CN118064747B - 一种铝锂合金铸锭高安全性的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了铝锂合金铸锭高安全性的制备方法，包括以下步骤：S1）熔炼铝锂合金熔体；S2）在结晶器中通入氩气，氩气依次经气箱、铸井出气口进入流槽，将所述铝锂合金熔体转移至流槽进行铸造；在铸造的过程中，控制气箱中氩气温度为‑15~10℃，使所述铝锂合金熔体快速凝固成型，氩气再经过气箱气体出口对凝固成型的铸锭再次冷却，将再次冷却的氩气经铸造井出口输送至流槽；S3）将步骤S2）得到的铸锭进行均质，得到铝锂合金铸锭。本申请提供的铝锂合金铸锭的制备方法可最大限度降低现有铝锂合金铸锭生产过程中存在的爆炸风险，且不额外增加成本，与原有工艺相比，熔体转移中温降可减小5~10℃，有利于铸造工艺的稳定性控制。

Description

一种铝锂合金铸锭高安全性的制备方法

技术领域

本发明涉及铝锂合金制备技术领域，尤其涉及一种铝锂合金铸锭高安全性的制备方法。

背景技术

铝锂合金因具有低密度、高弹性模量以及高强度的特性，则其已经成为了航空航天领域飞行器结构轻量化的首选材料。但由于锂是一种非常活泼的金属，因此铝锂合金熔体遇到水时会产生大量氢气（是不含锂的铝熔体的数倍），在铸造过程中如发生漏铝等现象，极易发生爆炸事故。

针对上述问题，国外开展了制备铝锂合金铸锭相应方案的研究，如美铝公开了一种含25%乙二醇的水冷剂来替代水的方案和一种让铸井里的水及时排出的“干井铸造”方案，上述方案虽然对降低爆炸风险有一定效果，但无法彻底杜绝爆炸事故的发生。

此外，目前较为先进的气慕铸造法中，在热顶和结晶器之间导入空气和润滑油的混合物，使熔体和铸锭与结晶器壁不直接接触，从而改善铸锭的表面质量，但是该方法作用区域为一冷区，在二冷区采用的是水冷，依旧无法杜绝爆炸事故的发生。公开号为CN116904812A的中国专利申请提供了一种铝锂合金及其制备方法，其虽然在铸造的过程中引入了氩气，但是依旧采用的是半连续直冷铸造，且开启刮水器。

综上所述，现有技术中还没有一种完全解决铝锂合金铸锭过程中与水接触的问题，因此，亟需开发一种能最大限度的降低铝锂合金铸锭生产过程中安全风险的方案。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种铝锂合金铸锭高安全性的制备方法，该制备方法以低温氩气代替水冷铸造，可极大降低铝锂合金铸锭生产过程中的安全风险，且保证铝锂合金铸锭的质量。

有鉴于此，本申请提供了一种铝锂合金铸锭高安全性的制备方法，包括以下步骤：

S1）熔炼铝锂合金熔体；

S2）在结晶器中通入氩气，氩气依次经气箱、铸井出气口进入流槽，所述流槽和所述结晶器中的氧气含量小于300ppm时，将所述铝锂合金熔体转移至流槽进行铸造；

在铸造的过程中，控制气箱中氩气温度为-15~10℃，使所述铝锂合金熔体快速凝固成型，氩气再经过气箱气体出口对凝固成型的铸锭再次冷却，将再次冷却的氩气经铸造井出口输送至流槽；

S3）将步骤S2）得到的铸锭进行均质，得到铝锂合金铸锭。

优选的，S1）步骤中，所述熔炼铝锂合金熔体的步骤具体为：

按照铝锂合金铸锭的成分称取符合比例关系铝锭、中间合金和纯金属材料作为原料，将所述原料投入熔炼炉中；

在熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热熔炼，温度达到700~800℃，开始除气精炼，精炼采用氩气，氩气流量为50~70L/min，氩气压力为4.0~10.0bar，转子转速为700~900rpm，精炼过程中不采用精炼剂。

