CN108866407A - 一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭及其制造方法 - Google Patents

一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭及其制造方法，它涉及一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭及其制造方法，本发明是要解决现有方法制造的航空航天用铝合金大规格扁铸锭焊接接头强度系数低、寿命低的问题，航空航天用铝合金大规格扁铸锭是由Cu、Mn、Zr、V、Ti和余量的Al作为熔炼原料而制成；方法：一、称取熔炼原料；二、制备铝合金熔体；三、合金熔体进行铸造得到铝合金扁铸锭。本发明制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭焊接接头强度系数提高到65％，焊接性能也明显改善。本发明应用于铝合金扁铸锭制造领域。

Description

一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭及其制造方法。
背景技术
随着航空事业的不断发展，国家对于飞行器的需求也在不断提高，飞行器不断向大型化、整体化、轻量化、长寿命、可回收方向发展，对机体铝合金材料提出了更高要求：1)重量更轻；2)强度更强；3)质量更稳定；4)回收性更强；5)使用年限更长；6)成本更低；7)维护更简便。这就要求铝合金具有高比强度、比刚度、抗断裂韧性、耐疲劳性能、低疲劳裂纹扩展速率和耐蚀性能等综合性能的匹配。
目前，国内的航空航天的部分主体材料已经国产化，航空器的机体材料也已经实现全面国产，但现有方法制造的航空航天用铝合金大规格扁铸锭焊接接头强度系数低、寿命低的问题，航空航材焊接性能不良、焊接接头强度系数仅为56％，为了国家航天事业朝着更远大的未来展望，超高强度的大规格铝合金板材的应用势在必行，因此航空航天用超高强度铝合金大规格的发明是非常必要的。
发明内容
本发明是要解决现有方法制造的航空航天用铝合金大规格扁铸锭焊接接头强度系数低、寿命低的问题，提供了的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭及其制造方法。
本发明一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭是按质量百分含量由5.8％～6.8％的Cu、0.2％～0.4％的Mn、0.10％～0.25％的Zr、0.05％～0.15％的V、0.02％～0.1％的Ti和余量的Al作为熔炼原料制成；且所述航空航天用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比均小于0.10％，杂质Mg质量百分比小于0.02％，杂质Pb、Sn、Bi质量百分比均小于0.001％。
本发明一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：
一、称取：按质量百分含量5.8％～6.8％Cu、0.2％～0.4％Mn、0.10％～0.25％Zr、0.05％～0.15％V、0.02％～0.1％Ti和余量的Al，称取精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金和金属铜；
二、制备铝合金熔体：将精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金和铝钒中间合金加入到料斗内，通过料斗投入油气熔炼炉内，在温度为720℃～750℃下加热至软化下塌及炉料化平，加入金属铜；然后待炉料全部熔化后，在温度为720℃～750℃的条件下加入保护合金后进行搅拌，搅拌速度为0.5m/s～1.5m/s，搅拌时间为10min～20min，即得到铝合金熔液；在铝液中取样做化学成分分析，确保铝液化学成分符合步骤一中各元素的质量百分比；化学成分符合要求后，在油气熔炼炉两侧同时使用氩气保护精炼熔体10min～30min，得到合金熔体；
三、铸造：在温度为730℃～750℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入保温炉，在温度为720℃～740℃、Ar-Cl2混合气体的条件下，精炼10min～30min，然后静置10min～30min，得到铸造熔体；在温度720℃～740℃、铸造速度为45mm/min～55mm/min、铸造温度为695℃～710℃、铸造冷却水流量为80m3/min～100m3/min的条件下使用大规格低液位结晶器将铸造熔体制成航空航天用铝合金大规格扁铸锭；其中铸造过程中保温炉内的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平；
所述航空航天用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.10％，杂质Mg质量百分比小于0.02％，杂质Pb、Sn、Bi质量百分比均小于0.001％。
本发明的优点：一、本发明采用油气熔化炉熔化、同时加入Al-Be中间合金，Al-Be中间合金作为保护合金保证熔体纯净度，不参与反应；二、本发明采用高纯铝投料，熔化炉氩气精炼、保温炉氩氯混合气精炼熔体严格控制杂质元素Fe、Si及其他有害元素Na、K、H、Pb、Sn、Bi等的含量，以保证熔体纯净度，减少杂质对熔体内部的影响；三、本发明采用自主设计开发的的大规格低液位结晶器铸造，重新平衡铸锭应力分布的同时保证铸锭表面质量；四、本发明在铸造过程中使用了刮水板装置，减少了铸锭纵向收缩，降低了铸锭轧制面裂纹倾向性；五、本发明在线除气使用双级除气，过滤片采用进口30ppi+50ppi陶瓷片过滤，保证除气除渣效果，提高熔体质量。本发明制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭焊接接头强度系数提高到65％，焊接性能也明显改善。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭是按质量百分含量由5.8％～6.8％的Cu、0.2％～0.4％的Mn、0.10％～0.25％的Zr、0.05％～0.15％的V、0.02％～0.1％的Ti和余量的Al作为熔炼原料制成；且所述航空航天用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比均小于0.10％，杂质Mg质量百分比小于0.02％，杂质Pb、Sn、Bi质量百分比均小于0.001％。
本实施方式采用高纯铝投料，熔化炉氩气精炼、保温炉氩氯混合气精炼熔体严格控制杂质元素Fe、Si及其他有害元素Na、K、H、Pb、Sn、Bi等的含量，以保证熔体纯净度，减少杂质对熔体内部的影响。
具体实施方式二：本实施方式一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：
一、称取：按质量百分含量5.8％～6.8％Cu、0.2％～0.4％Mn、0.10％～0.25％Zr、0.05％～0.15％V、0.02％～0.1％Ti和余量的Al，称取精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金和金属铜；
二、制备铝合金熔体：将精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金和铝钒中间合金加入到料斗内，通过料斗投入油气熔炼炉内，在温度为720℃～750℃下加热至软化下塌及炉料化平，加入金属铜；然后待炉料全部熔化后，在温度为720℃～750℃的条件下加入保护合金后进行搅拌，搅拌速度为0.5m/s～1.5m/s，搅拌时间为10min～20min，即得到铝合金熔液；在铝液中取样做化学成分分析，确保铝液化学成分符合步骤一中各元素的质量百分比；化学成分符合要求后，在油气熔炼炉两侧同时使用氩气保护精炼熔体10min～30min，得到合金熔体；
