个或两个过程进行改进，只着眼于降低熔体的氢含量，没有关注熔体中的渣含量，也没有对整个过程的熔体净化装置进行系统设计和工艺优化，因而未能系统降低熔体的氢含量和渣含量。

3、由于细化剂添加后需要均匀分散到熔体中，且仅在一定时间范围内，才具有良好的晶粒细化效果，为此，本发明结合铸锭尺寸和常用铸造速度，缩短了除气箱后的流槽长度，也就缩短了细化剂添加熔体进入液穴的时间，另外将细化剂添加位置调整至两级双转子除气箱之间，通过2#除气箱内的搅拌作用，使细化剂的形核质点均匀分散于熔体中，增强了细化剂的使用效果。而现有技术中，有的在静置炉后添加细化剂，然后经过除气箱、过滤箱及较长的流槽，容易错过细化剂的最佳作用时间；有的在除气箱和过滤箱之间添加，使得未完全分散的细化剂形核质点易发生团聚，堵塞过滤板，进而弱化细化效果；有的则在过滤箱后添加细化剂，因此时熔体温度较低，细化剂形核质点易团聚，既弱化了细化效果，又会提高熔体渣含量，进而降低铸锭品质。

4、本发明考在除气箱、过滤器及各级流槽中均预设有加热保温和温度测量装置，实现了铸造过程中熔体温度的精准控制，能在除气箱和过滤箱中使熔体保持较高的温度，既提高熔体的流动性，又利于细化剂的快速分散；能够降低流盘熔体温度，降低铸造液穴深度，控制铸锭偏析程度，并细化晶粒尺寸。而现有技术由于没有考虑铸造过程的整个温度控制，尚不能实现熔体在除气箱、过滤箱及流槽中的温度管理。

5、本发明通过细化剂精准添加高效利用技术的应用，显著提高细化剂的使用效率，既细化了铸锭晶粒尺寸，又避免未利用的细化剂颗粒团聚形成夹渣；通过铸造温度精准控制技术的应用，合理控制液穴深度，解决了成分偏析控制和铸锭芯部晶粒细化难题；通过三级除气五级除渣熔体纯净化技术的应用，极大降低了熔体中的氢含量与渣含量；在采用热顶铸造和刮水自退火装置的基础上，联合使用上述三个技术显著提高了铸锭的成型率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明实施例1生产的铸锭照片。

图3是本发明实施例1生产的铸锭进行低倍检查晶粒度评级的照片，其中图3(a)是GB/T 3246.2标准中一级晶粒度的照片，图3(b)是本发明实施例1生产的铸锭的实际试样组织照片。

图4是采用本发明技术生产的铸锭挤压成形的民机机翼上长桁型材。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

步骤一：根据铝合金铸锭中各物质的质量百分比，并考虑到合金熔炼过程中的烧损及废料中合金成分及含量，根据投料量，计算出铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金的重量，并根据计算所得结果，称量各种原料，其中铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金需提前分割成小块再进行称量。

步骤二：将充分干燥的铝锭投入熔炼炉，熔化过程中控制炉膛温度为1050℃；待铝锭全部熔化后，使用电磁搅拌设备搅拌25min。熔体温度达到700℃后，开始进行合金化，熔体温度起伏范围控制在700～750℃，分批加入铜板及各种中间合金，每批合金添加时间间隔为20min，每次添加重量不超过800kg，并采用电磁搅拌器进行持续搅拌，合金化过程中，在每次投料前，均采用扒渣车扒净熔体表面的浮渣。

步骤三：待全部原料投入熔炼炉且完全熔化后，将熔体由熔炼炉转入静置炉进行第一次精炼，静置炉的炉膛温度为850℃，熔体由熔炼炉转到静置炉的流槽中氢含量平均测试结果为0.5632ml/100gAl，熔体经过流槽的温度控制在725-745℃，熔体转入静置炉后，马上进行熔体表面扒渣，静置炉采用旋转通气装置进行精炼，旋转通气装置的转子转速为380RPM，并通入氩气与氯气混合气体，氩气流量为240slpm，氯气流量为15slpm，在精炼过程及时清理浮出熔体的浮渣，精炼30min，并视实际情况进行扒渣。

