[發明專利]鋁鋰合金復合錠的鑄造方法

在審

• 申請號: 201910974078.6
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN110883319A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 王俊升
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B22D7/02
• 分類號: B22D7/02;B22D7/06;B22D7/12
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 周蜜

本發明涉及鑄造含鋰鋁合金的方法，通過半連續鑄造鋰所占比重大于0.25％的含鋰合金復合錠和鋰所占比重小于0.25％或者更少不含鋰的合金復合錠，達到隔離易揮發性鋁鋰合金與氧氣和水接觸的效果，實現安全可靠鑄造環境，并為后續低成本的擠壓或者軋制創造條件。本發明采用氬氣有效地隔離鋁鋰合金與空氣的接觸，使用不含鋰的鋁合金作為外殼，提供了鑄造鋁鋰合金復合錠的一種新方法。

技術領域

本發明適用于含鋰的鋁合金熔鑄生產，產品形式為復合鑄錠(圓形、扁形)，可作為擠壓、軋制、鍛造等加工過程的原料，最終用途可用于航空航天等領域的零部件材料。

背景技術

鋁鋰合金鑄造工藝復雜，但由于其低密度、高的比強度和比剛度、優良的低溫力學性能和較高的高溫強度等，以及較好的抗疲勞性能和一定的超塑性成形性能，具有取代常規鋁合金，實現減重15％左右，提高剛度15％左右的效果，由此為航空航天飛行器設計帶來的性能提升和經濟效益十分顯著，作為高端新材料越來越得到廣泛應用。比如，在飛機設計中鋁鋰合金板材可做為蒙皮、璧板，擠壓型材可做為桁條、加強筋、地板梁等零部件，替換傳統鋁合金減輕重量提高飛機性能。在火箭設計中，鋁鋰合金可做為燃料箱和液氧箱，優越的成形性能便于制作共底貯箱，不但可以增加有效載荷而且降低火箭高度，提高火箭整體性能。

由于鋰的化學活性，為防止氧化和爆炸事故發生，鋰必須在保護性氣氛下進行熔化和鑄造生產，通常采用惰性氣體或者真空保護。如果采用傳統的鑄造方式，鑄造過程中由于極易發生氧化，表面形成氧化層，不但導致冷卻效率降低，而且容易出現拉漏的情況。拉漏指的是一種類似于蠟燭芯部液體溢出到外表面的現象。如果拉漏事故發生，將會造成高溫鋁鋰合金液體直接與水接觸，其產生氫氣的能力是普通鋁合金的10倍以上，將會迅速造成爆炸事故發生。另外，鑄造的速度、潤滑的程度、鑄錠的大小、鑄造溫度、液態金屬的徑向分配、冷卻水的質量與溫度、液位的高低、斷電事故、冷卻水壓變化等都可能造成拉漏事故的發生。因此，許多專利發明了不含水的冷卻液，以提高換熱穩定性，降低爆炸危險。同時，許多發明專利提出新的潤滑劑，用于減少鋁鋰合金與結晶器接觸面的摩擦系數，降低拉漏的事故發生。另外，許多文獻報道通過添加有毒的鉍(Bi)元素，可以減少氧化層的厚度，提高表面質量，避免拉漏事故發生。但是，鉍(Bi)元素對人體傷害巨大，其使用是受到嚴格控制，一般不在有色金屬行業使用。

因此，本發明主要解決的問題是通過對圓柱或者扁形復合錠的工藝流程設計和裝備結構設計，實現安全、可靠的半連續鑄造鋁鋰合金復合錠。例如，用2039鋁銅合金包覆2099鋁鋰合金，避免2099鋁鋰合金直接與水接觸，從而有效地抑制拉漏現象的發生，鑄造2039/2099的復合錠，就像7075鋁合金表面包覆1000系列鋁合金防止腐蝕，通過后續加工實現整體性能的提高。在以往鋁鋰合金完全裸露于含氧、水分的環境中時，熱軋過程需要特殊的潤滑劑和具有加熱功能的可逆式軋機，熱處理過程需要控制環境氣氛。然而，對于鋁鋰合金包覆在內部的復合錠的加工過程不需要特殊的保護措施，極大地降低了成本。另外，由于鑄造過程采用先凝固外部燒杯狀的殼體，然后在氬氣保護氣氛下注入鋁鋰合金溶液，殼體外部采用多級冷卻水激冷，有效地降低了鋁鋰合金熱裂傾向，提高了鑄造的成品率。

為了解決鋁鋰合金鑄造的安全性、可靠性，1986年美國凱撒鋁業專利4567936介紹了通過外層鑄造不含鋰的鋁合金，內芯鑄造含鋰鋁合金的復合錠的方法。其中，更高的固相線溫度的外層，被首先凝固成一個燒杯結構，然后澆鑄更低固相線的內芯鋁鋰合金。該發明專利強調，更低的固相線溫度的鋁鋰合金在澆鑄之前外層必須是完全凝固的堅固外殼。該發明缺陷在于沒有考慮內芯鑄造過程中的氬氣保護與密封裝置，另外內部鋁鋰合金液位基本與外壁合金液位持平，務必造成固液混合區域過大，容易出現燒穿外殼、漏液的情況。