本发明涉及一种航空用铝合金扁铸锭及其制造方法。
背景技术：
该产品属al-zn-mg-cu系的超硬铝，具有很高的强度，良好的断裂韧性、抗应力腐蚀和抗剥落性，良好的淬火敏感性、抗压应力等优点，其厚板被广泛应用于机翼上蒙皮部件。但该合金因化学成分、相组成复杂,在铸造时表现出极大的裂纹倾向，熔铸工艺参数范围极为狭窄，铸造过程中经常出现裂纹废品，熔体纯净度控制较困难，探伤通过率也比较低，其铸锭成品率仅为60％，所以通过对该合金成分和工艺参数的控制，从而降低扁铸锭裂纹倾向性，解决铸锭表面裂纹缺陷和提高熔体纯净度，以提高铸锭成品率。
技术实现要素：
本发明是要解决现有方法制造的铝合金扁铸锭因表面裂纹缺陷和探伤通过率低而导致铸锭成品率低的问题，提供了一种航空用铝合金扁铸锭锭及其制造方法。
本发明航空用铝合金扁铸锭是由按质量百分比si＜0.12％、fe＜0.15％、cu为1.9％～2.5％、mn＜0.10％、mg为2.0％～2.7％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn为5.9％～6.9％、zr为0.08％～0.15％、ti＜0.06％和余量的高纯铝锭为熔炼原料制造而成。
本发明航空用铝合金扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：
一、按质量百分比si＜0.12％、fe＜0.15％、cu为1.9％～2.5％、mn＜0.10％、mg为2.0％～2.7％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn为5.9％～6.9％、zr为0.08％～0.15％、ti＜0.06％和余量的高纯铝锭的配比，称取高纯铝锭、金属cu、金属mg、金属zn和al-5zr中间合金作为熔炼原料；
二、将步骤一称取的熔炼原料加入到电阻反射炉中进行熔化，熔炼原料的加入顺序为：先加入高纯铝锭，再加入金属cu和金属zn，然后加al-5zr中间合金，待熔体温度为700～720℃时再加入金属mg，然后在720～760℃的条件下搅拌10～15min，取样分析化学成分，合格后，覆盖上熔剂后得到合金熔体；
三、将步骤二得到的合金熔体在720～760℃的温度下导入电阻反射炉的静置炉，通入氩氯混合气体精炼15min后静置10～30min，得到精炼后合金熔体，将精炼后合金熔体先流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后通过流盘在铸造速度为55mm/min～60mm/min、铸造温度为700～715℃、铸造冷却水压为0.01～0.05mpa和在线播种al-5ti-b丝的条件下的熔体注入结晶器中，进行半连续铸造得到航空用铝合金扁铸锭；其中所述的高纯铝锭的纯度为99.996％。
原料配比得到的航空用铝合金扁铸锭中，mg和zn的含量较高。zn为5.9％～6.9％，mg为2.0％～2.7％，zn/mg比接近3。zn、mg和cu对热处理效果的影响是不同的。增加zn和mg的浓度能同时提高淬火和时效效应，在合金中主要形成强化相mgzn2。mgzn2相在合金中的溶解度随温度的降低而急剧下降，具有很强的时效硬化能力。在固溶限范围内，提高zn、mg的含量可以大大提高强度，但会导致合金的韧性和抗应力腐蚀性能降低。在其溶解度范围内向含有zn和mg的合金中加入2％～3％的cu，能同时提高强度、相对延伸率、塑性、耐蚀性和重复加载抗力。在超高强铝合金中保持较高的zn/mg比是得到良好性能的基础，cu主要通过固溶方式强化合金性能。
一般在合金中添加0.08％～0.15％的zr。zr和al结合形成a13zr金属间化合物，这种金属间化合物有两种结构形态：从熔体中直接析出的a13zr为四方结构，可显著细化合金的铸态晶粒；另一种是铸锭均匀化过程中析出的球形粒子，与基体共格，具有强烈地抑制热加工过程中再结晶的作用，微量zr可提高合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。此外，由于zr的淬火敏感性较小，zr还可以提高合金的淬透性和焊接性。加入少量ti、b，可以显著细化合金晶粒，使合金的裂纹倾向性降低。
本发明的有益效果：
本发明针对不同合金的特性选择不同的加入时机，解决了各元素充分合金化的问题；通入氩氯混合气体精炼，可以有效减少熔体中的na、ca等碱金属；熔体流入在线除气装置，可以有效除去熔体中的h2；流入过滤装置，可以有效除渣；按照上述方法得到的铸锭成品率有所提高，达到86％，解决了现有方法制备的铸锭成品率低的问题。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式航空用铝合金扁铸锭是由按质量百分比si＜0.12％、fe＜0.15％、cu为1.9％～2.5％、mn＜0.10％、mg为2.0％～2.7％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn为5.9％～6.9％、zr为0.08％～0.15％、ti＜0.06％和余量的高纯铝锭为熔炼原料制造而成。
本实施方式原料配比得到的航空用铝合金扁铸锭中，mg和zn的含量较高。zn为5.9％～6.9％，mg为2.0％～2.7％，zn/mg比接近3。zn、mg和cu对热处理效果的影响是不同的。增加zn和mg的浓度能同时提高淬火和时效效应，在合金中主要形成强化相mgzn2。mgzn2相在合金中的溶解度随温度的降低而急剧下降，具有很强的时效硬化能力。在固溶限范围内，提高zn、mg的含量可以大大提高强度，但会导致合金的韧性和抗应力腐蚀性能降低。在其溶解度范围内向含有zn和mg的合金中加入2％～3％的cu，能同时提高强度、相对延伸率、塑性、耐蚀性和重复加载抗力。在超高强铝合金中保持较高的zn/mg比是得到良好性能的基础，cu主要通过固溶方式强化合金性能。
一般在合金中添加0.08％～0.15％的zr。zr和al结合形成a13zr金属间化合物，这种金属间化合物有两种结构形态：从熔体中直接析出的a13zr为四方结构，可显著细化合金的铸态晶粒；另一种是铸锭均匀化过程中析出的球形粒子，与基体共格，具有强烈地抑制热加工过程中再结晶的作用，微量zr可提高合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。此外，由于zr的淬火敏感性较小，zr还可以提高合金的淬透性和焊接性。加入少量ti、b，可以显著细化合金晶粒，使合金的裂纹倾向性降低。
si、fe、mn、cr、ni均为杂质元素，实际生产中其含量越低越好.
