鋁鋰合金生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

曾宏凱

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 研究背景

鋰(Li)是最輕的金屬，密度僅為0.534g/cm3。在鋁合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鋰，可使合金的密度下降3%、彈性模量上升5%。所以鋁鋰合金作為一種低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度及比剛度的合金，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如空客和波音，都在最新生產(chǎn)的商用客機(jī)上越來(lái)越多的采用了鋁鋰合金?？湛虯320的地板梁、地板支柱、座椅支撐軌道、機(jī)身支架、翼弦肋骨等部件都采用了鋁鋰合金構(gòu)件，很好的達(dá)到了減重的目的。

但鋰又是化學(xué)性質(zhì)最活潑的堿金屬，容易與除鐵以外的任意一種金屬熔合，與氧、氮等均能化合，是唯一與氮在室溫下可發(fā)生反應(yīng)，生成氮化鋰(Li3N)的堿金屬。鋰與一些常見(jiàn)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

4 Li+O2=2 Li2O(反應(yīng)條件:自發(fā)反應(yīng)，或者加熱、點(diǎn)燃，燃燒猛烈)

6 Li+N2=2 Li3N(反應(yīng)條件:自發(fā)反應(yīng)，或者加熱、點(diǎn)燃)

2 Li+2 H2O=2 LiOH+H2↑(反應(yīng)現(xiàn)象:鋰浮動(dòng)在水面上，迅速反應(yīng)，放出氫氣)

鋰的這些特殊性質(zhì)，給生產(chǎn)和應(yīng)用鋁鋰合金帶來(lái)了很多需要研究和解決的問(wèn)題。

2 鋁鋰合金國(guó)際研究狀況

國(guó)際上對(duì)鋁鋰合金的研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，其產(chǎn)品也相應(yīng)的被劃分為三代［1］。

德國(guó)在1924年開(kāi)發(fā)出一種含鋰的鋁合金，開(kāi)始了人們對(duì)鋁鋰合金的研究工作。但被世人熟知和承認(rèn)是第一代鋁鋰合金的卻是二十世紀(jì)50、60年代以美國(guó)研制的2020合金和前蘇聯(lián)研制的1230合金。

二十世紀(jì)70至80年代，各國(guó)開(kāi)發(fā)出了低密度、中高強(qiáng)度、且耐損傷的較為成熟的鋁鋰合金產(chǎn)品。具有代表性的有前蘇聯(lián)研制的1420合金、美國(guó)和英國(guó)研制的2090合金、法國(guó)研制的2091合金等，被稱(chēng)為第二代鋁鋰合金。但這些合金的各向異性嚴(yán)重，塑韌性水平較低，可焊性較差，綜合性能較7xxx系超高強(qiáng)鋁合金有一定差距，沒(méi)有得到較大范圍的推廣應(yīng)用。

針對(duì)第二代鋁鋰合金的問(wèn)題，二十世紀(jì)90年代以后，各國(guó)陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了高強(qiáng)可焊的1460及Weldalite系列合金、高韌的2197合金、低各向異性的AF/C－458合金等。在合金成分設(shè)計(jì)上，降低了Li含量，而增加了 Cu含量，并添加 Ag、Mn、Zn新的合金元素。在性能水平上，較以往鋁鋰合金都有了較大幅度的提高。且鋁鋰合金鑄錠尺寸有大幅度增加，圓鑄錠最大可生產(chǎn)直徑為Φ500mm的鑄錠，扁鑄錠最大可生產(chǎn)400mm(厚)×1400mm(寬)的鑄錠，單塊鑄錠最大重量可達(dá)25t。

表1是具有代表性的第三代鋁鋰合金以及應(yīng)用較多的2xxx和7xxx系典型鋁合金化學(xué)成分表。表2是具有代表性的第三代鋁鋰合金典型性能表。

表1 典型第三代鋁鋰合金及超高強(qiáng)鋁合金的化學(xué)成分(wt.%)Tab.1 Chemical composition of representative third－generation Al－Li alloys and ultra－h(huán)igh strength aluminum alloys

