一種鋁鋯合金及其粉末冶金成型方法與流程
2023-12-08 14:38:26 1
本發明涉及鋁合金成型領域，尤其涉及鋁鋯合金及其粉末冶金成型方法。
背景技術：
在工業生產中，微量的鋯添加運用於超輕的鋁鋰合金以及Al-Zn-Mg-Cu 高強度鋁合金中，其作用 ：一是細化鑄態晶粒，二是鑄錠均勻化處理時形成均勻彌散的 Al3Zr，抑制變形加工再結晶行為，控制晶粒大小和形狀；同時，還可提高 Al-Zn-Mg-Cu 合金的淬透性、可焊性、斷裂韌性、抗應力腐蝕性能等綜合性能。在鋁合金中鋯的添加量為0.1％～0.3％，在鋁合金製造過程中，將含鋯 3％～4％ 的鋁鋯中間合金鑄塊加入鋁熔體。由於鋁鋯中間合金熔點達950℃～1050℃，不易溶解，因此對熔煉鑄造過程工藝參數要求嚴格，否則極易在鋁合金熔體中形成含鋯化合物偏析聚集區，進而導致在鋁鋰合金中出現含鋯化合物偏析。經長期跟蹤檢測表明，含鋯化合物偏析除與鑄造工藝不適當外，還與鋁鋯中間合金質量，即大尺寸 Al3Zr 化合物以及該化合物聚集等組織缺陷有關。傳統的鋁鋯中間合金製作方法中，由於製作過程熔化爐加熱溫度高，時間長，吸氣嚴重，且澆注過程冷卻強度小，鑄塊組織中難免會形成疏鬆縮孔、夾渣、大量的大尺寸 Al3Zr 化合物及其化合物聚集等組織缺陷。當這種伴有組織缺陷的鋁鋯中間合金鑄塊直接加入鋁 合金熔體中後，不適當的鑄造工藝往往容易導致鋁鋯中間合金中大尺寸 Al3Zr 化合物及其化合物溶解不充分，隨即形成「膠狀粒子」直接遺傳至被添加鋁合金材料中，由於該類化合物偏聚區不確定性和不易探傷檢測等，嚴重影響被添加鋁合金材料的使用性能。
在國內已申請的相關專利中，專利《一種鋁鋯中間合金及製備方法》（申請號：201010585739.5，公開日：2011-03-30）公開了一種鋁鋯中間合金生產工藝，但在其生產過程中，由於沒有真空環境，除氣、除雜質不充分；由於沒有對熔煉的坩堝材料進行限制，可能採用常規的鑄鐵坩堝，這樣會導致雜質鐵的含量難以控制，由於沒有採用電磁攪拌和粉末化工藝，其原始晶粒不夠細化，這就導致最終成品的鋁鋯合金在作為晶粒細化劑時能提供的形核數量少、分布不均勻、長成的晶粒尺寸大且不均勻，同時，由於沒有採用粉末冶金的方式，無法採用鋯過飽合的配比（過飽合的話極易偏析，會導致中間合金錠成分不均勻，應用時稱量不準確），因此鋯含量低，即產品的效率較低；另一方面，該發明採用的方法與常規方法比，仍會產生難以處理的廢氣、廢渣，且由於沒有採用高效設備，整個工藝過程不易控制、最終製成的鋁鋯合金質量不穩定。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的上述缺陷，本發明旨在提供一種雜質含量低、晶粒細、成份均勻、鋯含量高的鋁鋯合金及純淨度高、無汙染物、無廢氣、易於控制、質量穩定、成品率高的冶金方法。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種鋁鋯合金粉末冶金成型方法，包括以下步驟：
1）原材料、輔材、工裝及設備的準備
①按如下重量份準備原材料：純度不低於99.95%的鋁錠70份-75份、氟鋯酸鉀77.9-93.4份；