步骤四：将在静置炉内完成第一次精炼的熔体送入两级双转子除气箱进行第二次精炼，熔体转移前的静置炉的温度调整至700℃，两级双转子除气箱温度调整为725℃，熔体从静置炉向两级双转子除气箱转移时的熔体温度控制在700-720℃，两级双转子除气箱前流槽氢含量平均测试结果为0.2135ml/100gAl，两级双转子除气箱采用转子旋转除气装置，其中第一级转子除气装置通入氩气与氯气混合气体进行第二次除气和除渣，单转子氩气流量为7m³/h，单转子氯气流量为0.05m³/h；第二级转子除气装置通入氩气进行第三次除气和除渣，单转子流量为7m³/h，在第一级转子除气装置与第二级转子除气装置中间的流槽中心位置加入Al-5Ti-1B细化丝，所述Al-5Ti-1B细化丝添加量为2.5kg/t。

步骤五：将经过两级双转子除气箱进行第二次精炼的除气除渣后的熔体送入双层过滤箱中进行过滤，第一级过滤板孔隙率选择30ppi进行第四次除渣，第二级过滤板孔隙率选择50ppi进行第五次除渣，在每次起铸时，提前40min利用天然气燃烧喷枪的火焰对过滤板及整套流槽进行均匀预热，但加热时间不允许超过2h。

步骤六：将经过双层过滤箱过滤的熔体送入600mm直径结晶器的铸造机进行铸造，起始铸造速度为15mm/min，水流量24m³/h·根，同时启用结晶器自动润滑系统；当待铸造长度达到100mm时，铸造速度调整为35mm/min，水流量调整为40m³/h·根，并保持匀速铸造；铸锭长度超过550mm时，铸造速度调整为15mm/min，水流量调整为25m³/h·根，铸造过程中刮水板位置与结晶器的距离为120mm，铸造过程中，通过流槽的温度管理，铸造流盘温度控制在660℃。

步骤七：将铸造机铸造完成的铸锭立即送入均匀化炉中进行均匀化处理，以防止铸锭在残余应力释放过程中产生裂纹。

本实施例所设计的方法经过多个批次验证，其铸锭成型率达100％，在线测氢结果的平均值为0.0887ml/100gAl，直径大于20μm冶金渣平均含量为7458PCS/kg，Cu元素成分起伏控制在0.24％内，Mg元素的成分起伏控制在0.23％内，Zn元素成分起伏控制在0.38％内，铸锭晶粒度一级。

实施例2

步骤一：根据铝合金铸锭中各物质的质量百分比，并考虑到合金熔炼过程中的烧损及废料中合金成分及含量，根据投料量，计算出铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金的重量，并根据计算结果，称量各种原料，其中铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金需提前分割成小块再进行称量。

步骤二：将充分干燥的铝锭投入熔炼炉，熔化过程中控制炉膛温度为950℃；待铝锭全部熔化后，使用电磁搅拌设备搅拌35min。熔体温度达到700℃后，开始进行合金化，熔体温度起伏范围控制在700～750℃，分批加入铜板及各种中间合金，每批合金添加时间间隔为20min，每次添加重量不超过800kg，并采用电磁搅拌器进行持续搅拌，合金化过程中，在每次投料前，均采用扒渣车扒净熔体表面的浮渣。

步骤三：待全部原料投入熔炼炉且完全熔化后，将熔体由熔炼炉转入静置炉进行第一次精炼，静置炉的炉膛温度为850℃，熔体由熔炼炉转到静置炉的流槽中氢含量平均测试结果为0.5138ml/100gAl，熔体经过流槽的温度控制在725-745℃，熔体转入静置炉后，马上进行熔体表面扒渣，静置炉采用旋转通气装置进行精炼，其中旋转通气装置的转子转速为280RPM，并通入氩气与氯气混合气体，氩气流量为200slpm，氯气流量为5slpm，在精炼过程中及时清理浮出熔体的浮渣，精炼时间30min，并视实际情况进行扒渣。