表2 典型第三代鋁鋰合金典型性能Tab.2 Typical properties of representative third － generation Al-Li alloys

3 鋁鋰合金國(guó)內(nèi)研究狀況

我國(guó)鋁鋰合金研究起步于上世紀(jì)60年代初。最早由東北輕合金加工廠仿制原蘇聯(lián)的2020合金，但未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用［2］。

進(jìn)入二十世紀(jì)80年代，國(guó)家制定“七五”計(jì)劃，決定由中南大學(xué)、西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、航天材料及工藝研究所和北京航空材料研究院聯(lián)合開(kāi)始研制鋁鋰合金，并試制成功了2A97合金。

進(jìn)入二十世紀(jì)90年代后，我國(guó)對(duì)鋁鋰合金研究生產(chǎn)工作加大投入。先是在西南鋁建成了1t級(jí)別的鋁鋰合金半連續(xù)熔鑄機(jī)組，隨后又從俄羅斯引進(jìn)6t級(jí)別的鋁鋰合金工業(yè)化熔鑄生產(chǎn)線，并針對(duì)我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展的需求，制定以1420合金、2090合金和2195合金為目標(biāo)合金開(kāi)展研究，成功生產(chǎn)出了直徑范圍Φ310～Φ450mm的圓錠和300mm(厚)×1200mm(寬)的扁錠，且鑄錠的低倍、高倍組織檢測(cè)和氫、鈉主要雜質(zhì)含量分析結(jié)果均滿足技術(shù)要求。

近年來(lái)，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)輕質(zhì)航材不斷提出新的要求，并且對(duì)這種材料的需求量也在不斷增加。國(guó)家及很多科研單位、鋁加工企業(yè)都進(jìn)一步加大對(duì)鋁鋰合金研究的投入。我國(guó)鋁鋰合金研究開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)已基本建立，其規(guī)模和水平達(dá)到美、俄等國(guó)90年代初的水平，尤其是在含稀土的鋁鋰合金研究等方面形成了一定特色。

4 鋁鋰合金主要生產(chǎn)方法

鋁鋰合金的制造方法主要有熔煉鑄造法、噴射沉積成形法、電磁模擬微重力冶金法、熔鹽電解法等［3］。

熔煉鑄造法是鋁鋰合金的主要生產(chǎn)方法，生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)鋁合金熔煉及半連續(xù)鑄造法基本相同。其成本低，可獲得較大尺寸的鑄錠，也是目前世界上如美國(guó)的 Alcoa公司、英國(guó)的 Alcan公司、法國(guó)的Pechiney公司、俄羅斯等普遍采用的生產(chǎn)鋁鋰合金的方法。

噴射沉積成形法是用氬氣噴吹金屬熔體使其霧化，產(chǎn)生10～500μm的液滴，這些液滴快速沉積在旋轉(zhuǎn)的錐形結(jié)晶器表面，熔體被迅速冷卻凝固。此方法制造的合金有較好的延展性、剛度、抗疲勞性和裂紋擴(kuò)展性能，但生產(chǎn)成本較高，可生產(chǎn)的單塊鑄錠尺寸較小。

電磁模擬微重力冶金法是利用電磁設(shè)備，在地面上模擬微重力環(huán)境進(jìn)行合金的熔煉。此方法由于克服重力影響，降低因合金元素體積質(zhì)量引起的偏析和彌散不均勻性，從而形成顆粒彌散較好的合金。但受設(shè)備容積的影響，此方法可生產(chǎn)的單塊鑄錠尺寸較小，且生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)成本高。

熔鹽電解法是以金屬鋁為陰極，以鋰鹽溶解液為電解質(zhì)，在陰極上一次合金化直接生成鋁鋰合金。這種方法可獲得鋰含量較高的合金，工藝流程簡(jiǎn)單、基本無(wú)金屬燒損等優(yōu)點(diǎn)。但容易在鋁表面富集鋰，合金內(nèi)鋰及其它合金元素的擴(kuò)散不均勻，難以得到滿足實(shí)際使用性能要求的鑄錠。

