CN111575561B - 一种大深度承压壳体用铝锂合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大深度承压壳体用铝锂合金及其制备方法，包括如下质量百分比的金属原材料：Li 1.0‑1.5％、Cu 3.2‑5.0％、Mg 0.2‑1.0％、Ag 0.4‑0.9％、Zr 0.08‑0.18％、Mn 0.1‑0.5％、Zn 0.2‑1.0％、Si≦0.05％、Fe≦0.8％、Ti≦0.1％、余量为Al；制备时包括以下步骤：(1)配料；(2)喷射成形制备合金锭坯；(3)挤压；(4)锻造镦粗；(5)反向挤压；(6)热处理；(7)去应力时效；本发明利用氩气保护熔炼、炉内精炼的方式，制备出洁净度高、含氢量少的高质量熔体，并采用喷射沉积和电磁搅拌技术制备出高冶金质量铝锂合金铸锭，喷射沉积工艺解决了铝锂合金铸锭组织不均匀、宏观偏析等问题，本发明中制得的铝锂合金锭坯规格为直径＞Φ550mm，形状规则，致密度高，化学成分均匀无宏观偏析。

Description

一种大深度承压壳体用铝锂合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金制备工艺技术领域，更具体的是涉及一种大深度承压壳体用铝锂合金及其制备方法。

背景技术

目前水中兵器的大部分壳体仍采用传统的金属材料。美国对于耐蚀性要求高而强度要求不高的水中兵器壳体采用AA606l-T6铝合金，而对耐蚀性和强度要求均高的壳体则采用AA7175-T73铝合金。强大攻击力的重型水中兵器是必备的杀伤武器，对大深度承压壳体用铝合金提出了高强、轻质及制造技术等更高的要求。

锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。正是由于这种合金的许多优点，吸引着许多科学家对它进行研究，铝锂合金的开发事业犹如雨后春笋般迅速发展起来了；铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度的特点，还具有良好的疲劳性能、优异的耐腐蚀性能、卓越的塑性成形性能和良好的焊接性等诸多优异性能。因此，铝锂合金成为现在武器装备最具潜力的金属结构材料。

现有生产铝锂合金的工序是将配制好的液态合金熔体经铸造，凝固形成铝锂合金锭坯，然后再通过对锭坯施加挤压、轧制、锻造、环轧等一种或多种变形使其成为航空航天可使用的原材料或构件，通常情况下涉及凝固过程的生产环节(包括模铸、半连续铸造等)并不是生产零件的最终工序，但是由于金属材料的“组织遗传”现象，凝固过程中所形成的材料组织却几乎伴随着零件的整个生命周期，一旦在凝固生产环节发生化学成分的不均匀性以及粗大组织形态，后续加工将很难有效改善，最终影响着零件的性能；

传统的铸造法制备铝锂合金，由于锂非常活泼，在大气中极易氧化，使得铸造过程中锂的烧损量很大，锂的成分很难控制，氧化物不易排除，同时溶体容易吸氢，产生夹杂物和气孔，材料的性能，尤其是韧性减低严重；喷射成形技术是一种凝固冷却速度大，一次近净成型大尺寸锭坯的先进制备技术，可以获得细小均匀的微观组织，并可极大的拓宽合金元素的过饱和固溶度，为开发制备高镁、硅、锂含量的铝合金结构材料，提供解决制备问题的最佳技术方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提出了一种大深度承压壳体用铝锂合金，包括如下质量百分比的金属原材料：Li1.0-1.5％、Cu3.2-5.0％、Mg0.2-1.0％、Ag0.4-0.9％、Zr0.08-0.18％、Mn0.1-0.5％、Zn0.2-1.0％、Si≦0.05％、Fe≦0.8％、Ti≦0.1％、余量为Al。