优选的，步骤S2）中，所述流槽和所述结晶器中的氧气含量小于200ppm。

优选的，所述铸造的起铸速度为10~30mm/min，稳态铸造速度为10~50mm/min。

优选的，所述铸造的起铸速度为10~15mm/min，稳态铸造速度为15~30mm/min。

优选的，所述均质的温度为400~500℃，保温20~50h。

优选的，所述均质的温度为450~500℃，保温25~40h。

优选的，所述铝锂合金铸锭包括2050铝合金、2195铝合金、1420铝合金、2196铝合金或2099铝合金。

优选的，所述铝锂合金铸锭的偏析率为7.0~8.5%，晶粒度为1~1.5级。

本申请提供了一种铝锂和近铸锭高安全性的制备方法，其首先制备了铝锂合金熔体，再在结晶器中通入氩气，使得氩气依次经气箱、铸井出气口并充满其中后进入流槽，之后将铝锂合金熔体转入流槽进行铸造，在铸造过程中，控制结晶器气箱中氩气温度至-10~15℃，确保石墨环一冷区的冷却效果，使铝锂合金熔体近石墨环部位快速凝固成型，氩气再通过气箱气体出口对已经凝固成型的铸锭进行二次冷却，之后氩气经铸井出气口进入流槽，对流槽中的熔体进行保护，如此方式铸造之后得到初始铸锭，最后均质处理，即得到铝锂合金铸锭。在铝锂合金铸锭的制备过程中，采用低温氩气代替水冷铸造，同时将铸造过程中冷却的氩气循环利用至熔体转移过程中的气体保护，且由于氩气经过热交换后温度升高，利用高温氩气保护熔体，减少了熔体转移过程中的温降，而保证了铝锂合金铸锭的质量。因此，本申请首先利用氩气实现了熔体的保护，但是关键在铸造过程中，氩气温度控制在-15~10℃，确保石墨环一冷却的冷却效果，即利用氩气冷却熔体替代了水冷，以此保证了铝锂合金铸锭制备过程中的安全性，而后氩气经过了循环利用且温度升高，进一步减少了熔体转移过程中的温降，保证了铝锂合金铸锭的质量。

附图说明

图1为本发明铝锂合金铸造的气体冷却方式的结构示意图（正视图）；

图2为流槽界面示意图（正视图）；

图3为流槽与铸井位置关系示意图（俯视图）；

图4为本发明实施例2制备的铝锂合金铸锭的微观组织照片；

图5为本发明对比例1制备的铝锂合金铸锭的微观组织照片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

现有技术中铝锂合金铸锭制备采用水冷铸造，但锂活泼性高，含锂熔体与水易发生爆炸事故，故存在一定安全风险，鉴于上述问题，本申请提供了一种以低温氩气代替水冷的铸造方法，可极大降低铝锂合金铸锭生产过程中的安全风险，具体的，本发明实施例公开了一种铝锂合金铸锭高安全性的制备方法，包括以下步骤：

S1）熔炼铝锂合金熔体；

S2）在结晶器中通入氩气，氩气依次经气箱、铸井出气口进入流槽，所述流槽和所述结晶器中的氧气含量小于300ppm时，将所述铝锂合金熔体转移至流槽进行铸造；

在铸造的过程中，控制气箱中氩气温度为-15~10℃，使所述铝锂合金熔体快速凝固成型，氩气再经过气箱气体出口对凝固成型的铸锭再次冷却，将再次冷却的氩气经铸造井出口输送至流槽；

S3）将步骤S2）得到的铸锭进行均质，得到铝锂合金铸锭。

在铝锂合金铸锭的制备方法中，步骤S1）首先熔炼铝锂合金，得到铝锂合金熔体；具体的，所述铝锂合金熔体的熔炼方法具体为：

按照铝锂合金铸锭的成分称取符合比例关系铝锭、中间合金和纯金属材料作为原料，将所述原料投入熔炼炉中；

在熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热熔炼，温度达到700~800℃，开始除气精炼，精炼采用氩气，氩气流量为50~100L/min，氩气压力为4.0~10.0bar，转子转速为700~900rpm，精炼过程中不采用精炼剂。

