生產(chǎn)包含鋰的鋁合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁-鋰合金的制造。特別是，本發(fā)明涉及制造熔融鋁-鋰合金的方法，以鑄造適于通過擠壓、鍛造和/或乳制進(jìn)行進(jìn)一步加工的錠(ingot)或還(billet)原料。
【背景技術(shù)】
[0002]在下文中將會明了的是，除非另有說明，鋁合金牌號是指在2013年由鋁業(yè)協(xié)會(Aluminum Associat1n)出片反的 Aluminum Standards and Data and the Registrat1nRecords中的Aluminum Associat1n designat1ns，其對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的。
[0003]除非另有說明，對于鋁合金組成或優(yōu)選鋁合金組成的任何描述，所指的百分?jǐn)?shù)均為重量百分?jǐn)?shù)。
[0004]包含鋰的鋁合金對用于航空航天工業(yè)而言非常有益，這是由于目的性地添加鋰可降低鋁合金的密度，加入lwt%的鋰可降低約3%的鋁合金密度并提高約6%的彈性模量。為了使這些合金被選用于飛機(jī)中，它們在其它工程性質(zhì)方面的表現(xiàn)必須與常用的合金一樣好，尤其是在靜態(tài)機(jī)械強(qiáng)度性能和損傷容限性能之間的折衷方面。隨著時間的推移，以相應(yīng)的大量的熱-機(jī)械加工路線開發(fā)出了大量的鋁-鋰合金。然而，關(guān)鍵的加工路線仍然是錠或坯的鑄造，該錠或坯用于通過擠壓、鍛造和/或乳制進(jìn)行進(jìn)一步加工。已證明在錠和坯的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中，鑄造工藝仍然是有問題的加工步驟。例如在爐中、轉(zhuǎn)移槽中和鑄造本身的過程中，存在熔融金屬氧化的問題。
[0005]美國專利號4，761，266(轉(zhuǎn)讓給Kaiser Aluminum)公開了以預(yù)選的招與鋰的比例制備招-鋰合金的方法。該方法包括制備大量的恪融鋰和大量的恪融的招恪體(aluminiummelt)。使用不銹鋼過濾器對熔融鋰進(jìn)行過濾，以從熔融鋰中移除固體、特別是鋰的氧化物和氫氧化物。在與熔融鋰混合之前，通過脫氣對熔融的鋁熔體進(jìn)行熔融處理。在包含渦流碗(vortex bowl)的復(fù)合裝置中對恪融鋰和恪融招進(jìn)行混合。禍流的漩禍作用(swirlingact1n)使鋁和鋰混合，然后作為均勻混合物向下進(jìn)行，穿過漏斗底部的出口通道?；旌衔镞M(jìn)入脫氣室，其中，用氬對混合物進(jìn)行吹掃。然后，使經(jīng)吹掃的混合物穿過過濾器，以移除可能已進(jìn)入系統(tǒng)中的任何氧化物和難熔碎片。然后，熔融混合物進(jìn)入錠鑄造工段(stat1n)。系統(tǒng)的所有組件均被籠罩在非活性氣氛中。該方法具有多種缺點(diǎn)。例如，對于合金的粘度敏感，并由此對渦流碗中的金屬的溫度波動敏感。雖然系統(tǒng)被籠罩在非活性氣氛中，仍存在著在熔融金屬中夾帶氣體和氧化物的高風(fēng)險，該氣體和氧化物隨后必須被移除。合金系統(tǒng)是復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，藉此金屬流(metal flow)中的小的變化可能導(dǎo)致最終的錠中的合金組成的不期望變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供生產(chǎn)熔融鋁-鋰合金原料的方法(該方法更加可靠并且對金屬流中的小波動不太敏感)、或者至少提供生產(chǎn)熔融鋁-鋰合金的替代方法。