作为本发明技术方案的进一步优化，一种大深度承压壳体用铝锂合金，其，包括如下质量百分比的金属原材料：Li1.2-1.5％、Cu3.6-4.8％、Mg0.4-1.0％、Ag0.5-0.8％、Zr0.12-0.18％、Mn0.2-0.4％、Zn0.6-0.9％、Si≦0.05％、Fe≦0.8％、Ti≦0.1％、余量为Al。

一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：按合金化学成分的质量百分比称料，并将除纯锂以外的其他原料投入熔炼炉中熔炼；在惰性气体保护下加入高纯锂锭，熔炼温度为730-780℃，溶化后形成熔体；在所述熔体表面撒覆盖剂，除气除渣精炼后，将铝液注入中间包，同时向熔体深度3/4处通入氩气精炼30-60min；

(2)喷射成形制备合金锭坯：熔体精炼后，转入漏包进行电磁搅拌；将漏包中的液态金属在惰性气氛中雾化，形成半固态喷射流，通过控制喷射成形设备的工艺参数，使半固态喷射流沉积到接收盘上，凝固形成铝锂合金锭坯；

其中，在喷射沉积过程中，沉积下来的金属液源源不断的为锭坯提供热量，使得锭坯处于长时间处于300℃-550℃范围内，消除部分残余应力。喷射成形熔体经过惰性气体雾化后形成微米级的液滴，在整个锭坯沉积面均匀凝固，内外冷却速度基本一致，宏观热应力小，由于喷射成形锭坯残余应力较低，喷射成形锭坯无需经均匀化退火，可直接进行冷、热加工，节约了生产成本，提高生产效率。

(3)挤压：将步骤(2)中得到的铝锂合金锭坯车掉氧化皮，得到铝锂合金喷射光锭，然后将铝锂合金喷射光锭回炉保温，保温温度为420-460℃，保温8-24h得到初品，将初品通过热加工挤压致密化，得到挤压棒材；

具体地，在挤压过程中，初品进入挤压筒，先用盲模闷实，进一步致密化，挤压力不大于11000MN，保持时间不少于30s，闷实工序完，换用挤压模具进行正向挤压，模具温度：420-460℃，挤压筒温度：420-460℃，主推杆速度：0.1-1mm/s，挤压比：3-12；挤压设备：12500MN卧式正向挤压机，挤压筒直径Ф650mm。

(4)锻造镦粗：将挤压棒材去除缩尾，车平挤压棒材端面以及倒圆角后，将挤压棒材回炉保温，保温温度控制为430-500℃，保温至少10h；然后使用锻压机将挤压棒材进行下压镦粗，采用点压模式进行下压，轴向下压至原高度的1/2时，进行滚圆处理，以消除鼓肚；

(5)反向挤压：经镦粗后采用反向挤压机获得孔径不大于430mm的反向挤压管材，反向挤压前挤压棒材在温度440-480℃之间保温至少10h；其中，反向挤压机包括油压锻造机、安装在油压锻造机上的冲头以及设置在所述冲头正下方的反挤压模具；

具体地，将冲头安装在油压锻造机上，反挤压模具安装在锻压机下对准所述冲头，将镦粗后的棒材置于反挤压筒内，先使用压实垫片进行压实，保压时间不低于60s，取出垫片，将冲头对准棒材正中，分多次进行反挤压，挤压完将反向挤压管材底部连皮部分锯切，保证去除裂纹，然后对反向挤压管材内外表面进行机加工，去除挤压黑皮，然后进行超声波探伤，使得到的反向挤压管材满足GJB1580A-2004中A级要求；其中，所述的锻压机为3000MN油压机，反挤压筒直径不小于550mm，冲头直径不大于430mm。

(6)热处理：将反向挤压管材依次进行固溶、预变形和时效处理；

(7)去应力时效：将经过热处理的反向挤压管材放到振动平台上，进行振动时效；振动平台振动频率为50-100Hz，时间为20-60min；振动时效后构件的残余应力绝对差值不大于100MPa。