在上述步骤中，所述原料的选择按照本领域技术人员熟知的方法选择，对此本申请不进行特别的限制；在原料投入熔炼炉中之后，则在熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热升温，使合金熔化，至温度优选达到740~750℃开始除气精炼，所述除气精炼采用了氩气，氩气流量优选为50~70L/min，氩气压力优选为4.0~7.0bar，转子转速优选为700~820rpm；在精炼的过程中不采用精炼剂。

在得到铝锂合金熔体之后则进行铸造，本申请所述铸造在如图1、图2、图3所示的装置中进行，其中，1为热顶，2为熔体，3为石墨环，4为铸锭，5为底座，6为铸井，7为气体入口，8为气箱，9为结晶器，10为气箱气体出口，11为铸井气体出口，12为流槽气体入口，13为流槽盖板，14为流槽，15为流槽气体出口，16为铸井与流槽连接气管；为了实现氩气的循环和对熔体的冷却，所述结晶器侧壁上设置有气体入口，所述结晶器内设有空腔作为气箱，所述结晶器的侧壁上也设置有气箱气体出口。首先在结晶器中通入氩气，使得氩气自气体入口，依次经过气箱充满气箱再经过铸井出气口进入流槽，当流槽和结晶器中的氧含量小于300ppm，尤其小于200ppm时，将铝锂合金熔体转移至流槽。控制结晶器气箱中氩气的温度为-15~10℃，更具体是控制结晶器气相中氩气的温度为或-15~-10℃、或-10~-5℃、或-5~0℃、或0~5℃、或5~10℃、或10~15℃，以对石墨环一冷区进行冷却，使熔体近石墨环部位快速凝固成型，氩气再通过气箱气体出口，对已凝固成型的铸锭进行二次冷却，完成二次冷却的氩气由于进行了热交换，经铸井出气口输送至流槽中，对流槽中的熔体进行保护，以减少熔体转移过程中的温降问题；此过程中，氩气流量为80~160L/min，氩气压力为8.0~15.0bar；具体的，所述氩气流量为80L/min、90L/min、100L/min、110L/min、120L/min、130L/min、140L/min、150L/min或160L/min，所述氩气压力为8.0bar、9.0bar、10.0bar、11.0bar、12.0bar、13.0bar、14.0bar、15.0bar或16.0bar。

上述铸造过程中，铸造的起铸速度为10~30mm/min，稳态铸造速度为10~50mm/min；具体的，所述铸造的起铸速度为10~15mm/min，稳态铸造速度为15~30mm/min。所述铸造之后得到的铸锭进行均质，所述均质的温度为400~500℃，保温20~50h；具体的，所述均质的温度为450~500℃，保温25~40h。

本申请提供的制备方法适用于本领域技术人员熟知的铝锂合金，示例的，所述铝锂合金包括2050铝合金、2195铝合金、1420铝合金、2196铝合金或2099铝合金。

常规铝锂合金铸锭制备过程中需要采用氩气保护熔体转移及铸造过程，本发明是将氩气先通过铸井，再回流到流槽中进行熔体保护，并未额外增加氩气，同时，氩气在铸井中与铸锭进行热交换后，以更高的温度回流至流槽，可有效减小流槽中熔体的温降问题（熔体温降减小5~10℃），有利于铸造工艺的稳定性控制。因此，本申请首先利用氩气实现了熔体的保护，但是关键在铸造过程中，氩气温度控制在-15~10℃，确保石墨环一冷却的冷却效果，即利用氩气冷却熔体替代了水冷，以此保证了铝锂合金铸锭制备过程中的安全性，而后氩气经过了循环利用且温度升高，进一步减少了熔体转移过程中的温降，保证了铝锂合金铸锭的质量。

因此，本发明主要解决了铝锂合金铸锭制备过程中安全问题，同时还具有以下优点：不额外增加成本；经热交换后的氩气，再回流到流槽中进行保护，与原有工艺相比，熔体转移中温降可减小5~10℃，有利于铸造工艺的稳定性控制；铸锭质量指标与常规工艺可保持一致。实验结果表明，本申请制备的铝锂合金铸锭的偏析率为7.0~8.5%，晶粒度为1~1.5级，疏松度为1级。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝锂合金铸锭高安全性的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