[0007]本發(fā)明達(dá)到或超越了這一目的和其它目的以及進(jìn)一步的優(yōu)勢，并提供了生產(chǎn)熔融鋁-鋰合金的方法，以鑄造適于通過擠壓、鍛造和/或乳制進(jìn)行進(jìn)一步加工的處于錠形式的原料，該方法包括以下步驟:
[0008](a)制備具有組成A的熔融第一鋁合金，該組成A不含作為目的合金元素的鋰，優(yōu)選還通過脫氣、并優(yōu)選通過過濾(例如通過使用陶瓷泡沫過濾器)對熔融鋁合金進(jìn)行熔融處理；
[0009](b)將第一鋁合金轉(zhuǎn)移至感應(yīng)熔融爐中，優(yōu)選在熔融鋁中不產(chǎn)生任何湍流(turbulence)，以避免夾帶由于瑞流而新產(chǎn)生的氧化物或挾取難恪碎片；
[0010](c)向處于感應(yīng)熔融爐中的第一鋁合金中加入鋰，從而獲得具有組成B的熔融第二鋁合金，該組成B具有作為目的合金元素的鋰；
[0011](d)任選向第二鋁合金中加入另外的合金元素；
[0012](e)經(jīng)由金屬傳送槽將第二合金(具有任選的另外的合金元素)從感應(yīng)熔融爐轉(zhuǎn)移至鑄造工段，并優(yōu)選在熔融鋁中不產(chǎn)生任何湍流，以避免在熔融鋁中形成任何氧化物。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，已發(fā)現(xiàn)感應(yīng)熔融爐允許大量(數(shù)噸，例如3噸-10噸以上)的鋁-鋰合金的批量制造，這使得隨后鑄造的錠具有可重現(xiàn)性以及一致的合金組成。在感應(yīng)爐中，通過一個或多個感應(yīng)器(inductor)使熔融金屬保持運(yùn)動。可對熔融浴中的流體流進(jìn)行修整(tailored)，以使熔融鋁的表面保持穩(wěn)定并基本上不具有湍流或渦流，由此顯著降低對氣體(例如氫氣、氮?dú)?、氧氣或濕?的挾取或?qū)ρ趸锏膴A帶。另外，相較于例如燃?xì)馊廴跔t，可容易地獲得熔融鋁上的非活性氣氛的維持。由于通過感應(yīng)器誘導(dǎo)的可控流體流，合金元素、尤其是鋰的引入非?？?，而且能夠獲得非常良好的熔體均勻性。感應(yīng)熔融爐的另一進(jìn)一步的優(yōu)勢是:在將第一鋁合金轉(zhuǎn)移至爐后，可用來再熔融厚規(guī)格的廢料(包括含Li的廢料)。由于在熔融金屬的表面形成過多熔渣，避免了薄規(guī)格的廢料(例如鏇肩)。
[0014]在步驟(d)期間，可將熔融鋁合金修整成所需的最終組成。例如如果合金組成并未處于其目標(biāo)組成，可加入少量的合金元素。另外，可在后期加入相對貴的合金元素(例如銀)，從而使具有此類貴重合金元素的任何廢料最少化、或者避免或至少降低爐中的重合金元素的任何可能的沉降。
[0015]當(dāng)在本發(fā)明上下文中提及錠時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，該錠涉及:具有長度L (通常形成乳制方向)、寬度W和厚度T的乳制錠；以及可用于擠壓或鍛造的坯，該坯具有通常形成擠壓方向的長度L、并具有基本上圓形的外周，從而使得寬度和厚度(形成坯直徑)為相同尺寸。如在本領(lǐng)域中所公知的，擠壓坯還可具有橢圓形狀。
