超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)的發(fā)展

（東風(fēng)本田發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 鑄造科，廣東 廣 州 5 10700）

超高強(qiáng)鋁合金是航空航天工業(yè)中主要的結(jié)構(gòu)材料，其具有密度低、強(qiáng)度高、熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是20世紀(jì)60年代以該領(lǐng)域的用材為背景研制并發(fā)展起來(lái)的一類高性能鋁合金材料[1]。

由于現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度和綜合性能提出了更高的要求。因此，材料工作者正不斷采用新型的鑄造技術(shù)，通過(guò)改變合金的成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且采用新型的制坯方法、成形加工及熱處理工藝，研制并開(kāi)發(fā)出了多種新型超高強(qiáng)鋁合金[2~3]。這些材料使用性能更好，韌性和耐腐蝕性強(qiáng)，降低了生產(chǎn)成本，由于其良好的經(jīng)濟(jì)性能在很多領(lǐng)域取代了昂貴的鈦合金，目前正成為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研制和開(kāi)發(fā)的重要熱點(diǎn)。

1 超高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展和發(fā)展現(xiàn)狀

超高強(qiáng)鋁合金化學(xué)成分復(fù)雜，一般將強(qiáng)度在500 MPa以上的鋁合金稱為超高強(qiáng)度鋁合金。超高強(qiáng)度鋁合金主要是指7 000系中的某些Al-Zn-Mg-Cu合金。

因超高強(qiáng)鋁合金涉及航空航天這一敏感領(lǐng)域而涉密，故針對(duì)該專題的核心內(nèi)容報(bào)道較少，資料分散。本文在查閱大量國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，概述了超高強(qiáng)鋁合金的鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)[4~5]。

1.1 國(guó)外研究和發(fā)展?fàn)顩r

超高強(qiáng)度鋁合金主要是以1923~1926年德國(guó)科學(xué)家W.Sander和L.Meissner對(duì)Al-Zn-Mg合金的研究為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，但由于該系合金存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象而未得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)中期，通過(guò)在合金中添加Mn、Cr、Ti等微量元素提高抗應(yīng)力腐蝕性能，美國(guó)、前蘇聯(lián)相繼開(kāi)發(fā)出7075合金和B95高強(qiáng)鋁合金，用于制造飛機(jī)部件，并著手研究超高強(qiáng)鋁合金。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、英國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，利用先進(jìn)的噴射成形技術(shù)開(kāi)發(fā)了含Zn達(dá)8%以上的新一代超高強(qiáng)鋁合金，用于制造交通運(yùn)輸領(lǐng)域強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件。

目前全世界已開(kāi)發(fā)了數(shù)十種不同成分標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的7000系鋁合金產(chǎn)品，相應(yīng)的合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)工藝更達(dá)數(shù)百種之多。

1.2 國(guó)內(nèi)研究和發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)鋁合金的研究開(kāi)發(fā)起步較晚。20世紀(jì)80年代初，東北輕合金加工廠和北京航空材料研究所開(kāi)始研制Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金。

目前，我國(guó)在普通7000系鋁合金的生產(chǎn)和應(yīng)用方面已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，主要包括7075、7050、7175等，用于航空器的某些結(jié)構(gòu)件的制造。90年代中期，北京航空材料研究所采用常規(guī)半連續(xù)鑄造法試制成功了7A55超高強(qiáng)鋁合金，近年來(lái)又開(kāi)發(fā)了強(qiáng)度更高的7A60合金。“九五”期間，北京有色金屬研究總院和東北輕合金加工廠開(kāi)展了采用噴射成形工藝研發(fā)含Zn量更高的超高強(qiáng)鋁合金。

2 超高強(qiáng)鋁合金的研究和發(fā)展趨勢(shì)

隨著超高強(qiáng)鋁合金技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，其研究主要發(fā)展趨勢(shì)為：

2.1 鋁熔體凈化技術(shù)

對(duì)除氣、除渣工藝進(jìn)行改進(jìn)，使鑄錠品質(zhì)提高。鋁熔體的凈化對(duì)于提高鋁合金的性能，特別是斷裂韌性十分有利。熔體凈化方法有兩種：

