一種利用噴射成形制備三維大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋁鋰合金，具體涉及利用噴射成形制備三維大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁鋰合金具有低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比剛度、良好的疲勞性能、優(yōu)良的 高溫和低溫性能、優(yōu)異的耐腐蝕性能、卓越的超塑性成形性和好的焊接性等諸多優(yōu)異的綜 合性能，其強(qiáng)度可以和2024、7075等鋁合金媲美。用其代替常規(guī)的高強(qiáng)度鋁合金可使結(jié)構(gòu) 質(zhì)量減輕109^20%，剛度提高15120%，而且鋁鋰合金與復(fù)合材料相比，具有耐高低溫、耐損 傷和可修理、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因此，鋁鋰合金成為21世紀(jì)航空航天和兵器工業(yè)領(lǐng)域最具潛 力的金屬結(jié)構(gòu)材料。
[0003] 現(xiàn)有生產(chǎn)鋁鋰合金的工序是將配制好的液態(tài)合金熔體經(jīng)鑄造，凝固形成鋁鋰合金 錠坯，然后再通過對(duì)錠坯施加擠壓、乳制、鍛造、環(huán)乳等一種或多種變形使其成為航空航天 可使用的原材料或構(gòu)件。由于鋁鋰合金的特殊用途，迫切需要三維大規(guī)格(三維方向尺寸都 較大）錠坯來滿足航空航天各種整體結(jié)構(gòu)件的制造。然而現(xiàn)有技術(shù)很難生產(chǎn)三維大規(guī)格鋁 鋰合金錠坯，目前直徑Φ300πιπι以上鋁鋰合金錠坯的成品率很低，不能保證需求供應(yīng)，而且 圓錠芯部與表面主合金元素含量相差超過20%，嚴(yán)重限制了鋁鋰合金的使用。
[0004] 鋁鋰合金錠坯制備是鋁鋰合金構(gòu)件生產(chǎn)的首要工藝步驟，也是最重要的工序，因 為錠坯生產(chǎn)屬于凝固過程的生產(chǎn)環(huán)節(jié)(包括模鑄、半連續(xù)鑄造等)，而金屬材料具有"組織遺 傳"現(xiàn)象，凝固過程中所形成的材料組織幾乎伴隨著零件的整個(gè)生命周期，一旦在凝固生產(chǎn) 環(huán)節(jié)發(fā)生化學(xué)成分的不均勻性以及粗大組織形態(tài)，后續(xù)加工將很難有效改善，最終影響著 零件的性能。據(jù)報(bào)道有色金屬材料生產(chǎn)過程中，約70%的廢品是與鑄錠存在的缺陷有關(guān)，另 外，凝固錠坯組織也影響材料的冷熱加工性能。
[0005] 對(duì)于鋁鋰合金鑄錠的生產(chǎn)，現(xiàn)有半連續(xù)鑄造凝固技術(shù)主要存在宏觀偏析嚴(yán)重的特 點(diǎn)。偏析對(duì)鑄錠質(zhì)量影響很大，晶界偏析使易熔共晶富集在晶粒邊界呈網(wǎng)狀組織，易使鑄錠 在冷卻過程中產(chǎn)生熱裂，并使制品易發(fā)生晶界腐蝕。宏觀偏析會(huì)使鑄錠及加工產(chǎn)品的組織 和性能很不均勻，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鑄錠的加工性能和成品率降低，使材料成本提高。
[0006] 各類偏析都是凝固過程中溶質(zhì)再分布的必然結(jié)果，鋁鋰合金相比其他普通鋁合金 更容易發(fā)生偏析，主要有以下原因： l)Li的密度僅為鋁的1/5,因此比重偏析使鋰很難均勻地加入鋁中，據(jù)報(bào)道含1%鋰的 鋁合金中，約1/20的鋰原子在熔體內(nèi)部，約1/2的鋰原子在相界。
[0007] 2)Li是表面活性物質(zhì)，在熔體中有很高的迀移率，另外金屬Li的熔點(diǎn)（182°C)與 A1相差較大，因此，在鋁鋰合金的凝固過程中Li原子容易脫溶形成結(jié)晶的第二相； 3)Li可以大幅度降低熔體表面張力，添加1%的鋰，表面張力降低60%。這大大促進(jìn)了Cu、Mg、Mn、Zn等其他合金元素的擴(kuò)散，導(dǎo)致它們?cè)诰Ы缟掀鲂纬傻腿埸c(diǎn)共晶相和粗大難 溶第二相，這些粗大第二相在晶界處斷斷續(xù)續(xù)，分布很不均勻，這會(huì)導(dǎo)致鑄錠在后續(xù)加工過 程中出現(xiàn)熱裂，以及材料韌性較低等。
[0008] 要想獲得化學(xué)成分均勻無偏析的鋁鋰合金錠坯，有兩個(gè)努力方向，一個(gè)是讓整個(gè) 錠坯所有位置都以非常緩慢且相同的冷卻速度凝固，給合金原子足夠長的時(shí)間來擴(kuò)散均 勻；另一個(gè)就是快速凝固，瞬間將均勻的液態(tài)合金熔體凝固為固態(tài)，讓合金原子來不及擴(kuò)散 偏聚。然而實(shí)際生產(chǎn)中幾乎不可能采用第一種方式，通常的做法仍然是不斷改進(jìn)鑄造技術(shù)， 從模鑄到半連續(xù)鑄造，不斷提高冷卻速率。然而錠坯規(guī)格越大，冷卻過程中錠坯內(nèi)部和表面 的溫度梯度越大，冷卻速度相差越大，越容易導(dǎo)致宏觀偏析以及縮孔、縮松等缺陷，致使錠 坯開裂報(bào)廢，這限制了鑄錠冶金法生產(chǎn)鋁鋰合金錠坯的尺寸。因此，鑄錠冶金法很難生產(chǎn)出 三維大規(guī)格鋁鋰合金錠坯。
