生產包含鋰的鋁合金的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋁-鋰合金的制造。特別是，本發明涉及制造熔融鋁-鋰合金的方法，以鑄造適于通過擠壓、鍛造和/或乳制進行進一步加工的錠(ingot)或還(billet)原料。
【背景技術】
[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年由鋁業協會(Aluminum Associat1n)出片反的 Aluminum Standards and Data and the Registrat1nRecords中的Aluminum Associat1n designat1ns，其對于本領域技術人員而言是公知的。
[0003]除非另有說明，對于鋁合金組成或優選鋁合金組成的任何描述，所指的百分數均為重量百分數。
[0004]包含鋰的鋁合金對用于航空航天工業而言非常有益，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中，它們在其它工程性質方面的表現必須與常用的合金一樣好，尤其是在靜態機械強度性能和損傷容限性能之間的折衷方面。隨著時間的推移，以相應的大量的熱-機械加工路線開發出了大量的鋁-鋰合金。然而，關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/或乳制進行進一步加工。已證明在錠和坯的工業規模生產中，鑄造工藝仍然是有問題的加工步驟。例如在爐中、轉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(轉讓給Kaiser Aluminum)公開了以預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行熔融處理。在包含渦流碗(vortex bowl)的復合裝置中對恪融鋰和恪融招進行混合。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行，穿過漏斗底部的出口通道。混合物進入脫氣室，其中，用氬對混合物進行吹掃。然后，使經吹掃的混合物穿過過濾器，以移除可能已進入系統中的任何氧化物和難熔碎片。然后，熔融混合物進入錠鑄造工段(stat1n)。系統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。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險，該氣體和氧化物隨后必須被移除。合金系統是復雜的動態系統，藉此金屬流(metal flow)中的小的變化可能導致最終的錠中的合金組成的不期望變化。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供生產熔融鋁-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)、或者至少提供生產熔融鋁-鋰合金的替代方法。
[0007]本發明達到或超越了這一目的和其它目的以及進一步的優勢，并提供了生產熔融鋁-鋰合金的方法，以鑄造適于通過擠壓、鍛造和/或乳制進行進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，優選還通過脫氣、并優選通過過濾(例如通過使用陶瓷泡沫過濾器)對熔融鋁合金進行熔融處理；
[0009](b)將第一鋁合金轉移至感應熔融爐中，優選在熔融鋁中不產生任何湍流(turbulence)，以避免夾帶由于瑞流而新產生的氧化物或挾取難恪碎片；
[0010](c)向處于感應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)從感應熔融爐轉移至鑄造工段，并優選在熔融鋁中不產生任何湍流，以避免在熔融鋁中形成任何氧化物。
[0013]根據本發明，已發現感應熔融爐允許大量(數噸，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性以及一致的合金組成。在感應爐中，通過一個或多個感應器(inductor)使熔融金屬保持運動。可對熔融浴中的流體流進行修整(tailored)，以使熔融鋁的表面保持穩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、氮氣、氧氣或濕氣)的挾取或對氧化物的夾帶。另外，相較于例如燃氣熔融爐，可容易地獲得熔融鋁上的非活性氣氛的維持。由于通過感應器誘導的可控流體流，合金元素、尤其是鋰的引入非常快，而且能夠獲得非常良好的熔體均勻性。感應熔融爐的另一進一步的優勢是:在將第一鋁合金轉移至爐后，可用來再熔融厚規格的廢料(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]當在本發明上下文中提及錠時，本領域技術人員將理解的是，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。如在本領域中所公知的，擠壓坯還可具有橢圓形狀。
[0016]本發明適用于多種鑄造工藝，并優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的帶式連鑄。
[0017]本領域技術人員已知的“直接激冷鑄造”或“DC鑄造”工藝是本發明上下文中優選的工藝。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(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)經由金屬傳送槽將第三合金從爐轉移至鑄造工段；
[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)隨后經由金屬傳送槽將第二合金從感應熔融爐轉移至鑄造工段，同時停止將第三合金轉移至所述鑄造工段，由此優選在不中斷熔融金屬流的情況下，獲得合金C與合金B之間的過渡；
[0023](v)在鑄造方向上，從長度為L1的經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的長度對該錠進行裁切，例如在厚規格錠的情況下通過鋸切或通過剪切進行裁切。
[0025]根據這一實施方式，鑄造工藝從不含作為目的合金元素的鋰的鋁合金開始，一旦達到穩定的鑄造條件或鑄造狀態，通過轉變為含鋰的鋁合金B使鑄造工藝繼續進行。這實現了在不使用含鋰的合金的情況下開始鑄造工藝的效果，并避免了其相關的缺點。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)進行涂覆。如果未事先進行適當干燥，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，產生非常不安全的環境。在鑄造開始時，傾倒至起動塊上的熔融鋁在固化時收縮，這可能會導致用于冷卻鑄造模具的水蒸汽進入模具中的區域，當與熔融鋁-鋰合金接觸時可能導致爆炸。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生鑄漏。當熔融鋁接觸到冷卻水時，在鋁-鋰合金的情況下，鑄漏可能會造成災難性的后果。根據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和風險，這