三、铸造：在温度为730℃～750℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入保温炉，在温度为720℃～740℃、Ar-Cl2混合气体的条件下，精炼10min～30min，然后静置10min～30min，得到铸造熔体；在温度720℃～740℃、铸造速度为45mm/min～55mm/min、铸造温度为695℃～710℃、铸造冷却水流量为80m3/min～100m3/min的条件下使用大规格低液位结晶器将铸造熔体制成航空航天用铝合金大规格扁铸锭；其中铸造过程中保温炉内的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平；
所述航空航天用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.10％，杂质Mg质量百分比小于0.02％，杂质Pb、Sn、Bi质量百分比均小于0.001％。
本实施方式采用油气熔化炉熔化、同时加入Al-Be中间合金，Al-Be中间合金作为保护合金保证熔体纯净度，不参与反应；本实施方式采用大规格低液位结晶器铸造，重新平衡铸锭应力分布的同时保证铸锭表面质量；在铸造过程中使用了刮水板装置，减少了铸锭纵向收缩，降低了铸锭轧制面裂纹倾向性；在线除气使用双级除气，过滤片采用进口30ppi+50ppi陶瓷片过滤，保证除气除渣效果，提高熔体质量。本实施方式制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭焊接接头强度系数提高到65％，焊接性能也明显改善。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中精铝的纯度为99.99％。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤二中保护合金为Al-Be中间合金。其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤二中做化学成分分析取样是分别在二个炉门取样，取样深度为熔体的1/2处。其它步骤及参数与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二之一不同的是：步骤二加AL-Be中间合金后搅拌20min。其它步骤及参数与具体实施方式二至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤二中氩气的通入速率为0.25m3/min～0.35m3/min、精炼时间30min。其它步骤及参数与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤三合金熔体导入保温炉的过程中使用2#熔剂块进行叠坝处理。其它步骤及参数与具体实施方式二至七之一相同。
本实施方式中2#熔剂堆放在导炉流道末端，进行控流，熔剂熔化后，进入保温炉形成保护膜，保护熔体。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤三是通入Ar-Cl2混合气体的速率为0.15m3/min～0.25m3/min。其它步骤及参数与具体实施方式二至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是：步骤三铸造过程中在线使用双级除气和双级过滤。其它步骤及参数与具体实施方式二至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式二至十之一不同的是：双级除气设备气体压力均为4Mpa～5Mpa。其它步骤及参数与具体实施方式二至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式二至十一之一不同的是：双级过滤使用过滤片为进口30ppi+50ppi陶瓷片。其它步骤及参数与具体实施方式二至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式二至十二之一不同的是：步骤三铸造过程中使用大规格、低液位、同水平铸造。其它步骤及参数与具体实施方式二至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式二至十三之一不同的是：步骤三在铸造过程中采用刮水板阻挡多余的冷却水，其中挡水板在结晶器下方200-500mm处固定位置，将冷却水与铸锭分离。其它步骤及参数与具体实施方式二至十三之一相同。
实施例一：
一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：
一、称取：按质量百分含量6.2％Cu、0.3％Mn、0.13％Zr、0.07％V、0.05％Ti和余量的Al，称取精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金和金属铜；
二、制备铝合金熔体：将精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金和铝钒中间合金加入到料斗内，通过料斗投入油气熔炼炉内，在温度为730℃下加热至软化下塌及炉料化平，加入金属铜；然后待炉料全部熔化后，在温度为730℃的条件下加入Al-Be中间合金后使用叉车进行搅拌，搅拌速度为1m/s，搅拌时间为15min，即得到铝合金熔液；在铝液中取样做化学成分分析，确保铝液化学成分符合步骤一中各元素的质量百分比；化学成分符合要求后，在油气熔炼炉两侧同时使用氩气保护精炼熔体30min，得到合金熔体；
三、铸造：在温度为740℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入保温炉，在温度为730℃、Ar-Cl2混合气体的条件下，精炼30min，然后静置30min，得到铸造熔体；在温度730℃、铸造速度为50mm/min、铸造温度为705℃、铸造冷却水流量为90m3/min的条件下使用大规格低液位结晶器将铸造熔体制成航空航天用铝合金大规格扁铸锭；其中铸造过程中保温炉内的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平；
所述航空航天用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.10％，杂质Mg质量百分比小于0.02％，杂质Pb、Sn、Bi质量百分比均小于0.001％。
步骤一中所述的精铝纯度为99.99％；
步骤三合金熔体导入保温炉的过程中使用2#熔剂块进行叠坝处理。所述的熔剂块由质量百分比为40％的KCl、45％的MgCl2、8％的BaCl2、7％的NaCl+CaCl2组成。
表1:实施例一制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭的各试样化学成分(％)
注：1-3为铝合金铸锭宽度方向由边部到中心；3-5为铝合金铸锭厚度方向由边部到中心。
实施例一制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭的化学成分见表1，从化学成分上看符合该合金技术标准，由中心到边部化学成分偏析较小，成分均匀、符合偏析规律。
对实施例一制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向，从边部至中心取20mm×20mm试样，进行铸锭高倍组织检查。由高倍图片得知，从中心到边部，枝晶间距逐渐减小，第二相分布均匀，符合结晶规律。
对实施例一制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭沿厚度方向由边部至中心切取20mm×120mm试样，进行铸锭力学性能对比(见表2)。
表2实施例一制得的航空航天用铝合金大规格扁铸锭力学性能检测结果
注：7-11为铝合金铸锭厚度方向由边部到中心。
从表2中可以看出，实施例一铸锭的性能差别较小，各部位组织比较均匀，规定非比例伸长应力、抗拉强度及伸长率明显高于以往航空航材用铝合金的性能。
对实施例一制备的铸锭的焊接性能及接头强度系数进行测试，焊接接头强度系数提高到65％，焊接性能也明显改善。

