一種用於航空器殼體的合金製造方法與流程
2024-02-27 06:29:15 1
本發明屬於合金領域，具體涉及一種用於航空器殼體的合金製造方法。
背景技術：
隨著人類對太空領域的不斷探索，航空器發射數量以及頻率也隨之不斷提升，對航空器的安全性以及穩定性的追求也在不斷提升。目前用於航空器外殼製造的合金一般為鋁合金或者鈦合金，但是由於鈦合金得製造以及使用成本都較為昂貴，因此還並不能廣泛推廣；而鋁合金雖然其製造以及使用成本都適中，但是其性能還不能達到與鈦合金相同或者近似的水準。
因此，為了解決以上問題研製出一種用於航空其殼體製造的合金是本領域技術人員所急需解決的難題。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明公開了一種用於航空器殼體的合金製造方法。
為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種用於航空器殼體的合金製造方法，具體製造方法包括以下步驟：
(1)預處理：除去熔化工具表面殘留的塗料以及氧化層，預熱至300～380℃後在表面均勻噴塗一層保護塗料，並升溫至400～500℃，保溫0.5～1h，烘乾發黃備用；同時對合金原材料與填料進行充分脫水、烘乾；
(2)合金液熔煉：將合金原材料加入感應爐中，升溫至1500～1600℃，待其完全熔化後保溫0.5～1h；加入經過乾餾的木炭，木炭的加入量以充分覆蓋住合金液面為原則，升溫至1650～1720℃，攪拌均勻，保溫2～3h；
(3)合金錠鑄造：將步驟(2)獲得的合金液注入鑄造保溫坩堝，將升液管預熱至200～250℃，同時對合金錠模具預熱至300～400℃後噴刷塗料進行合模；設定鑄造參數，具體為，氣源壓力：0.7～0.95Mpa，同步壓力：0.5～0.68Mpa，升液速度：58～65mm/s，結晶增壓壓力：0.01～0.015Mpa；向合金錠模具型腔和鑄造保溫坩堝同時通入壓縮空氣，調節升液壓力為0.1～0.15Mpa，充型壓力為0.1～0.15Mpa，使鑄造保溫坩堝中下工作罐坩堝內的合金液沿著升液管由下至上進行升液充型；充型完成後繼續增壓，當鑄造保溫坩堝的上工作罐坩堝和下工作罐坩堝的壓力差達到0.06～0.08Mpa時，保壓5～8min；再將合金液平穩注入合金錠模具中，在壓力不等的作用下凝固結晶為合金錠，並取出；
(4)合金錠重熔：待步驟(3)中合金錠的表面溫度下降至400～450℃時，放入真空自耗重熔爐進行重熔，待合金錠完全熔化後加入填料，持續攪拌，攪拌時長為10～20min；
(5)提升純淨度：將步驟(4)添加有填料的合金液轉移至電子束熔爐中，以1～2mA/s的速度將電子槍束流增加至180～235mA，待填料完全溶於合金液中時，繼續以3～4mA/s的速度將電子槍束流增加至400～420mA，並將電子束束斑半徑調整為15nm，時長為10～15min，獲得複合合金液；
(6)鑄件成型：按照步驟(3)的方法再次澆鑄成型。
進一步地，步驟(2)中合金原材料的組成成分以及各成分百分比分別為：Li：1.2～5％、Ni：0.9～1.2％、Si：0.3～0.5％、Zr：0.3～0.6％、Hf：0.2～0.5％、B：0.1～0.2％、Sb：0.5～1.2％、Sn：0.5～1.5％、V：0.1～0.3％、Ti：3～5.2％，其餘為Al。
進一步地，步驟(4)中的填料為T4鈦合金粉、氮化硼、納米二氧化矽以及納米二氧化鈦中的任意一種或者任意幾種的組合。
作為優選，步驟(4)中的填料需進行碾磨，且目數不高於80目。
作為優選，步驟(2)中合金原材料的組成成分以及各成分百分比分別為：Li：2.3～4.5％、Ni：0.9～1.1％、Si：0.35～0.45％、Zr：0.4～0.5％、Hf：0.3～0.4％、B：0.15～0.2％、Sb：0.7～1％、Sn：0.6～1％、V：0.2～0.3％、Ti：3.5～4％，其餘為Al。
作為優選，步驟(2)中合金原材料的組成成分以及各成分百分比分別為：Li：3％、Ni：1％、Si：0.4％、Zr：0.44％、Hf：0.4％、B：0.16％、Sb：0.8％、Sn：1.1％、V：0.15％、Ti：4.2％，其餘為Al。
本發明提供了一種用於航空器殼體的合金製造方法，包括預處理、合金液熔煉、合金錠鑄造、合金錠重熔、提升純淨度以及鑄件成型；首先對熔煉工具預處理，去除表面殘留物，防止給合金液帶來雜質，隨後進行合金液熔煉，在熔煉時添加經過乾餾的木炭進行除氣，除氣完成進行合金錠的不等壓鑄造，消除一部分可能出現的氣孔、縮孔等缺陷，提升熱補縮能力，降低合金錠的微觀組織疏鬆度，使組織更為緻密，同時提升後續力學性能；再將合金錠重熔，添加填料，轉移至電子束熔爐，在增強整體強度的同時，降低內部應力，防止斷裂以及裂紋的產生，最後再根據需要進行澆鑄成型。