步骤四：将在静置炉完成第一次精炼的熔体送入两级双转子除气箱进行第二次精炼，将熔体转移前的，静置炉的温度调整至720℃，两级双转子除气箱温度调整为735℃，将熔体从静置炉向两级双转子除气箱转移时的熔体温度控制在700-720℃，两级双转子除气箱前流槽氢含量平均测试结果为0.2154ml/100gAl，两级双转子除气箱采用转子旋转除气装置，其中第一级转子除气装置通入氩气与氯气混合气体进行第二次除气和除渣，单转子氩气流量为5m³/h，单转子氯气流量为0.02m³/h；第二级转子除气装置通入氩气进行第三次除气和除渣，单转子流量为5m³/h，在第一级转子除气装置与第二级转子除气装置中间的流槽中心位置加入Al-5Ti-1B细化丝，所述Al-5Ti-1B细化丝添加量为2.5kg/t。

步骤五：将经过两级双转子除气箱进行第二次精炼的除气除渣后的熔体送入双层过滤箱中进行过滤，第一级过滤板孔隙率选择30ppi进行第四次除渣，第二级过滤板孔隙率选择50ppi进行第五次除渣，在每次起铸时，提前40min利用天然气燃烧喷枪的火焰对过滤板及整套流槽进行均匀预热，但加热时间不允许超过2h。

步骤六：将经过双层过滤箱过滤的熔体送入600mm直径结晶器的铸造机进行铸造，起始铸造速度为125mm/min，水流量28m³/h·根，同时启用结晶器自动润滑系统；当铸造长度达到100mm时，将铸造速度调整为40mm/min，水流量调整为45m³/h·根，保并持匀速铸造；当铸锭长度超过550mm时，将铸造速度调整为25mm/min，水流量调整为30m³/h·根，铸造过程中刮水板位置距离结晶器为180mm，铸造过程中，通过流槽的温度管理，将铸造流盘温度控制在680℃。

步骤七：将铸造机铸造完成的铸锭立即送入均匀化炉中进行均匀化处理，以防止铸锭在残余应力释放过程中产生裂纹。

本实施例所涉及方法经过多个批次验证，其铸锭成型率达90％，在线测氢结果的平均值为0.0869ml/100gAl，直径大于20μm冶金渣平均含量为7831PCS/kg，Cu元素成分起伏控制在0.27％内，Mg元素的成分起伏控制在0.25％内，Zn元素成分起伏控制在0.39％内，铸锭晶粒度一级。

实施例3

步骤一：根据铝合金铸锭中各物质的质量百分比，并考虑到合金熔炼过程中的烧损及废料中合金成分及含量，根据投料量，计算出铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金的重量，并根据计算所得结果，称量各种原料，其中铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金需提前分割成小块再进行称量；

步骤二：将充分干燥的铝锭投入熔炼炉，在熔化过程中控制炉膛温度为1000℃；待铝锭全部熔化后，使用电磁搅拌设备搅拌30min。当熔体温度达到700℃后，开始进行合金化，熔体温度起伏范围控制在700～750℃，分批加入铜板及各种中间合金，每批合金添加时间间隔为20min，每次添加重量不超过800kg，并采用电磁搅拌器进行持续搅拌，在合金化过程中，在每次投料前，均采用扒渣车扒净熔体表面的浮渣。

步骤三：待全部原料投入熔炼炉且完全熔化后，将熔体由熔炼炉转入静置炉进行第一次精炼，静置炉的炉膛温度为850℃，熔体由熔炼炉转到静置炉的流槽中氢含量平均测试结果为0.5136ml/100gAl，熔体经过流槽的温度控制在725-745℃，熔体转入静置炉后，马上进行熔体表面扒渣，静置炉采用旋转通气装置进行精炼，旋转通气装置的转子转速为380RPM，并通入氩气与氯气混合气体，其中氩气流量为240slpm，氯气流量为15slpm，在精炼过程中及时清理浮出熔体的浮渣，精炼30min，并视实际情况进行扒渣；