②準備如下輔材：氣體霧化用高純氬氣；
③準備如下工裝：銅製坩堝，該坩堝內設置有循環水通道；霧化工裝，該工裝採用陶瓷材料製作；石墨坩堝，該石墨坩堝為下出口坩堝，下出口處設置有出口閥；模具，該模具採用不鏽鋼製作；
④準備如下設備：真空感應熔煉爐，該真空感應熔煉爐內設置有電磁攪拌裝置；氣體霧化設備；真空熱等靜壓爐；
⑤上述所有工裝及除真空感應熔煉爐之外的設備均設置在真空感應熔煉爐的爐腔內；
2）合金的真空感應熔煉
①將1）中步驟①準備的原材料放入石墨坩堝，獲得熔池；
②將設置在石墨坩堝周圍的感應裝置與電源接通，待熔池內的原材料熔化後，開啟電磁攪拌裝置進行除氣與均勻化處理，熔池內溫度保持為780℃-800℃，保溫35min-45min，獲得熔煉完成的母合金液；
3）母合金粉末的製備
①將1）中步驟②準備的氣體霧化用高純氬氣氣源與1）中步驟④準備的氣體霧化設備連接；將1）中步驟③準備的霧化工裝安裝在氣體霧化設備噴氣口；將1）中步驟③準備的銅製坩堝固定在與霧化工裝出口處氣流對應區域，並在銅製坩堝內通入循環水；
②開啟氣源開關、開啟氣體霧化設備，保持氣壓5MPa-6MPa；
③緩慢打開設置在石墨坩堝下出口處的出口閥，至母合金液呈液滴形態均勻滴落，落入霧化工裝上部的管道中；高純氬氣在氣壓作用下吹散母合金液形成的液滴，形成霧化液，並帶著其沿固定軌跡運動，霧化液噴出；
④噴出的霧化液沿固定軌跡噴入內部有循環水循環冷卻的銅製坩堝，並在銅製坩堝內急冷成細微顆粒，待所有母合金液霧化完畢後，收集銅製坩堝內的細微顆粒，即獲得所需母合金粉末；
4）粉末冶金成型
①將3）中步驟③獲得的母合金粉末攪拌均勻後填充滿1）中步驟③準備的模具中；
②將盛裝了母合金粉末的模具放入1）中步驟④準備的真空熱等靜壓爐中；
③抽真空至不高於1×10-4Pa，加熱至600℃-620℃，加壓至210MPa -240Mpa，保持6h-8h；
④步驟③完成後，隨爐冷卻30min-50min後出爐空冷；
⑤脫模，即獲得所需鋁鋯合金。
根據上述方法獲得的鋁鋯合金，該鋁鋯合金按重量比含鋁70%-75%、鋯25%-30%。
與現有技術比較，本發明由於採用了上述方案，具有以下優點：由於合金熔煉時便採用了真空感應熔煉工藝，真空環境中的低氣體壓力使冶煉的物理過程發生了改變，有利於氣體的脫出，在真空條件下，物質的物理性質會發生改變，沸騰溫度會降低；真空條件下，金屬熔化時原來夾雜在金屬中的氣體放出後能很快離開金屬熔液被真空泵抽走。原來金屬與氣體生成的化合物，在熔煉過程中分解放出的氣體也很快被真空泵抽走；在真空條件下，溫度、粘度、透氣性都有改變，隨冶煉溫度的升高，金屬的溼含量降低、粘度降低、透氣性變好，使得熔煉過程中氣體夾雜物減少，更容易脫氣；同時金屬在真空中精煉不會形成氣孔或中間夾雜；金屬雜質或氧化物在真空中形成氣體之後其分子直徑很小且分散性好，因此在真空中多原子分子傾向於分解成較少原子組成的分子，形成的氣體分子很小，粒徑一般在1-10nm，容易被真空系統抽走；因此採用真空感應熔煉爐進行的原始熔煉使得母合金內雜質及含氣量達到極低的水平