同時本發明還提供了由Li、Ni、Si、Zr、Hf、B、Sb、Sn、V、Ti、Al組成的合金原材料。其中Al作為合金的主體元素；Li和Zr有強烈的細化晶粒和淨化合金液作用，並且Li還能夠使合金凝固時結晶潛熱發生改變；Ti具有穩定的化學性質，同時具有良好的耐高溫性；Hf可防止斷面裂紋的產生；並且微量的V能夠賦予本合金一些特殊機能，如提高抗張強度和屈服點；Sb以及Sn的結合則能夠整體性能；B的添加則能夠提升整體硬度。
本發明與現有技術相比，採用獨創的製造方法以及成分配比，保證在使用通過本方法獲得的合金製造的航空器殼體具有優異的緻密性、極強的力學性能，同時質量輕，能夠適應高低溫的冷熱交替，適應性極強。
具體實施方式
以下將結合具體實施例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述具體實施方式僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。
實施例1：
一種用於航空器殼體的合金製造方法，具體製造方法包括以下步驟：
(1)預處理：除去熔化工具表面殘留的塗料以及氧化層，預熱至300℃後在表面均勻噴塗一層保護塗料，並升溫至400℃，保溫0.5h，烘乾發黃備用；同時對合金原材料與填料進行充分脫水、烘乾；
(2)合金液熔煉：將合金原材料加入感應爐中，升溫至1500℃，待其完全熔化後保溫0.5h；加入經過乾餾的木炭，木炭的加入量以充分覆蓋住合金液面為原則，升溫至1650℃，攪拌均勻，保溫2h；
(3)合金錠鑄造：將步驟(2)獲得的合金液注入鑄造保溫坩堝，將升液管預熱至200℃，同時對合金錠模具預熱至300℃後噴刷塗料進行合模；設定鑄造參數，具體為，氣源壓力：0.7Mpa，同步壓力：0.5Mpa，升液速度：65mm/s，結晶增壓壓力：0.01Mpa；向合金錠模具型腔和鑄造保溫坩堝同時通入壓縮空氣，調節升液壓力為0.1Mpa，充型壓力為0.1Mpa，使鑄造保溫坩堝中下工作罐坩堝內的合金液沿著升液管由下至上進行升液充型；充型完成後繼續增壓，當鑄造保溫坩堝的上工作罐坩堝和下工作罐坩堝的壓力差達到0.06Mpa時，保壓5min；再將合金液平穩注入合金錠模具中，在壓力不等的作用下凝固結晶為合金錠，並取出；
(4)合金錠重熔：待步驟(3)中合金錠的表面溫度下降至400℃時，放入真空自耗重熔爐進行重熔，待合金錠完全熔化後加入填料，持續攪拌，攪拌時長為10min；
(5)提升純淨度：將步驟(4)添加有填料的合金液轉移至電子束熔爐中，以1mA/s的速度將電子槍束流增加至180mA，待填料完全溶於合金液中時，繼續以3mA/s的速度將電子槍束流增加至400mA，並將電子束束斑半徑調整為15nm，時長為10min，獲得複合合金液；
(6)鑄件成型：按照步驟(3)的方法再次澆鑄成型。
步驟(2)中合金原材料的組成成分以及各成分百分比分別為：Li：1.2％、Ni：0.9％、Si：0.3％、Zr：0.3％、Hf：0.2％、B：0.1％、Sb：0.5％、Sn：0.5％、V：0.1％、Ti：5.2％，其餘為Al。
步驟(4)中的填料為T4鈦合金粉，且需進行碾磨，目數不高於80目。
實施例2：
一種用於航空器殼體的合金製造方法，具體製造方法包括以下步驟：
(1)預處理：除去熔化工具表面殘留的塗料以及氧化層，預熱至380℃後在表面均勻噴塗一層保護塗料，並升溫至500℃，保溫1h，烘乾發黃備用；同時對合金原材料與填料進行充分脫水、烘乾；
(2)合金液熔煉：將合金原材料加入感應爐中，升溫至1600℃，待其完全熔化後保溫1h；加入經過乾餾的木炭，木炭的加入量以充分覆蓋住合金液面為原則，升溫至1720℃，攪拌均勻，保溫3h；
(3)合金錠鑄造：將步驟(2)獲得的合金液注入鑄造保溫坩堝，將升液管預熱至250℃，同時對合金錠模具預熱至00℃後噴刷塗料進行合模；設定鑄造參數，具體為，氣源壓力：0.95Mpa，同步壓力：0.68Mpa，升液速度：58mm/s，結晶增壓壓力：0.015Mpa；向合金錠模具型腔和鑄造保溫坩堝同時通入壓縮空氣，調節升液壓力為0.15Mpa，充型壓力為0.15Mpa，使鑄造保溫坩堝中下工作罐坩堝內的合金液沿著升液管由下至上進行升液充型；充型完成後繼續增壓，當鑄造保溫坩堝的上工作罐坩堝和下工作罐坩堝的壓力差達到0.08Mpa時，保壓8min；再將合金液平穩注入合金錠模具中，在壓力不等的作用下凝固結晶為合金錠，並取出；
