[发明专利]铝锂合金半连续铸造中锂元素添加方法

说明书

本发明涉及铝锂合金半连续铸造过程中，减少易挥发合金元素锂烧损的一种新的添加方法，该方法分为以下步骤实施：(1)按照不添加锂元素的合金配比加热熔化铝、镁、铜等固体原料，形成液态金属；(2)将液态金属送入静置炉内进行充分静置；(3)将液态金属送入SNIF除氢炉内进行除氢，加晶粒细化剂；(4)将液态金属输送入氩气保护的感应熔炼炉；(5)向感应熔炼炉内的合金加纯锂并适当调节其它合金成分，从而获得具有目的铝锂合金成分的液态金属；(6)将液态金属通过传送槽送至氩气保护的铸造台进行半连续铸造。

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

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。合金的熔炼温度一般在700～730℃，转移管道需要具备抗高温、耐腐蚀等性能，通常采用不锈钢管加硅毡棉。

铝锂合金熔铸工艺较为复杂，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，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和璧板，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。

目前各国掌握铝锂合金的铸造技术存在差异，做法也不一样，但是针对大尺寸的铸锭生产基本采用半连续铸造工艺，关键的加工过程包括三个步骤：(1)由固态原料到液态金属的熔炼；(2)液态金属的处理，包括合金化、均匀化、洁净化、和除气；(3)从液态到固态铸锭的铸造过程。大量实践证明，三个步骤任何阶段不按照科学规律操作，轻则出现含大量缺陷不合格的铸锭，重则出现爆炸等生产事故。

美国专利号4,556,535，由美国铝业公司1985年获得，主要通过测量铸造速度，控制锂元素在除气装置之前定量的添加，从而有效的降低了锂元素的氧化烧损，提高了产品质量。该方法的缺点在于只有一级除氢，不含锂的铝合金的氢含量较高，与锂混合后同时除氢不充分，铸造缺陷较多。

美国专利号4,761,266，由美国凯撒铝业公司1988年获得，主要通过测量铸造速度，把液态锂通过涡流与不含锂的铝合金液体在一次除气之后添加，再进行二次除气，使用不锈钢过滤器，清除氧化物之后进入氩气保护的铸造台。该方法的改进之处在于，通过两次除氢，有效地控制了氢含量；通过涡流，使锂和铝合金溶体得到了充分混合；同时通过过滤器去除了一部分氧化物夹杂。但是，该方法的缺点在于，由于合金的黏度是温度的函数，温度对铸造成份的均匀性和夹杂等质量影响较大。

中国CN105102643和CN105358723两项专利，由爱励轧制产品德国有限公司获得，和美国铝业、凯撒铝业的专利类似，通过隔离不含锂的铝合金熔炼和含锂的铝合金熔炼，实现锂的有效应用，不同之处在于，它并没有采用涡流混合，混合之后也没有进行除气，直接进行铸造。另外，它将铸造分为三种合金，只有铸造中部是铝锂合金。该发明的优点在于操作简单，不用复杂的除气过滤装置，铸锭头部和尾部可以在后续加工中切除，从而有效提高了含锂合金的利用率。该发明的缺点在于，由于只有对不含锂的熔体除气，没有对含锂的铝合金除气和过滤过程，难免会有大量的夹杂流入铸锭，形成缺陷。另外，三种合金分别制备，保护性气氛与保护性盐交错使用，在实际生产中很难避免失误，尤其是保护性盐的颗粒很难被常规过滤器清除。

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。成熟的合金牌号已经很广泛，熔铸工艺的改进不仅能够提高产品质量，而且能够避免事故发生，降低风险。

发明内容