一种高安全性铝锂合金铸锭制备方法，合金牌号为2050，包括以下步骤：

步骤1：铝合金的化学成分质量百分比为：3.6%的Cu，0.9%的Li，0.5%的Mg，0.25%的Mn，0.37%的Ag，0.10%的Zr，余量为Al；根据目标合金的成分称取铝锭、中间合金、纯金属作为原料，将上述原料投入熔炼炉中；熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热升温；合金熔化后，温度达到745℃时，开始除气精炼，精炼采用氩气，氩气流量为60L/min，氩气压力为6bar，转子转速为700rpm，精炼过程中不采用精炼剂；

步骤2：结晶器通入氩气，氩气经过气箱，并通过铸井出气口进入流槽，当流槽及结晶器中氧气含量小于200ppm时，将高纯铝液从熔炼炉中转移至流槽开始进行铸造；

控制结晶器气箱氩气温度为-5~0℃，氩气流量为120L/min，氩气压力为10bar，以确保石墨环一冷区的冷却效果，使熔体近石墨环部位快速凝固成形，氩气再通过气箱气体出口，对外面已凝固成形的铸锭进行二次冷却，完成二次冷却的氩气，经铸井出气口输送至流槽中，对流槽中的熔体进行保护；

起铸速度控制在16mm/min，稳态铸造速度控制在20mm/min。

步骤3：铸造完成后，将铸锭送入均热炉进行均质，均质制度为495℃，保温30h。

实施例2

一种高安全性铝锂合金铸锭制备方法，合金牌号为2050，包括以下步骤：

步骤1：铝合金的化学成分质量百分比为：3.6%的Cu，0.9%的Li，0.5%的Mg，0.25%的Mn，0.37%的Ag，0.10%的Zr，余量为Al，根据目标合金的成分称取铝锭、中间合金、纯金属作为原料，将上述原料投入熔炼炉中；熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热升温；合金熔化后，温度达到745℃时，开始除气精炼，精炼采用氩气，氩气流量为60L/min，氩气压力为6bar，转子转速为700rpm，精炼过程中不采用精炼剂；

步骤2：结晶器通入氩气，氩气经过气箱，并通过铸井出气口进入流槽，当流槽及结晶器中氧气含量小于200ppm时，将高纯铝液从熔炼炉中转移至流槽开始进行铸造；

控制结晶器气箱氩气温度为0~5℃，氩气流量为100L/min，氩气压力为9bar，确保石墨环一冷区的冷却效果，使熔体近石墨环部位快速凝固成形，氩气再通过气箱气体出口，对外面已凝固成形的铸锭进行二次冷却，完成二次冷却的氩气，经铸井出气口输送至流槽中，对流槽中的熔体进行保护；

起铸速度控制在12mm/min，稳态铸造速度控制在15mm/min。

步骤3：铸造完成后，将铸锭送入均热炉进行均质，均质制度为495℃，保温30h。

对比例1

一种常规铝锂合金铸锭制备方法，合金牌号为2050，包括以下步骤：

步骤1：铝合金的化学成分质量百分比为：3.6%的Cu，0.9%的Li，0.5%的Mg，0.25%的Mn，0.37%的Ag，0.10%的Zr，余量为Al，根据目标合金的成分称取铝锭、中间合金、纯金属作为原料，将上述原料投入熔炼炉中；熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热升温；合金熔化后，温度达到745℃时，开始除气精炼，精炼采用氩气，氩气流量为60L/min，氩气压力为6bar，转子转速为700rpm，精炼过程中不采用精炼剂；

步骤2：流槽及结晶器通入氩气，当流槽及结晶器中氧气含量小于200ppm时，将经过除气的高纯铝液经流槽引入结晶器进行半连续直冷铸造，铸造过程开启刮水器，铸造速度为26mm/min，水流量为60m³/h，铸造完成后，关闭冷却水，进行回火处理；