作为本发明技术方案的进一步优化，所述的覆盖剂为LiCl和KCl的混合物。

作为本发明技术方案的进一步优化，步骤(2)中电磁搅拌的电磁场参数为：频率为10-15Hz，线圈匝数为100-200。

作为本发明技术方案的进一步优化，步骤(2)中喷射成形设备的工艺参数为：喷射成形雾化气体选用高纯氩气，雾化压力0.5-1.5MPa，雾化温度为600-900℃，接收盘转速为20-60rpm，接收盘下降速度为1-5mm/s，接收距离300-500mm；喷射成形的沉积室采用氩气保护，喷射过程中保持与大气环境压力0.5-1.5倍以上的正压。

作为本发明技术方案的进一步优化，步骤(4)中镦粗工序的下压量为10-30mm，下压速度不高于3mm/s。

作为本发明技术方案的进一步优化，步骤(5)中反向挤压的工艺参数为：反向挤压温度为440-480℃，冲头速度不高于3mm/s，下压量为400-500mm。

作为本发明技术方案的进一步优化，步骤(6)中热处理具体包括以下步骤：

S01：固溶处理：将反向挤压管材加热至500-520℃，保温至少5h，使用50-80℃水，优选为60-70℃的水进行淬火处理，淬火转移不大于15s；

S02：将步骤S01中经过固溶处理的反向挤压管材进行预变形，变形量为3-6％；优选为采用马架扩的方式进行预变形，控制转动量20-30mm/每次，旋转转动2-3周；

S03：将步骤S02得到的反向挤压管材在140-170℃下保温15-40h，随后出炉空冷。

本发明的有益效果如下：本发明利用氩气保护熔炼、炉内精炼的方式，制备出洁净度高、含氢量少的高质量熔体，并采用喷射沉积和电磁搅拌技术制备出高冶金质量铝锂合金铸锭，喷射沉积工艺解决了铝锂合金铸锭组织不均匀、宏观偏析等问题，本发明中制得的铝锂合金锭坯规格为直径＞Φ550mm，形状规则，致密度高，化学成分均匀无宏观偏析；另外利用热挤压变形提高了铝锂合金沉积锭坯的致密度，并通过后续形变热处理工艺能够制备出高性能武器装备用铝锂合金构件。

附图说明

图1是本发明中铝锂合金的喷射态组织图；

图2是本发明反向挤压管材的金相组织图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种大深度承压壳体用铝锂合金，包括如下质量百分比的金属原材料：Li1.15％、Cu4.13％、Mg0.48％、Ag0.56％、Zr0.14％、Mn0.33％、Zn0.8％、Si0.03％、Fe0.05％、Ti0.02％、余量为Al。

一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：按合金化学成分的质量百分比称料，并将除纯锂以外的其他原料投入熔炼炉中熔炼；在惰性气体保护下加入高纯锂锭，熔炼温度为750℃，溶化后形成溶体；在所述熔体表面撒覆盖剂，除气除渣精炼后，将铝液注入中间包，同时向熔体深度3/4处通入氩气精炼45min；

(2)喷射成形制备合金锭坯：熔体精炼后，转入漏包进行电磁搅拌；将漏包中的液态金属在惰性气氛中雾化，形成颗粒喷射流，通过控制喷射成形设备的工艺参数，使颗粒喷射流沉积到接收盘上，凝固形成铝锂合金锭坯；其中，喷射成形雾化气体选用高纯氩气，雾化压力0.5-1.5MPa，雾化温度为600-900℃，接收盘转速为20-60rpm，接收盘下降速度为1-5mm/s，接收距离300-500mm；喷射成形的沉积室采用氩气保护，喷射过程中保持与大气环境压力0.5-1.5倍以上的正压；

(3)挤压：将步骤(2)中得到的铝锂合金锭坯车掉氧化皮，得到铝锂合金喷射光锭，然后将铝锂合金喷射光锭回炉保温，保温温度为445℃，保温20h得到初品，将初品通过热加工挤压致密化，得到挤压棒材；

