高端高強度鋁合金熔煉鑄造關健制備技術，提升材料綜合性的關鍵
2023-07-26 15:40:44
作者： 材料基 來源： 材料基
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現代鋁合金材料正朝著高綜合性能、低密度、大規格、高均勻性和材料/結構一體化方向發展，為航空航天、交通運輸和高端裝備的高性能制造提供支撐。高綜合性能鋁合金是高強鋁合金材料科學與工程研究的熱點。如上所述，新型高強鋁合金的研發及現有材料性能的提升都與鋁合金成分的創新相關。但是，當成分確定后，實現高綜合性能的特征微結構需經過復雜的制備工藝流程才能最終獲得，其間冶金遺傳效應顯著，各個制備環節均會影響微結構的形成和演變，從而最終決定材料的綜合性能及其均勻性。如圖6所示，高強鋁合金材料的重要特征微結構可概括為：在Al基體上彌散分布著凝固形成的微米結晶相，高溫沉淀析出的亞微米或納米彌散相，時效析出的納米亞穩相。基體組織可概括為：固溶體，晶粒，亞晶粒，晶界/亞晶界，胞狀結構，織構，無沉淀析出帶，空位與位錯等。多尺度的第二相和復雜結構的基體決定了鋁合金的性能。值得注意的是，除第二相、晶粒等組織結構外，鋁合金材料織構也是研究人員關注的因素。
大規格高強鋁合金材料制備面臨多種挑戰，需要發展系列制備技術，以達到組織細化、均勻化、亞穩化以及高綜合性能化的目標。近幾年，重點發展了大錠坯的高潔凈化熔煉與均質鑄造、大規格材料的均勻強流變加工和均勻組織的熱處理精細調控技術。此外，為了減少或避免在制造過程中產生性能損失，發展材料/構件一體化成形/成性多種制備加工技術，使材料制備與構件制造兩者融合，已成為一種發展趨勢。合金組織的非均勻性短板效應是大規格/厚截面材料設計與制備的難點和關鍵。凝固、加工、熱處理中流場、溫度場、應力場的不均勻作用，往往會造成大規格鑄錠成分的宏觀不均勻性及非平衡結晶相和雜質相等組織的細觀不均勻性、厚截面材料形變與再結晶組織的宏/細觀不均勻性，以及熱處理組織與殘余應力的宏/細觀不均勻性。為研究合金成分與組織引發的材料本征特性和制備環境引發的多場分布不均勻兩方面作用規律與機理，近些年來，研發了宏/細觀組織均勻化的熔鑄、塑性加工、熱處理等關鍵制備技術。大規格/厚截面高性能鋁合金材料首先需要能穩定地生產出高品質大鑄錠。高強度鋁合金由于合金化程度高，結晶范圍寬，氧化、吸氣嚴重，易含氣夾雜，成分宏/微分布均勻性難以控制，并且鑄造時極易開裂，成品率低。寬型厚截面、大扁錠及大直徑高合金化均質無裂紋鑄錠的熔煉、鑄造技術一直是世界鋁加工界的熱點。鋁合金高質量鑄錠的雜質與氫含量越少、潔凈度越高越好，不同用途的鋁合金材料，對鑄錠中氣體和雜質含量都有相應的標準。在高強鋁合金的凝固理論涉及熔體的凝固規律，鑄錠的顯微組織、表面特性、應力應變分布和變形規律等。在此基礎上，發展了多種鋁合金熔體高潔凈化、晶粒細化、表面亮化的熔鑄技術，如氣渣雜在線級聯去除、電磁和/或超聲外場調控鑄造、油氣潤滑鑄造、微震鑄造、矮結晶器鑄造等技術。