步骤3：将铸锭送入均热炉进行均质，均质制度为495℃，保温30h。

对比例2

一种高安全性铝锂合金铸锭制备方法，合金牌号为2050，包括以下步骤：

步骤1：铝合金的化学成分质量百分比为：3.6%的Cu，0.9%的Li，0.5%的Mg，0.25%的Mn，0.37%的Ag，0.10%的Zr，余量为Al，根据目标合金的成分称取铝锭、中间合金、纯金属作为原料，将上述原料投入熔炼炉中；熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热升温；合金熔化后，温度达到745℃时，开始除气精炼，精炼采用氩气，氩气流量为60L/min，氩气压力为6bar，转子转速为700rpm，精炼过程中不采用精炼剂；

步骤2：结晶器通入氩气，氩气经过气箱，并通过铸井出气口进入流槽，当流槽及结晶器中氧气含量小于200ppm时，将高纯铝液从熔炼炉中转移至流槽开始进行铸造；

控制结晶器气箱氩气温度为20~25℃，氩气流量为100L/min，压气压力为9bar，确保石墨环一冷区的冷却效果，使熔体近石墨环部位快速凝固成形，氩气再通过气箱气体出口，对外面已凝固成形的铸锭进行二次冷却，完成二次冷却的氩气，经铸井出气口输送至流槽中，对流槽中的熔体进行保护；

起铸速度控制在12mm/min，稳态铸造速度控制在15mm/min。

步骤3：铸造完成后，将铸锭送入均热炉进行均质，均质制度为495℃，保温30h。

表1为不同实施例和对比例制备的铸锭质量对比，

表1 实施例和对比例制备的铝锂合金铸锭的质量对比表

由表1可知，本发明制备的铸锭质量与常规方法一致；图4为实施例1制备的铝锂合金铸锭的显微组织照片，图5为对比例1制备的铝锂合金铸锭的显微组织照片，由图4和图5可知，本申请实施例制备的铝锂合金铸锭的显微组织与现有技术中制备的铝锂合金铸锭的显微组织基本一致。根据现有公开的事故信息，铝熔铸发生爆炸的因素都是铝熔体与水接触，这也是铝熔体爆炸的条件，只要排除了与水接触的条件，就无发生爆炸的风险；因本申请采用了无水冷却方法，即使在生产过程中发生漏铝，也不会导致发生爆炸等安全问题。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种铝锂合金铸锭高安全性的制备方法，包括以下步骤：

S1）熔炼铝锂合金熔体；

S2）在结晶器中通入氩气，氩气依次经气箱、铸井出气口进入流槽，所述流槽和所述结晶器中的氧气含量小于300ppm时，将所述铝锂合金熔体转移至流槽进行铸造；

在铸造的过程中，控制气箱中氩气温度为-15~10℃，使所述铝锂合金熔体快速凝固成型，氩气再经过气箱气体出口对凝固成型的铸锭再次冷却，将再次冷却的氩气经铸造井出口输送至流槽；

S3）将步骤S2）得到的铸锭进行均质，得到铝锂合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1）步骤中，所述熔炼铝锂合金熔体的步骤具体为：

按照铝锂合金铸锭的成分称取符合比例关系铝锭、中间合金和纯金属材料作为原料，将所述原料投入熔炼炉中；

在熔炼炉中通入氩气，当熔炼炉中氧气含量小于200ppm时，开始加热熔炼，温度达到700~800℃，开始除气精炼，精炼采用氩气，氩气流量为50~70L/min，氩气压力为4.0~10.0bar，转子转速为700~900rpm，精炼过程中不采用精炼剂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2）中，所述流槽和所述结晶器中的氧气含量小于200ppm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铸造的起铸速度为10~30mm/min，稳态铸造速度为10~50mm/min。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述铸造的起铸速度为10~15mm/min，稳态铸造速度为15~30mm/min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述均质的温度为400~500℃，保温20~50h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述均质的温度为450~500℃，保温25~40h。

8.根据权利要求1~7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述铝锂合金铸锭包括2050铝合金、2195铝合金、1420铝合金、2196铝合金或2099铝合金。

9.根据权利要求1~7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述铝锂合金铸锭的偏析率为7.0~8.5%，晶粒度为1~1.5级。