(4)锻造镦粗：将挤压棒材去除缩尾，车平挤压棒材端面以及倒圆角后，将挤压棒材回炉保温，保温温度控制为480℃，保温至少10h；然后使用锻压机将挤压棒材进行下压镦粗，采用点压模式进行下压，轴向下压至原高度的1/2时，进行滚圆处理，以消除鼓肚；每次下压量为25mm，下压速度不高于3mm/s；

(5)反向挤压：经镦粗后采用反向挤压机获得孔径不大于430mm的反向挤压管材，反向挤压前挤压棒材在温度460℃之间保温至少10h；其中，反向挤压机包括油压锻造机、安装在油压锻造机上的冲头以及设置在所述冲头正下方的反挤压模具；反向挤压温度为450℃，冲头速度不高于3mm/s，下压量为450mm；

(6)热处理：将反向挤压管材依次进行固溶、预变形和时效处理；

热处理具体包括以下步骤：

S01：固溶处理：将反向挤压管材加热至515℃，保温至少5h，使用60-70℃的水进行淬火处理；

S02：将步骤S01中经过固溶处理的反向挤压管材进行预变形，变形量为3-6％；

S03：将步骤S02得到的反向挤压管材在165℃下保温35h，随后出炉空冷。

(7)去应力时效：将经过热处理的反向挤压管材放到振动平台上，进行振动时效。

实施例2

一种大深度承压壳体用铝锂合金，包括如下质量百分比的金属原材料：Li1.25％、Cu3.89％、Mg0.67％、Ag0.69％、Zr0.12％、Mn0.42％、Zn0.47％、Si0.02％、Fe0.25％、Ti0.07％、余量为Al。

一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：按合金化学成分的质量百分比称料，并将除纯锂以外的其他原料投入熔炼炉中熔炼；在惰性气体保护下加入高纯锂锭，熔炼温度为780℃，溶化后形成溶体；在所述熔体表面撒覆盖剂，除气除渣精炼后，将铝液注入中间包，同时向熔体深度3/4处通入氩气精炼60min；

(2)喷射成形制备合金锭坯：熔体精炼后，转入漏包进行电磁搅拌；将漏包中的液态金属在惰性气氛中雾化，形成半固态喷射流，通过控制喷射成形设备的工艺参数，使半固态喷射流沉积到接收盘上，凝固形成铝锂合金锭坯；其中，喷射成形雾化气体选用高纯氩气，雾化压力0.5-1.5MPa，雾化温度为600-900℃，接收盘转速为20-60rpm，接收盘下降速度为1-5mm/s，接收距离300-500mm；喷射成形的沉积室采用氩气保护，喷射过程中保持与大气环境压力0.5-1.5倍以上的正压；

(3)挤压：将步骤(2)中得到的铝锂合金锭坯车掉氧化皮，得到铝锂合金喷射光锭，然后将铝锂合金喷射光锭回炉保温，保温温度为460℃，保温24h得到初品，将初品通过热加工挤压致密化，得到挤压棒材；

(4)锻造镦粗：将挤压棒材去除缩尾，车平挤压棒材端面以及倒圆角后，将挤压棒材回炉保温，保温温度控制为445℃，保温至少10h；然后使用锻压机将挤压棒材进行下压镦粗，采用点压模式进行下压，轴向下压至原高度的1/2时，进行滚圆处理，以消除鼓肚；每次下压量为15mm，下压速度不高于3mm/s；

(5)反向挤压：经镦粗后采用反向挤压机获得孔径不大于430mm的反向挤压管材，反向挤压前挤压棒材在温度440-480℃之间保温至少10h；其中，反向挤压机包括油压锻造机、安装在油压锻造机上的冲头以及设置在所述冲头正下方的反挤压模具；反向挤压温度为440-480℃，冲头速度不高于3mm/s，下压量为400-500mm；