步骤四：将在静置炉完成第一次精炼的熔体送入两级双转子除气箱进行第二次精炼，熔体转移前，将静置炉的温度调整至720℃，两级双转子除气箱温度调整为735℃，熔体从静置炉向两级双转子除气箱转移时的温度控制在700-720℃，两级双转子除气箱前流槽氢含量平均测试结果为0.2458ml/100gAl，两级双转子除气箱采用转子旋转除气装置，第一级转子除气装置通入氩气与氯气混合气体进行第二次除气和除渣，单转子氩气流量为7m³/h，单转子氯气流量为0.05m³/h；第二级转子除气装置通入氩气进行第三次除气和除渣，单转子流量为7m³/h，在第一级转子除气装置与第二级转子除气装置中间的流槽中心位置加入Al-5Ti-1B细化丝，所述Al-5Ti-1B细化丝添加量为1.5kg/t。

步骤五：将经过两级双转子除气箱进行第二次精炼的除气除渣后的熔体送入双层过滤箱中进行过滤，第一级过滤板孔隙率选择30ppi进行第四次除渣，第二级过滤板孔隙率选择50ppi进行第五次除渣，在每次起铸时，提前40min利用天然气燃烧喷枪的火焰对过滤板及整套流槽进行均匀预热，但加热时间不允许超过2h。

步骤六：将经过双层过滤箱过滤的熔体送入700mm直径结晶器的铸造机进行铸造，起始铸造速度为25mm/min，水流量28m³/h·根，同时启用结晶器自动润滑系统；当待铸造长度达到100mm时，将铸造速度调整为40mm/min，水流量调整为45m³/h·根，并保持匀速铸造；当铸锭长度超过550mm时，将铸造速度调整为25mm/min，水流量调整为28m³/h·根，铸造过程中采用的刮水板位置距结晶器160mm，在铸造过程中，通过流槽的温度管理，将铸造流盘温度控制在680℃。

步骤七：将铸造机铸造完成的铸锭立即送入均匀化炉中进行均匀化处理，以防止铸锭在残余应力释放过程中产生裂纹。

表1为本发明实施例检测结果。由本发明实施例1～3可以看出，本发明通过一系列技术创新，使大规格高纯净2系铸锭的铸造成型率达到95％，氢含量控制在0.09mL/100gAl以下，直径20μm以上渣含量低于9000PCS/kg，Cu元素成分起伏控制在0.27％以内，Mg元素的成分起伏控制在0.26％内，Zn元素成分起伏控制在0.43％内，晶粒度达到一级。依本发明技术生产的铸锭已成功用于民机机翼下长桁型材的生产，且成功通过中商飞的产品认证和供货交付，实物照片见图4。

表1实施例的检测结果

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种民机用大规格7系铝合金铸锭的铸造方法，其特征在于：铝合金铸锭中各物质的质量百分比为：Si含量低于0.08%，Fe含量低于0.10%，Cu含量2.1%-2.4%，Mg含量2.0%-2.2%，Mn含量低于0.05%，Cr含量低于0.02%，Zn含量7.8%-8.2%，其它杂质元素含量低于0.15%，余量为Al；

其制备方法包括如下步骤：

步骤一：根据铝合金铸锭中各物质的质量百分比，并考虑到合金熔炼过程中的烧损及废料中合金成分及含量，根据投料量，计算出铝锭、锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金的重量，并根据计算结果，称量各种原料；

步骤二：将充分干燥的铝锭投入熔炼炉，熔化过程中控制炉膛温度为950~1050℃；铝锭全部熔化后，使用电磁搅拌设备搅拌25~35min；熔体温度到达700℃后，开始进行合金化，熔体温度起伏范围控制在700~750℃，分批加入铜板及各种中间合金，每批合金添加时间间隔20min，每次添加重量不超过800kg，采用电磁搅拌器进行持续搅拌，在合金化过程中每次投料前，均采用扒渣车扒净熔体表面浮渣；