目前，鋁鋰合金主要用于制造航空航天飛行器，而航空航天飛行器發(fā)展的趨勢(shì)是不斷增加其噸位和尺寸，例如空客 A380，飛機(jī)自重達(dá) 276.8t，機(jī)長(zhǎng)達(dá)72.75m，翼展達(dá)79.75m，機(jī)身內(nèi)鋁鋰合金構(gòu)件單件重量可達(dá)0.5t。按照航空用結(jié)構(gòu)材料加工成品率5%左右進(jìn)行估算，單塊鋁鋰合金鑄錠的重量需要約10t。要得到如此大重量且合金成分均勻性及綜合使用性能滿足航空航天使用要求的鑄錠，同時(shí)生產(chǎn)成本控制水平貼合工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)際，最適合的生產(chǎn)方法就是熔煉鑄造法［4］。

5 熔煉鑄造法的生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)及改進(jìn)發(fā)展方向

鋁鋰合金熔煉鑄造法的生產(chǎn)工藝與傳統(tǒng)鋁合金熔煉及半連續(xù)鑄造方法類(lèi)似，主要生產(chǎn)工藝流程為:合金配料→熔鋁爐對(duì)原料進(jìn)行熔化→扒渣→加金屬鎂→攪拌、扒渣→加鋰→成分調(diào)整→轉(zhuǎn)入靜置爐對(duì)熔體進(jìn)行靜置處理→成分調(diào)整→扒渣、精煉→立式半連續(xù)鑄造→均熱。

但因?yàn)樵诤辖鹑垠w中添加鋰這種特殊的合金元素，使得鋁鋰合金的熔煉鑄造生產(chǎn)產(chǎn)生一些特殊的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)這些技術(shù)難點(diǎn)研究人員進(jìn)行了大量研究，提出了相應(yīng)的解決辦法，不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝，促進(jìn)鋁鋰合金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。主要技術(shù)難點(diǎn)及改進(jìn)方法如下［5］:

5.1 防止鋰燃燒及控制合金化學(xué)成分

因鋰化學(xué)性質(zhì)活潑，與空氣中的氧、氮等均能發(fā)生燃燒反應(yīng)，在熔煉過(guò)程中，需特別注意防止鋰的燃燒和損失，以控制合金化學(xué)成分。為此，合金熔化和添加鋰調(diào)整成分時(shí)，均應(yīng)在隔絕空氣的環(huán)境中操作。目前多采用有氬氣保護(hù)的電加熱爐對(duì)鋁錠、中間合金錠和鋰錠進(jìn)行熔化。

5.2 鋁鋰合金熔體精煉技術(shù)

合金中的鎂、鋰使得熔體極易吸氫，這些氫在鑄錠中以分子、原子和化合物形態(tài)存在，鑄造過(guò)程中，由于金屬凝固，大量氫將逸出。由于鋁鋰合金的凝固區(qū)具有液－固區(qū)寬而固－液區(qū)窄的特點(diǎn)，氫來(lái)不及逸出金屬熔體而形成疏松和氣孔。降低熔體中的氫含量，是鋁鋰合金熔體精煉的主要任務(wù)。

2000年之前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁鋰合金熔體多采用真空精煉的方法。但因真空精煉爐容量受限制，難以滿足大重量鑄錠生產(chǎn)要求。最近十年新建的鋁鋰合金熔鑄生產(chǎn)線多采用氬氣保護(hù)、電加熱的精煉爐進(jìn)行精煉靜置，配合使用合適的精煉劑，除氫效果也能達(dá)到真空精煉的除氫效果水平。

5.3 非金屬夾雜的控制

鋁鋰合金的非金屬夾雜分為熔劑夾雜和氧化物夾雜，是鋁鋰合金出現(xiàn)頻率很高的一種組織缺陷。采用熔劑保護(hù)時(shí)，主要夾雜為熔劑夾雜，同時(shí)伴隨有少許氧化物夾雜;采用氬氣保護(hù)時(shí)，只有氧化物夾雜。