高強鋁合金的冶金缺陷來源于熔體中的氣體與非金屬夾雜物。由于表層張力、物理和/或化學吸附作用，氣體與夾雜物更容易聚積，因此，除氣裝置往往也具有除夾雜物的功能，當然，去除夾雜物的同時，也有降低氣體含量的作用。現代鋁熔體凈化裝置的功能雖然相同，但其原理并不完全相同。因此，工程實際中，可以在生產線上設置相同功能、不同類型的多套裝置，視高強鋁合金的具體用途，有選擇性地啟動在線凈化裝置，從而保證熔體的潔凈化程度與質量穩定性。鋁合金熔體從熔煉爐(或靜置爐)出來后，經過一個容器，該容器中裝有一個轉子，轉子可通入氣體，并將氣體分成多股甩出進入熔體中，甩入熔體的氣體被切割成氣泡，氣泡溢出的過程中，能將熔體中的氣體與夾雜物吸附過來，并帶到熔體表面，從而實現除氣、除渣。轉子材料既要耐鋁合金熔體高溫沖蝕、又不能與鋁合金熔體發生反應。依據上述原理，開發出了多種鋁合金氣體噴射凈化裝置，如SNIF、MINT、AlPUR、LARS等等，這些裝置大多對其具有創新特點的結構申請了專利進行保護。ALMEX推出的LARS在線凈化系統，相對于其它氣體噴射原理的裝置，集成了多項配套技術，主要體現在氣體預加熱，熔池為下窄上寬敞開式、多邊形、雙熔池級聯，具有很好的除氣、除渣綜合效果。采用帶孔的泡沫陶瓷板過濾鋁合金熔體，去除非金屬夾雜物很早就在工程上獲得了應用。隨著對鋁合金中非金屬夾雜物含量的限制越來越苛刻，隨后又研發出了多種級聯的陶瓷過濾裝置，已應用于多種高潔度要求的鋁合金材料研制與生產。使鋁合金熔體流經帶孔陶瓷顆粒體，相較于多級泡沫陶瓷板過濾，可以取得更好的過濾效果。陶瓷顆粒過濾的優點主要體在：在相同的過濾體體積內，熔體與過濾體的接觸面積更大；從上到下鋪設不同直徑的顆粒構成過濾體，過濾體內部可形成變化截面的細長孔道，熔體從一個截面流到另一個截面時，會產生低壓渦流，從而提高過濾效益。此外，帶孔的陶瓷顆料對夾雜物也具有吸附作用。因此，陶瓷顆粒過濾可以去除的夾雜物尺寸范圍要大于陶瓷板過濾。上述過濾方法在原理上都存在一個問題：無法準確地知道陶瓷中吸附的夾雜物何時會達到飽和狀態而產生“崩塌”，突然向鋁合金熔體中釋放出大量夾雜物。為此，又發展出了將帶孔陶瓷管過濾方法。熔體首先流進具有過濾功能的陶瓷管內，在重力作用下，潔凈的熔體從管內部向管外滲出，從而將夾雜物限制在陶瓷管內，流向結晶器方向的始終是潔凈的熔體。陶瓷管因吸附的夾雜物達到飽和狀態時，單位時間內流出過濾裝置的流量會減少，很容易被儀器監測到。根據航空航天、交通運輸領域應用的高強鋁合金材料的幾何形狀與規格尺寸，半連續鑄錠(DC)方式是工業生產高強鋁合金材料的首選技術方案。為滿足高強鋁合金大規格材料制備加工的要求，大規格優質鑄錠是關鍵。高強鋁合金DC鑄錠多采用矮結晶器。從降低結晶器高度這一基本特征出發，已經研發出了多種高強鋁合金鑄錠技術。下面簡要介紹工程上應用較多的熱頂鑄錠與油氣潤滑鑄錠，以及在較小規格高強鋁合金鑄錠中獲得應用、目前還在進一步完善的大規格鑄錠多外場(電磁、超聲場等)調控鑄錠技術。