步骤三：待全部原料投入熔炼炉且完全熔化后，将熔体由熔炼炉转入静置炉进行第一次精炼，静置炉炉膛温度为850℃，熔体从熔炼炉向静置炉转移时的温度控制在725-745℃，采用旋转通气装置进行精炼，其中转子转速为280-380RPM，并通入氩气与氯气混合气体，氩气流量为200-240slpm，氯气流量为5-15slpm，在精炼过程中及时清理浮出熔体的浮渣，每次精炼时间控制在30min，通过在固定位置取样进行化学成分分析，对熔体的合金成分进行精准调控；

步骤四：将在静置炉完成第一次精炼的熔体送入两级双转子除气箱进行第二次精炼，两级双转子除气箱用转子旋转除气装置，第一级转子除气装置通入氩气与氯气混合气体进行第二次除气和除渣，单转子氩气流量为5-7 m³/h，单转子氯气流量为0.02-0.5 m³/h；第二级转子除气装置通入氩气进行第三次除气和除渣，单转子流量为5-7 m³/h，除气箱控制温度为725-735℃，熔体从静置炉向两级双转子除气箱转移时的温度控制在700-720℃，并在两级双转子除气箱内加入细化剂，细化剂采用Al-5Ti-1B细化丝，所述Al-5Ti-1B细化丝添加量为1.5-2.5kg/t，所述Al-5Ti-1B细化丝添加位置为第一级转子除气装置与第二级转子除气装置中间的流槽中心位置，且分别在第一级转子除气装置与第二级转子除气装置的前端和后端进行氢含量测试；

步骤五：将经过两级双转子除气箱进行第二次精炼的除气除渣后的熔体送入双层过滤箱中进行过滤，第一级过滤板孔隙率选择30ppi进行第四次除渣，第二级过滤板孔隙率选择50ppi进行第五次除渣，在每次起铸时，提前40min利用天然气燃烧喷枪的火焰对过滤板及整套流槽进行均匀预热，但加热时间不允许超过2h；

步骤六：将经过双层过滤箱过滤的熔体送入铸造机进行铸造，铸造机的铸造流盘温度为660-680℃，起始铸造速度为15-25mm/min，水流量24-28m³/h·根，同时启用结晶器自动润滑系统，铸造机在铸造过程中采用刮水板控制整个铸锭的冷却速度，通过铸锭的自退火，消除部分热应力，避免产生铸造裂纹，刮水板放置位置与结晶器之间的距离为120-190mm；当待铸造长度达到100mm时，铸造速度调整为35-40 mm/min，水流量调整为40-45 m³/h·根，并保持匀速铸造；当铸锭长度超过550mm时，铸造速度调整为15-25 mm/min，水流量调整为25-30 m³/h·根；

步骤七：将铸造机铸造完成的铸锭立即送入均匀化炉中进行均匀化处理，按照不同合金配比所预设定的均匀化工艺进行均匀化退火，防止铸锭在残余应力释放过程中，产生裂纹。

2.根据权利要求1所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的铸造方法，其特征在于：所述的步骤一中锌锭、铜板、镁锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金的重量需提前分割成小块，便于在合金化过程中添加，并快速完成合金化过程。

3.根据权利要求1所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的铸造方法，其特征在于：所述的熔体在由熔炼炉转静置炉的流槽内进行氢含量测试。

4.根据权利要求1所述的一种民机用大规格7系铝合金铸锭的铸造方法，其特征在于：所述的步骤五中双层过滤箱在每炉铸造完成后，对过滤板进行更换，并对过滤装置进行仔细清理，熔体渣含量的测试位置为第二级过滤后流槽内，检测目标为尺寸大于20μm的渣的数量，单位为PCS/kg，即每公斤个数。

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