目前采用有氬氣保護(hù)的過(guò)濾裝置，對(duì)熔體進(jìn)行過(guò)濾去除熔煉過(guò)程中的夾雜物。鑄造過(guò)程中，在鑄造機(jī)結(jié)晶器內(nèi)覆蓋氬氣保護(hù)結(jié)晶器內(nèi)熔體，防止活潑金屬發(fā)生反應(yīng)，保持鑄造平穩(wěn)，避免結(jié)晶器中金屬液面波動(dòng)破壞氣體保護(hù)層，造成與空氣接觸發(fā)生新的反應(yīng)而引入新的非金屬夾雜物。

5.4 冷隔

鋁鋰合金的冷隔比普通DC鑄造鋁合金更嚴(yán)重，冷隔層厚度可達(dá)20～50mm。主要是由于鋁鋰合金的導(dǎo)熱性低，鑄造時(shí)的結(jié)晶液穴深，凝固過(guò)程中固－液區(qū)窄而液－固區(qū)寬，鑄錠在結(jié)晶器中停留的時(shí)間增長(zhǎng)使結(jié)晶凝殼很容易發(fā)生重熔，從而形成嚴(yán)重的冷隔。

為了減輕冷隔層，需嚴(yán)格控制鑄造溫度和冷卻速度，適當(dāng)提高澆注速度，減少鑄錠在結(jié)晶器中停留時(shí)間。還可采用局部潤(rùn)滑以減少鑄錠和結(jié)晶器之間的摩擦。

5.5 鑄造裂紋

鋁鋰合金因加入鋰后，增大了彈性模量，降低導(dǎo)熱率，所以增加了鑄造熱應(yīng)力，使其有較強(qiáng)的應(yīng)力集中敏感性。鑄錠嚴(yán)重表面缺陷(如冷隔等)，為應(yīng)力集中引發(fā)裂紋創(chuàng)造了條件。

為了減少鑄錠開(kāi)裂，應(yīng)對(duì)合金熔體溫度、鑄造速度、冷卻速度、結(jié)晶器內(nèi)液位高度及液面平穩(wěn)度等鑄造參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置，改善表面質(zhì)量，減少裂紋源。盡可能地降低合金中鈉含量，嚴(yán)格控制合金的主成分元素和雜質(zhì)含量及比例，為此可采用重熔用精鋁錠和鋰錠等高純度原料，以減少原料中雜質(zhì)的引入而控制最終熔體的雜質(zhì)含量。

6 總結(jié)

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，鋁鋰合金因其優(yōu)異的性能將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為滿足市場(chǎng)對(duì)鋁鋰合金越來(lái)越多的需求，要求我們研究和發(fā)展更加安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的鋁鋰合金生產(chǎn)工藝技術(shù)。

［1］霍紅慶，郝維新，耿桂宏，達(dá)道安.航天輕型結(jié)構(gòu)材料——鋁鋰合金的發(fā)展［J］.真空與低溫，2005，11(2):63 ～69.

［2］王浩軍，史春玲，賈志強(qiáng)，曾衛(wèi)東.鋁鋰合金的發(fā)展及研究現(xiàn)狀［J］.材料熱處理技術(shù)，2012，41(14):82 ～85.

［3］范云強(qiáng)，謝紹俊，羅杰，蒲強(qiáng)亨.1420鋁鋰合金DC鑄造的常見(jiàn)缺陷［J］.特種鑄造及有色合金，2000，2:25 ～27.

［4］咼永林，范云強(qiáng)，羅杰，李政.熔鑄工藝對(duì)1420鋁鋰合金鑄錠氫含量的影響［J］.鋁加工，2001，24(1):15～17.

［5］CindieGiummarra， BruceThomas，Roberto J. Rioja. NEW ALUMINUM LITHIUM ALLOYS FOR AEROSPACE APPLICATIONS［A］.ProceedingsoftheLightMetalsTechnologyConference［C］.2007.