熱頂鑄造就是在DC鑄錠結構的起冷卻作用的結晶器上安裝了一個起保溫作用的熱頂帽，在熱頂帽的上部或側面開一個缺口，使其與分流盤相連接，取消了漏斗，實現橫向供流；熱頂內的金屬液面和流盤內的金屬液面保持在同一水平，保持一定的恒定鋁液靜壓力，同時降低熔體在結晶器中的凝固位置，從而實現了穩定的矮結晶器鑄造和同水平鑄造。如圖7所示，熱頂鑄造結晶器由一個隔熱的熱頂部分(見圖7中的裝置2)和一個未隔熱的冷卻部分(即有效結晶部分)組成。熱頂部分的作用是使熔體保溫，并使鑄錠上部熔體始終保持在同水平。結晶器冷卻部分高度小，通常只有20~50 mm，其作用是使鑄錠成形。鑄錠冷卻速度提高，液穴變淺、過渡帶變窄，因而鑄錠致密性提高，化學成分沿鑄錠截面分布更為均勻，具有良好的組織均勻性。
熱頂鑄錠時，由于結晶器冷卻部分高度小，二次冷卻水的逆流冷卻作用較強，有效地防止了凝殼的二次重熔，從而抑制了偏析瘤的生成，同時在鑄造過程中，有效地防止了金屬液面處的過早冷卻，使兩相區變得相對穩定，能有效抑制冷隔，使得鑄錠周邊層逆偏析程度和深度大為降低。但熱頂鑄錠對結晶器設計和工藝參數控制精度要求更嚴格。氣滑鑄錠是一種將連續鑄錠過程中凝固層與結晶器界面由滑動接觸改為油氣混合潤滑狀態的鑄錠方法。如圖7所示，高強鋁合金的氣滑鑄錠往往與熱頂鑄錠技術聯合使用。其原理是：在澆注過程中壓縮空氣和潤滑油透過結晶器上的石墨環，在石墨環內壁形成油氣膜，金屬液在油氣膜約束下外部凝固成殼移出結晶器，噴水進行二次冷卻形成鑄錠。由于在石墨環和金屬液之間存在油氣膜，可以顯著降低一次冷卻，減小凝殼厚度和液穴深度，避免低熔點偏析、冷隔，進而獲得均勻細小的鑄錠組織和良好的表面質量。油氣膜可以降低結晶器與鑄錠之間的摩擦力，同時由于液穴深度減小，可以減小結晶器的有效結晶高度，因此生產效率高，鑄造速度快，比普通熱頂鑄造速度提高了25%。結晶器的熱頂環與石墨環緊密配合，防止粘鋁，引起鑄鑄錠表面出現拉痕。石墨環與結晶器為過盈配合，采用熱裝工藝裝配，石墨環外壁上邊沿和下邊沿涂抹高溫漆，以保證密封，防止空氣和潤滑油外漏。空氣通過相應通道進入空氣槽，在一定的壓力下透過石墨環，潤滑油通過相應通道進入潤滑油槽，在大約比空氣壓力高10倍的壓力下透過石墨環。空氣和潤滑油透過石墨環后，能在石墨環內壁形成油氣膜，使鋁液和結晶器不直接接觸，因此形成均勻的油氣膜晶是該項技術的關鍵環節。在鋁液下降過程中，可設計成雙排冷卻噴水結構，增大冷卻水的噴射角和噴射速度，從而消除冷卻水噴濺，提高冷卻效率，減少冷卻水用量。從上述高強鋁合金DC鑄錠過程中兩相區形成的基本規律可以看出，僅僅是通過結晶器的改進、優化，對兩相區的影響是有限的。通過在結晶器外圈引入電磁場(見圖8)、在結晶前沿和/或熔體中引入超聲場，以及同時引入電磁場、超聲場等復合外場，對凝固層的質量場、動量場及溫度場施加影響，可以進一步增強對兩相區尺寸、過渡區、液穴深度、內應力等凝固層特征參數，甚至結晶前沿的晶核特性進行精細調控，有望制備出規格尺寸更大、品質更優的鋁合金鑄錠。
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