Claims (10)

1.一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭，其特征在于航空航天用铝合金大规格扁铸锭是按质量百分含量由5.8％～6.8％的Cu、0.2％～0.4％的Mn、0.10％～0.25％的Zr、0.05％～0.15％的V、0.02％～0.1％的Ti和余量的Al作为熔炼原料制成；且所述航空航天用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比均小于0.10％，杂质Mg质量百分比小于0.02％，杂质Pb、Sn、Bi质量百分比均小于0.001％。
2.如权利要求1所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：
一、称取：按质量百分含量5.8％～6.8％Cu、0.2％～0.4％Mn、0.10％～0.25％Zr、0.05％～0.15％V、0.02％～0.1％Ti和余量的Al，称取精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金和金属铜；
二、制备铝合金熔体：将精铝、铝锆中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金和铝钒中间合金加入到料斗内，通过料斗投入油气熔炼炉内，在温度为720℃～750℃下加热至软化下塌及炉料化平，加入金属铜；然后待炉料全部熔化后，在温度为720℃～750℃的条件下加入保护合金后进行搅拌，搅拌速度为0.5m/s～1.5m/s，搅拌时间为10min～20min，即得到铝合金熔液；在铝液中取样做化学成分分析，确保铝液化学成分符合步骤一中各元素的质量百分比；化学成分符合要求后，在油气熔炼炉两侧同时使用氩气保护精炼熔体10min～30min，得到合金熔体；
三、铸造：在温度为730℃～750℃的条件下，将步骤二得到的合金熔体导入保温炉，在温度为720℃～740℃、Ar-Cl2混合气体的条件下，精炼10min～30min，然后静置10min～30min，得到铸造熔体；在温度720℃～740℃、铸造速度为45mm/min～55mm/min、铸造温度为695℃～710℃、铸造冷却水流量为80m3/min～100m3/min的条件下使用大规格低液位结晶器将铸造熔体制成航空航天用铝合金大规格扁铸锭；其中铸造过程中保温炉内的合金熔体液面和流盘内的合金熔体液面在同一水平；
所述航空航天用铝合金大规格扁铸锭中杂质Si、Fe质量百分比小于0.10％，杂质Mg质量百分比小于0.02％，杂质Pb、Sn、Bi质量百分比均小于0.001％。
3.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤一中精铝的纯度为99.99％。
4.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤二中保护合金为Al-Be中间合金。
5.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤二中做化学成分分析取样是分别在二个炉门取样，取样深度为熔体的1/2处。
6.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤二加AL-Be中间合金后搅拌20min。
7.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤二中氩气的通入速率为0.25m3/min～0.35m3/min、精炼时间30min。
8.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤三合金熔体导入保温炉的过程中使用2#熔剂块进行叠坝处理。
9.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤三是通入Ar-Cl2混合气体的速率为0.15m3/min～0.25m3/min。
10.根据权利要求2所述的一种航空航天用铝合金大规格扁铸锭的制造方法，其特征在于步骤三铸造过程中在线使用双级除气和双级过滤。
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