[发明专利]铝锂合金复合锭的铸造方法

说明书

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。

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。