[0009] 另一個(gè)方法是粉末冶金，先通過快速凝固將鋁鋰合金制備成化學(xué)成分均勻的粉 末，再通過壓制、燒結(jié)生產(chǎn)出鋁鋰合金錠坯。但是粉末冶金除過工序長，粉末表面易氧化引 入雜質(zhì)，難以致密化等缺點(diǎn)外，大規(guī)格也是其無法突破的瓶頸，很難采用粉末冶金生產(chǎn)滿足 航空航天需求的大規(guī)格鋁鋰合金錠坯。
[0010] 綜上，采用鑄錠冶金法和粉末冶金幾乎不能夠生產(chǎn)出整體構(gòu)件需求的三維大規(guī)格 鋁鋰合金錠坯。目前尚無利用噴射成形技術(shù)生產(chǎn)工業(yè)規(guī)格鋁鋰合金的報(bào)道。因此，發(fā)明一 種制備三維大規(guī)格工業(yè)化應(yīng)用的鋁鋰合金錠坯的制備方法對(duì)鋁鋰合金的大規(guī)模應(yīng)用有重 要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明提供了一種利用噴射成形制備三維大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方法；采用高壓 Ar將鋁鋰合金金屬流噴出，半固態(tài)的鋁鋰合金噴射在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的接收盤上，通過調(diào)節(jié)噴射 角度，霧化氣壓，熔體過熱溫度，接收盤下降速度和轉(zhuǎn)速的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)鋁鋰合金圓錠的 成形速率不低于l〇kg/min，制備得到形狀規(guī)則、致密度大于96%，直徑為最大可達(dá)Φ650πιπι 的鋁鋰合金圓錠。
[0012] 作為優(yōu)選，所述利用噴射成形制備三維大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方法步驟如下： (1)按合金的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比稱料。
[0013] (2)將鋁鋰合金的組成成分在熔煉爐中熔化，并添加覆蓋劑保護(hù)，熔化溫度為 650~850°C。
[0014] (3)對(duì)熔體進(jìn)行精煉，精煉溫度為700~800°C。
[0015] (4)精煉后靜置10~30min，然后進(jìn)行過濾。
[0016] ( 5 )對(duì)過濾后的合金熔體噴射成形。
[0017] 作為優(yōu)選，步驟（3)中精煉的實(shí)施方法是向熔體深度2/3處通入Ar30min以上。
[0018] 作為優(yōu)選，步驟（5)中霧化氣體選用Ar，噴射參數(shù)為噴射角度5~45°，霧化壓力 0· 1~L2MPa，霧化溫度為650~950°C，接收盤轉(zhuǎn)速為20~100rpm，接收盤下降速度為2~9mm/ s，接收距離300~700mm，錯(cuò)鋰合金圓錠的成形速率不低于10kg/min。
[0019] 作為優(yōu)選，噴射成形的沉積室采用Ar保護(hù)，沉積室充滿Ar，噴射過程中保持Ar壓 力在1. 01~2· 0個(gè)大氣壓。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)本發(fā)明提供了一種利用噴射成形制備大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方法，通過調(diào)整噴射 角度、霧化壓力、霧化溫度、接收盤轉(zhuǎn)速、接收盤下降速率以及接收距離的優(yōu)化組合，保證了 鋁鋰合金熔體實(shí)現(xiàn)快速、精確、致密成形，致密度大于96%，工藝穩(wěn)定性良好；整個(gè)噴射過程 中利用Ar霧化，并在Ar保護(hù)條件下進(jìn)行，保證了噴射鋁鋰合金錠坯處在鈍化環(huán)境。
[0021] (2)本發(fā)明提供的這種利用噴射成形制備大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方法，制備的鋁 鋰合金圓錠規(guī)格可達(dá)到Φ650πιπι，且錠坯成品率大于80%。這是由于噴射成形具有快速凝固 特征，不論規(guī)格大小，錠坯芯部和表面冷卻速率幾乎相同，避免了大尺寸引起的冷熱不均所 致合金元素偏析、縮松、縮孔等缺陷，因此不受限于冷卻速率對(duì)錠坯尺寸的限制，可以做到 三維大規(guī)格。
[0022] (3)本發(fā)明提供的這種利用噴射成形制備大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方法，制備的鋁 鋰合金圓錠芯部與外表面，頭端、中端、尾端化學(xué)成分差異小于5%，這是由于本方法噴射過 程的快速凝固，合金元素來不及偏析。
[0023] (3)本發(fā)明提供的這種利用噴射成形制備大規(guī)格鋁鋰合金圓錠的方法，可用來穩(wěn) 定生產(chǎn)第二代、第三代、第四代成熟牌號(hào)鋁鋰合金，也可以用來生產(chǎn)更高Li含量的超低密 度鋁鋰合金錠坯。<