，母合金純淨度高；由於是採用的石墨坩堝進行熔煉，不會有新的鐵元素及鑄鐵內含雜質元素進入合金，也保證了母合金的純淨度；由於是與氣體霧化工裝及氣體霧化設備無縫連接，這些裝置內又充滿了高純氬氣，母合金液採用下出口流出，所以整個過程中均不會發生二次氧化的現象，再次保證了母合金粉末的純淨度；綜上，合金的純淨度得到了最大限度的保障；由於採用了電磁攪拌設備，使熔煉過程中的金屬液在真空環境下不斷不定向流動，既提高了雜質及氣體的排出、上升比例，又均勻化了成份，使母合金液更加均勻，為後續的粉末質量打好了基礎；由於採用了專用的霧化工裝與水冷銅模，使得保護及霧氣氣體的出口氣壓可以達到更高（5MPa-6MPa），並使得氣體流動更均勻，霧化程度更高、更細、更均勻，因此能獲得不需過篩即足夠細化、均勻的母合金粉末，成品率接近100%，同時，無論過飽合度多高，此時也已完全均勻化，不會出現因為成本不均勻而致使用性能不均勻的影響；採用合適的真空熱等靜壓成型，提升了合金的緻密程度，進一步降低了氣含量，同時也使合金錠的各向異性好，隨爐冷卻的過程更使得內應力分配均勻，在使用時便不會對形核的均勻性造成影響；由於全程均採用高效設備進行控制，因此本冶金方法易於控制、質量穩定。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖中：石墨坩堝1、熔池2、霧化工裝3、氣體霧化設備4、高純氬氣5、銅製坩堝6、循環水通道7、感應裝置8、出口閥9。
具體實施方式
實施例1：
一種鋁鋯合金，該鋁鋯合金按重量比含鋁75%、鋯25%。
該鋁鋯合金粉末冶金成型方法，包括以下步驟：
1）原材料、輔材、工裝及設備的準備
①按如下重量份準備原材料：純度不低於99.95%的鋁錠75份、氟鋯酸鉀77.9份；
②準備如下輔材：氣體霧化用高純氬氣5；
③準備如下工裝：銅製坩堝6，該坩堝內設置有循環水通道7；霧化工裝3，該工裝採用陶瓷材料製作；石墨坩堝1，該石墨坩堝1為下出口坩堝，下出口處設置有出口閥9；模具，該模具採用不鏽鋼製作；
④準備如下設備：真空感應熔煉爐，該真空感應熔煉爐內設置有電磁攪拌裝置；氣體霧化設備4；真空熱等靜壓爐；
⑤上述所有工裝及除真空感應熔煉爐之外的設備均設置在真空感應熔煉爐的爐腔內；
2）合金的真空感應熔煉
①將1）中步驟①準備的原材料放入石墨坩堝1，獲得熔池2；
②將設置在石墨坩堝1周圍的感應裝置8與電源接通，待熔池2內的原材料熔化後，開啟電磁攪拌裝置進行除氣與均勻化處理，熔池2內溫度保持為780℃，保溫35min，獲得熔煉完成的母合金液；
3）母合金粉末的製備
①將1）中步驟②準備的氣體霧化用高純氬氣5氣源與1）中步驟④準備的氣體霧化設備4連接；將1）中步驟③準備的霧化工裝3安裝在氣體霧化設備4噴氣口；將1）中步驟③準備的銅製坩堝6固定在與霧化工裝3出口處氣流對應區域，並在銅製坩堝6內通入循環水；
②開啟氣源開關、開啟氣體霧化設備4，保持氣壓5MPa；
③緩慢打開設置在石墨坩堝1下出口處的出口閥9，至母合金液呈液滴形態均勻滴落，落入霧化工裝3上部的管道中；高純氬氣5在氣壓作用下吹散母合金液形成的液滴，形成霧化液，並帶著其沿固定軌跡運動，霧化液噴出；