（1）采用高純度的工業(yè)原料，減少Fe、Si金屬間化合物含量，以提高合金的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度，該方法有效性高但成本大，經(jīng)濟(jì)性較差；

（2）先將雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)相化合物，然后再將化合物分離、去除，其缺點(diǎn)是帶來(lái)鋁液的大量消耗。

目前的研究重點(diǎn)主要是在鋁合金熔體中形成雜質(zhì)的金屬間化合物和堿土金屬氧化物，然后采用鹵化工藝分離。

2.2 超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)化技術(shù)

超高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu系合金包括主合金元素Zn、Mg、Cu和微量元素Zr以及雜質(zhì)元素Fe和Si。超高強(qiáng)鋁合金的合金化技術(shù)的主要研究方向是：

（1）在Zn含量較高的合金中加入2%~3%的Cu，能同時(shí)提高強(qiáng)度、塑性、耐蝕性和重復(fù)加載抗力；

（2）超高強(qiáng)鋁合金一般添加0.05%~0.15%的Zr，可顯著細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒具有強(qiáng)烈抑制熱加工過(guò)程中再結(jié)晶的作用；

（3）控制Fe和Si等有害雜質(zhì)的含量和低合金的斷裂韌性。

2.3 熱處理強(qiáng)化技術(shù)

高強(qiáng)鋁合金熱處理包括均勻化、固溶淬火、時(shí)效等工藝。鋁合金的強(qiáng)化熱處理通過(guò)淬火和隨后的時(shí)效實(shí)現(xiàn)。其中，時(shí)效處理對(duì)高強(qiáng)鋁合金性能影響最大。

合金強(qiáng)度主要取決于基體析出相的尺寸與分布，抗應(yīng)力腐蝕性能力主要取決于晶間析出相及晶界狀態(tài)。7 000系合金采用人工時(shí)效可獲得穩(wěn)定的性能和很高的強(qiáng)度。

3 高強(qiáng)鋁合金鑄造裝備及其控制系統(tǒng)

3.1 復(fù)合電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)

復(fù)合電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)是一種應(yīng)用于鑄造技術(shù)，集機(jī)械、電氣、鑄造和加工工藝等多學(xué)科和新技術(shù)于一體的新型控制系統(tǒng)。復(fù)合磁場(chǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為：利用矩陣變換器設(shè)計(jì)功率電路；控制復(fù)合磁場(chǎng)，使得由功率電路為電磁鑄造裝置提供輸出電流是可控的；通過(guò)設(shè)計(jì)空間矢量調(diào)制的雙級(jí)式矩陣變換技術(shù)的電流波形閉環(huán)控制方案，使輸出電流跟蹤給定函數(shù)的變化。

3.2 鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)

連續(xù)鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到連續(xù)鑄造坯的質(zhì)量。連續(xù)鑄造過(guò)程的自動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗，從而可以提高連續(xù)鑄造生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來(lái)隨著電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多大型的連續(xù)鑄造設(shè)備都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全在線控制，從而減少了操作錯(cuò)誤帶來(lái)的損失，提高了操作的安全性，同時(shí)大大提高了鑄錠的品質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究了國(guó)內(nèi)外超高強(qiáng)鋁合金研究和發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，從鋁熔體凈化技術(shù)、合金化強(qiáng)化技術(shù)和微觀組織結(jié)構(gòu)等三個(gè)方面分析和提出了超高強(qiáng)鋁合金的研究和發(fā)展趨勢(shì)。高強(qiáng)鋁合金鑄造裝備控制技術(shù)是進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新的核心問(wèn)題，本文最后對(duì)高強(qiáng)鋁合金鑄造裝備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。

[1]張永安，熊柏青，韋 強(qiáng)，等.噴射成形制備Al2Zn2Mg2Cu系高強(qiáng)高韌鋁合金的研究[J].稀有金屬，2002，26(6):426-427.

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[4]劉靜安.國(guó)內(nèi)外鋁加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[M].重慶：中國(guó)科技文獻(xiàn)出版社，1989.

[5]李念奎.超高強(qiáng)度鋁合金的研究和進(jìn)展[C].北京:鋁加工高新技術(shù)文集，2000，460-474.