高品质铝合金锭坯的铸造工艺

　　航空铝合金材料的最终性能与其锭坯的组织有很大关系。因此，无裂纹大型锭坯铸造是大规格材料生产需要解决的关键难题。高品质锭坯要求不得有明显的疏松、气孔，且氢与氧化夹杂含量低，晶粒细小。除氢含量需严格控制外，一些碱金属 Li，Na，K，碱土金属 Ca 也要严格控制。高强铝合金由于合金主元素( Zn，Mg，Cu等) 含量高，不仅在熔体中易产生偏析，难以分布均匀，且形核率降低，晶粒粗大。由于铸锭尺寸大，收缩的热应力大，容易开裂。高强铝合金的结晶范围较宽(可达180 K)，非平衡凝固共晶开裂倾向较大，这对高 Zn 含量的 7XXX (7050，7055) 合金尤为突出。大型宽幅厚锭在铸造过程中极易开裂。扁锭较圆锭的铸造难度更大。为了能够铸造出高品质的大型无裂纹锭坯，研发了一系列的熔铸技术，熔体电磁搅拌是其中一种十分重要的新技术。

　　熔体电磁搅拌技术是通过在铝熔池内产生电磁力，搅动熔池内铝熔体的流动，使熔体成分均匀，避免人工搅拌时铁质工具产生污染。该技术不仅可有效地控制 Fe 杂质含量，而且还可减少铝熔体表面氧化膜的破坏，降低合金元素的烧损和氢的溶入。采用熔体电磁搅拌技术 可将熔炼时间缩短约20% ，能源消耗降低10%～15% ，炉渣量减少20%～50%，扒渣时间缩短20%～50%。引入超声外场、机械振动等也有利于铸锭晶粒的细化和成分的均匀化。通过先进的在线除气和过滤技术能很好地控制氢含量和夹杂含量，如除气结合陶瓷过滤可使熔体中的氢含量控制在 0. 1 ml/100 g Al。铸造大都采用液压半连续铸造机，具有运行平稳、自动化程度高、控制精度高等特点。铸造过程的平稳控制对大锭的成形非常关键。先进铝加工厂通过计算机对铸造温度，铸造速度，冷却水的喷射角度、分布、流量和强度等工艺参数进行精细调控，可有效防止铸锭开裂。同时，锭坯采用超声探伤检测夹杂物、裂纹、气孔等缺陷。目前，国外已生产出直径达1066.8 mm，质量达 16吨的 7050，7175 和 2219 等铝合金圆锭，以及4368.8 mm × 2438.4mm × 1066.8 mm重约 32 吨的 2618合金扁锭。

　　高强铝合金铸锭由于合金元素含量高，不均匀性和过饱和度大，故其铸锭均匀化成为紧接熔铸后的一道材料制备的关键工序。均匀化处理可使合金成分均匀分布，消除非平衡结晶低熔点相，球化硬质第二相(如含杂质 Fe，Si 的第二相粒子) 、形成共格弥散相(如Al3Zr) 为后续加工控制材料的晶粒结构、降低合金的淬火敏感性，提高材料的强韧性作组织准备。为优化合金均匀化后弥散相粒子的分布，可采用先低温后高温的双级均匀化工艺。双级均匀化后合金中的弥散相粒子分布更加均匀、细小。为了最大程度地抑制再结晶，获得高的力学性能，必须避免均匀化后冷却时形成粗大第二相，铸锭均匀化后须以较快的速率冷却，对7050 铝合金，冷却速率需大于 0.5℃/s。