[发明专利]一种利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法

说明书

本发明涉及铝锂合金，具体涉及利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法。采用Ar雾化，将除气、除渣、精炼、过滤后的铝锂合金熔体喷射成形，形成圆柱形锭坯，通过调节喷射角度，雾化气压，熔体过热温度，接收盘下降速度和转速的优化组合，实现铝锂合金熔体快速、精确、致密成形，成形速率不低于10kg/min，所得锭坯形状规则、致密度高，无化学成分宏观偏析、直径可达Φ650mm，且该方法生产的大规格铝锂合金锭坯的成品率达到80%以上。

技术领域

本发明涉及铝锂合金，具体涉及利用喷射成形制备三维大规格铝锂合金圆锭的方法。

背景技术

铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度和比刚度、良好的疲劳性能、优良的高温和低温性能、优异的耐腐蚀性能、卓越的超塑性成形性和好的焊接性等诸多优异的综合性能，其强度可以和2024、7075等铝合金媲美。用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%，而且铝锂合金与复合材料相比，具有耐高低温、耐损伤和可修理、易维护的优点，因此，铝锂合金成为21世纪航空航天和兵器工业领域最具潜力的金属结构材料。

现有生产铝锂合金的工序是将配制好的液态合金熔体经铸造，凝固形成铝锂合金锭坯，然后再通过对锭坯施加挤压、轧制、锻造、环轧等一种或多种变形使其成为航空航天可使用的原材料或构件。由于铝锂合金的特殊用途，迫切需要三维大规格（三维方向尺寸都较大）锭坯来满足航空航天各种整体结构件的制造。然而现有技术很难生产三维大规格铝锂合金锭坯，目前直径Φ300mm以上铝锂合金锭坯的成品率很低，不能保证需求供应，而且圆锭芯部与表面主合金元素含量相差超过20%，严重限制了铝锂合金的使用。

铝锂合金锭坯制备是铝锂合金构件生产的首要工艺步骤，也是最重要的工序，因为锭坯生产属于凝固过程的生产环节（包括模铸、半连续铸造等），而金属材料具有“组织遗传”现象，凝固过程中所形成的材料组织几乎伴随着零件的整个生命周期，一旦在凝固生产环节发生化学成分的不均匀性以及粗大组织形态，后续加工将很难有效改善，最终影响着零件的性能。据报道有色金属材料生产过程中，约70%的废品是与铸锭存在的缺陷有关，另外，凝固锭坯组织也影响材料的冷热加工性能。

对于铝锂合金铸锭的生产，现有半连续铸造凝固技术主要存在宏观偏析严重的特点。偏析对铸锭质量影响很大，晶界偏析使易熔共晶富集在晶粒边界呈网状组织，易使铸锭在冷却过程中产生热裂，并使制品易发生晶界腐蚀。宏观偏析会使铸锭及加工产品的组织和性能很不均匀，同时也会导致铸锭的加工性能和成品率降低，使材料成本提高。

各类偏析都是凝固过程中溶质再分布的必然结果，铝锂合金相比其他普通铝合金更容易发生偏析，主要有以下原因：

1)Li的密度仅为铝的1/5，因此比重偏析使锂很难均匀地加入铝中，据报道含1%锂的铝合金中，约1/20的锂原子在熔体内部，约1/2的锂原子在相界。

2)Li是表面活性物质，在熔体中有很高的迁移率，另外金属Li的熔点（182℃）与Al相差较大，因此，在铝锂合金的凝固过程中Li原子容易脱溶形成结晶的第二相；

3)Li可以大幅度降低熔体表面张力，添加1%的锂，表面张力降低60%。这大大促进了Cu、Mg、Mn、Zn等其他合金元素的扩散，导致它们在晶界上偏析形成低熔点共晶相和粗大难溶第二相，这些粗大第二相在晶界处断断续续，分布很不均匀，这会导致铸锭在后续加工过程中出现热裂，以及材料韧性较低等。