④噴出的霧化液沿固定軌跡噴入內部有循環水循環冷卻的銅製坩堝6，並在銅製坩堝6內急冷成細微顆粒，待所有母合金液霧化完畢後，收集銅製坩堝6內的細微顆粒，即獲得所需母合金粉末；
4）粉末冶金成型
①將3）中步驟③獲得的母合金粉末攪拌均勻後填充滿1）中步驟③準備的模具中；
②將盛裝了母合金粉末的模具放入1）中步驟④準備的真空熱等靜壓爐中；
③抽真空至1×10-4Pa，加熱至600℃，加壓至210MPa，保持6h；
④步驟③完成後，隨爐冷卻30min後出爐空冷；
⑤脫模，即獲得所需鋁鋯合金。
實施例2：
一種鋁鋯合金，該鋁鋯合金按重量比含鋁70%、鋯30%。
該鋁鋯合金粉末冶金成型方法，包括以下步驟：
1）原材料、輔材、工裝及設備的準備
①按如下重量份準備原材料：純度不低於99.95%的鋁錠70份、氟鋯酸鉀93.4份；
②準備如下輔材：氣體霧化用高純氬氣5；
③準備如下工裝：銅製坩堝6，該坩堝內設置有循環水通道7；霧化工裝3，該工裝採用陶瓷材料製作；石墨坩堝1，該石墨坩堝1為下出口坩堝，下出口處設置有出口閥9；模具，該模具採用不鏽鋼製作；
④準備如下設備：真空感應熔煉爐，該真空感應熔煉爐內設置有電磁攪拌裝置；氣體霧化設備4；真空熱等靜壓爐；
⑤上述所有工裝及除真空感應熔煉爐之外的設備均設置在真空感應熔煉爐的爐腔內；
2）合金的真空感應熔煉
①將1）中步驟①準備的原材料放入石墨坩堝1，獲得熔池2；
②將設置在石墨坩堝1周圍的感應裝置8與電源接通，待熔池2內的原材料熔化後，開啟電磁攪拌裝置進行除氣與均勻化處理，熔池2內溫度保持為800℃，保溫45min，獲得熔煉完成的母合金液；
3）母合金粉末的製備
①將1）中步驟②準備的氣體霧化用高純氬氣5氣源與1）中步驟④準備的氣體霧化設備4連接；將1）中步驟③準備的霧化工裝3安裝在氣體霧化設備4噴氣口；將1）中步驟③準備的銅製坩堝6固定在與霧化工裝3出口處氣流對應區域，並在銅製坩堝6內通入循環水；
②開啟氣源開關、開啟氣體霧化設備4，保持氣壓6MPa；
③緩慢打開設置在石墨坩堝1下出口處的出口閥9，至母合金液呈液滴形態均勻滴落，落入霧化工裝3上部的管道中；高純氬氣5在氣壓作用下吹散母合金液形成的液滴，形成霧化液，並帶著其沿固定軌跡運動，霧化液噴出；
④噴出的霧化液沿固定軌跡噴入內部有循環水循環冷卻的銅製坩堝6，並在銅製坩堝6內急冷成細微顆粒，待所有母合金液霧化完畢後，收集銅製坩堝6內的細微顆粒，即獲得所需母合金粉末；
4）粉末冶金成型
①將3）中步驟③獲得的母合金粉末攪拌均勻後填充滿1）中步驟③準備的模具中；
②將盛裝了母合金粉末的模具放入1）中步驟④準備的真空熱等靜壓爐中；
③抽真空至1×10-5Pa，加熱至620℃，加壓至240Mpa，保持8h；
④步驟③完成後，隨爐冷卻50min後出爐空冷；
⑤脫模，即獲得所需鋁鋯合金。
本發明尤其適用於用於航空航天精工產品的晶粒細化劑。
對所公開的實施例的上述說明，僅為了使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。