[0016]本發(fā)明適用于多種鑄造工藝，并優(yōu)選適用于選自如下的鑄造工藝:直接激冷鑄造、水平鑄造、柱間帶式連鑄以及使用帶式鑄造機(jī)的帶式連鑄。
[0017]本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的“直接激冷鑄造”或“DC鑄造”工藝是本發(fā)明上下文中優(yōu)選的工藝。在此類工藝中，招合金在具有引錠底座(dummy bottom)或起動塊(starter block)的水冷的錠模具中鑄造，同時垂直且連續(xù)地移動引錠底座，從而在合金固化期間維持熔融金屬在模具中的大體上恒定的水平，用冷卻介質(zhì)(例如水、乙二醇或它們的組合)對固化面直接冷卻。垂直的鑄造方向形成了隨后的經(jīng)鑄造的錠的長度方向。
[0018]在替代的實施方式中，提供了對包含鋰的鋁合金錠進(jìn)行熔融和鑄造的方法，該錠具有長度L方向、寬度W和厚度T，該方法包括以下步驟:
[0019](i)在分離的爐中制備至少兩種熔融鋁合金，即具有組成C的第三合金以及處于感應(yīng)熔融爐中的具有組成B的第二合金，該組成C不含有作為目的合金元素的鋰，該組成B含有作為目的合金元素的鋰；
[0020](ii)經(jīng)由金屬傳送槽將第三合金從爐轉(zhuǎn)移至鑄造工段；
[0021](iii)開始鑄造錠，并在鑄造方向上將第三合金鑄造至錠的所需長度L1 ;
[0022](iv)隨后經(jīng)由金屬傳送槽將第二合金從感應(yīng)熔融爐轉(zhuǎn)移至鑄造工段，同時停止將第三合金轉(zhuǎn)移至所述鑄造工段，由此優(yōu)選在不中斷熔融金屬流的情況下，獲得合金C與合金B(yǎng)之間的過渡；
[0023](v)在鑄造方向上，從長度為L1的經(jīng)鑄造的第三合金的端面起鑄造第二合金至另外的所需長度L2;以及
[0024](vi)在經(jīng)鑄造的錠的底部以大于或等于鑄造長度L1的長度對該錠進(jìn)行裁切，例如在厚規(guī)格錠的情況下通過鋸切或通過剪切進(jìn)行裁切。
[0025]根據(jù)這一實施方式，鑄造工藝從不含作為目的合金元素的鋰的鋁合金開始，一旦達(dá)到穩(wěn)定的鑄造條件或鑄造狀態(tài)，通過轉(zhuǎn)變?yōu)楹嚨匿X合金B(yǎng)使鑄造工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行。這實現(xiàn)了在不使用含鋰的合金的情況下開始鑄造工藝的效果，并避免了其相關(guān)的缺點(diǎn)。例如，如果反之開始時直接使用含鋰的合金，在鑄造工藝開始之前，例如通常用非常吸濕的鹽熔劑通過噴涂對模具和起動塊(starter block)進(jìn)行涂覆。如果未事先進(jìn)行適當(dāng)干燥，一旦傾倒入鑄造模具中，源自于鹽的水分可能會與熔融鋁-鋰合金反應(yīng)，產(chǎn)生非常不安全的環(huán)境。在鑄造開始時，傾倒至起動塊上的熔融鋁在固化時收縮，這可能會導(dǎo)致用于冷卻鑄造模具的水蒸汽進(jìn)入模具中的區(qū)域，當(dāng)與熔融鋁-鋰合金接觸時可能導(dǎo)致爆炸。此外，由于較高的粘度，鋁-鋰合金可能會在開始時對鑄造模具(例如通過玻璃纖維織物線、如組合袋(combo-bags)制成)中的金屬分布體系造成問題；并且由于不均勾的金屬分布，這些合金在鑄造工藝開始時易于發(fā)生鑄漏。當(dāng)熔融鋁接觸到冷卻水時，在鋁-鋰合金的情況下，鑄漏可能會造成災(zāi)難性的后果。根據(jù)這一實施方式的方法克服或至少顯著降低了所有的這些缺點(diǎn)和風(fēng)險，這