(4)合金錠重熔：待步驟(3)中合金錠的表面溫度下降至450℃時，放入真空自耗重熔爐進行重熔，待合金錠完全熔化後加入填料，持續攪拌，攪拌時長為20min；
(5)提升純淨度：將步驟(4)添加有填料的合金液轉移至電子束熔爐中，以2mA/s的速度將電子槍束流增加至235mA，待填料完全溶於合金液中時，繼續以4mA/s的速度將電子槍束流增加至420mA，並將電子束束斑半徑調整為15nm，時長為10～15min，獲得複合合金液；
(6)鑄件成型：按照步驟(3)的方法再次澆鑄成型。
步驟(2)中合金原材料的組成成分以及各成分百分比分別為：Li：5％、Ni：1.2％、Si：0.5％、Zr：0.6％、Hf：0.5％、B：0.2％、Sb：1.2％、Sn：1.5％、V：0.3％、Ti：3％，其餘為Al。
步驟(4)中的填料為氮化硼，且需進行碾磨，目數不高於80目。
實施例3：
一種用於航空器殼體的合金製造方法，具體製造方法包括以下步驟：
(1)預處理：除去熔化工具表面殘留的塗料以及氧化層，預熱至350℃後在表面均勻噴塗一層保護塗料，並升溫至450℃，保溫0.7h，烘乾發黃備用；同時對合金原材料與填料進行充分脫水、烘乾；
(2)合金液熔煉：將合金原材料加入感應爐中，升溫至1580℃，待其完全熔化後保溫0.7h；加入經過乾餾的木炭，木炭的加入量以充分覆蓋住合金液面為原則，升溫至1700℃，攪拌均勻，保溫2.5h；
(3)合金錠鑄造：將步驟(2)獲得的合金液注入鑄造保溫坩堝，將升液管預熱至220℃，同時對合金錠模具預熱至350℃後噴刷塗料進行合模；設定鑄造參數，具體為，氣源壓力：0.85Mpa，同步壓力：0.6Mpa，升液速度：60mm/s，結晶增壓壓力：0.012Mpa；向合金錠模具型腔和鑄造保溫坩堝同時通入壓縮空氣，調節升液壓力為0.13Mpa，充型壓力為0.13Mpa，使鑄造保溫坩堝中下工作罐坩堝內的合金液沿著升液管由下至上進行升液充型；充型完成後繼續增壓，當鑄造保溫坩堝的上工作罐坩堝和下工作罐坩堝的壓力差達到0.07Mpa時，保壓5～8min；再將合金液平穩注入合金錠模具中，在壓力不等的作用下凝固結晶為合金錠，並取出；
(4)合金錠重熔：待步驟(3)中合金錠的表面溫度下降至435℃時，放入真空自耗重熔爐進行重熔，待合金錠完全熔化後加入填料，持續攪拌，攪拌時長為15min；
(5)提升純淨度：將步驟(4)添加有填料的合金液轉移至電子束熔爐中，以1.5mA/s的速度將電子槍束流增加至200mA，待填料完全溶於合金液中時，繼續以3.5mA/s的速度將電子槍束流增加至400mA，並將電子束束斑半徑調整為15nm，時長為12min，獲得複合合金液；
(6)鑄件成型：按照步驟(3)的方法再次澆鑄成型。
步驟(2)中合金原材料的組成成分以及各成分百分比分別為：Li：3％、Ni：1％、Si：0.4％、Zr：0.44％、Hf：0.4％、B：0.16％、Sb：0.8％、Sn：1.1％、V：0.15％、Ti：4.2％，其餘為Al。
步驟(4)中的填料為T4鈦合金粉、納米二氧化矽以及納米二氧化鈦中的，且需進行碾磨，目數不高於80目。
分別通過以上三個實施例提供的工藝以及配比獲得三種成分的合金，利用三種成分的合金製作10mm厚的殼體鑄件，並分別進行力學測試。
實施例1的屈服強度能夠達到843～850Mpa、抗拉強度達到881～887Mpa，在-120℃下的衝擊功達到132J，在400℃下的衝擊功能夠達到247J。
實施例2的屈服強度能夠達到876～882Mpa、抗拉強度達到913～920Mpa，在-120℃下的衝擊功達到198J，在400℃下的衝擊功能夠達到278J。
實施例3的屈服強度能夠達到902～908Mpa、抗拉強度達到1005～1010Mpa，在-120℃下的衝擊功達到205J，在400℃下的衝擊功能夠達到283J。
綜上，通過以上三個實施例獲得的合金都具有優異的屈服強度、抗拉強度，力學性能優異，同時都具有極強的耐高溫與耐低溫性；並且實施例3所公開的工藝參數以及成分配比為佳。
最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制性技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，那些對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。