(6)热处理：将反向挤压管材依次进行固溶、预变形和时效处理；

热处理具体包括以下步骤：

S01：固溶处理：将反向挤压管材加热至520℃，保温至少5h，使用60-70℃的水进行淬火处理；

S02：将步骤S01中经过固溶处理的反向挤压管材进行预变形，变形量为3-6％；

S03：将步骤S02得到的反向挤压管材在160℃下保温25h，随后出炉空冷。

(7)去应力时效：将经过热处理的反向挤压管材放到振动平台上，进行振动时效。

性能测试

实施例1、实施例2室温力学性能测试结果如表1所示。

表1实施例1-2的室温力学性能

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配料：按合金化学成分的质量百分比称料，并将除纯锂以外的其他原料投入熔炼炉中熔炼；在惰性气体保护下加入高纯锂锭，熔炼温度为730-780℃，熔化 后形成熔体；在所述熔体表面撒覆盖剂，除气除渣精炼后，将铝液注入中间包，同时向熔体深度3/4处通入氩气精炼30-60min；合金包括如下质量百分比的金属原材料：Li 1.2-1.5%、Cu 3.6-4.8%、Mg0.4-1.0%、Ag 0.5-0.8%、Zr 0.12-0.18%、Mn 0.2-0.4%、Zn 0.6-0.9%、Si ≦0.04%、Fe ≦0.6%、Ti ≦0.08%、余量为Al；

（2）喷射成形制备合金锭坯：熔体精炼后，转入漏包进行电磁搅拌；将漏包中的液态金属在惰性气氛中雾化，形成半固态喷射流，通过控制喷射成形设备的工艺参数，使半固态喷射流沉积到接收盘上，凝固形成铝锂合金锭坯；

（3）挤压：将步骤(2)中得到的铝锂合金锭坯车掉氧化皮，得到铝锂合金喷射光锭，然后将铝锂合金喷射光锭回炉保温，保温温度为420-460℃，保温8-24h得到初品，将初品通过热加工挤压致密化，得到挤压棒材；

（4）锻造镦粗：将挤压棒材去除缩尾，车平挤压棒材端面以及倒圆角后，将挤压棒材回炉保温，保温温度控制为430-500℃，保温至少10 h；然后使用锻压机将挤压棒材进行下压镦粗，轴向下压至原高度的1/2时，进行滚圆处理；

（5）反向挤压：经镦粗后采用反向挤压机获得孔径不大于430 mm的反向挤压管材，反向挤压前挤压棒材在温度440-480℃之间保温至少10 h；其中，反向挤压机包括油压锻造机、安装在油压锻造机上的冲头以及设置在所述冲头正下方的反挤压模具；

（6）热处理：将反向挤压管材依次进行固溶、预变形和时效处理；

热处理具体包括以下步骤：

S01：固溶处理：将反向挤压管材加热至500-520℃，保温至少5h，使用50℃-80℃水进行淬火处理；

S02：将步骤S01中经过固溶处理的反向挤压管材进行预变形，变形量为3-6%；

S03：将步骤S02得到的反向挤压管材在140-170℃下保温15-40 h，随后出炉空冷；

（7）去应力时效：将经过热处理的反向挤压管材放到振动平台上，进行振动时效。

2.根据权利要求1所述的一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，其特征在于，所述的覆盖剂为LiCl和KCl的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中电磁搅拌的电磁场参数为：频率为10-15 Hz，线圈匝数为100-200。

4.根据权利要求1所述的一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中喷射成形设备的工艺参数为：喷射成形雾化气体选用高纯氩气，雾化压力0.5-1.5MPa，雾化温度为600-900℃，接收盘转速为20-60 rpm，接收盘下降速度为1-5 mm/s，接收距离300-500mm；喷射成形的沉积室采用氩气保护，喷射过程中保持氩气压力为0.5-1.5个大气压。

5.根据权利要求1所述的一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中镦粗工序的下压量为10-30 mm，下压速度不高于3 mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种大深度承压壳体用铝锂合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)中反向挤压的工艺参数为：反向挤压温度为440-480℃，冲头速度不高于3 mm/s，下压量为400-500 mm。

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