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是航空用铝合金扁铸锭是按质量百分比为si＜0.12％、fe＜0.15％、cu：2.10％、mn＜0.10％、mg：2.4％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn：6.5％、zr：0.11％、ti＜0.06％和余量的高纯铝锭为熔炼原料制造而成；其中所述的高纯铝锭的纯度为99.996％。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式航空用铝合金扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：
一、按质量百分比si＜0.12％、fe＜0.15％、cu为1.9％～2.5％、mn＜0.10％、mg为2.0％～2.7％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn为5.9％～6.9％、zr为0.08％～0.15％、ti＜0.06％和余量的高纯铝锭的配比，称取高纯铝锭、金属cu、金属mg、金属zn和al-5zr中间合金作为熔炼原料；
二、将步骤一称取的熔炼原料加入到电阻反射炉中进行熔化，熔炼原料的加入顺序为：先加入高纯铝锭，再加入金属cu和金属zn，然后加al-5zr中间合金，待熔体温度为700～720℃时再加入金属mg，然后在720～760℃的条件下搅拌10～15min，取样分析化学成分，合格后，覆盖上熔剂后得到合金熔体；
三、将步骤二得到的合金熔体在720～760℃的温度下导入电阻反射炉的静置炉，通入氩氯混合气体精炼15min后静置10～30min，得到精炼后合金熔体，将精炼后合金熔体先流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后通过流盘在铸造速度为55mm/min～60mm/min、铸造温度为700～715℃、铸造冷却水压为0.01～0.05mpa和在线播种al-5ti-b丝的条件下的熔体注入结晶器中，进行半连续铸造得到航空用铝合金扁铸锭；其中所述的高纯铝锭的纯度为99.996％。
本实施方式步骤二中所述的加入金属cu和金属zn的顺序可按任意顺序加入。
本实施方式针对不同合金的特性选择不同的加入时机，解决了各元素充分合金化的问题；通入氩氯混合气体精炼，可以有效减少熔体中的na、ca等碱金属；熔体流入在线除气装置，可以有效除去熔体中的h2；流入过滤装置，可以有效除渣；按照上述方法得到的铸锭成品率有所提高，达到86％，解决了现有方法制备的铸锭成品率低的问题。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一按质量百分比si＜0.12％、fe＜0.15％、cu为2.10％、mn＜0.10％、mg为2.4％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn为6.5％、zr为0.11％、ti＜0.06％和余量的高纯铝锭的配比，称取高纯铝锭、金属cu、金属mg、金属zn和al-5zr中间合金作为熔炼原料。其它步骤及参数与具体实施方式二至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤一中al-5zr中间合金中zr含量为5％，其余为al，其它步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是步骤二是在730℃的条件下搅拌10min。其它步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是步骤二的搅拌是从电阻反射炉的两侧炉门对流搅拌。其它步骤及参数与具体实施方式三至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是步骤二所述的熔剂是按质量百分数由7％的混合物、40％的kcl、45％的mgcl2和8％的bacl2组成，熔剂的加入量为5千克/吨熔体；其中的混合物是由nacl与cacl2按任意比组成的。其它步骤及参数与具体实施方式三至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是步骤三所述的氩氯混合气体是由95％的氩气和5％的氯气组成。其它步骤及参数与具体实施方式三至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是步骤三通入氩氯混合气体的速率为0.20～0.25m3/min。其它步骤及参数与具体实施方式三至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式三至十之一不同的是步骤三所述的在线除气装置中的气体纯度为99.99％的氩气。其它步骤及参数与具体实施方式三至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式三至十一之一不同的是步骤三在线播种al-5ti-b丝中ti含量为5％，b含量为1％，其余为al，播种速度为500mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式三至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式三至十二之一不同的是步骤三所述的过滤装置的第一过滤层的目数为30目，第二过滤层的目数为50目。其它步骤及参数与具体实施方式三至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式三至十三之一不同的是步骤三在铸造速度为56mm/min，铸造温度为710℃，铸造冷却水压为0.03mpa的条件下进行半连续铸造。其它步骤及参数与具体实施方式三至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式三至十四之一不同的是步骤三所述的结晶器的形状为520mm×1620mm的长方形。其它步骤及参数与具体实施方式三至十四之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式三至十五之一不同的是步骤三得到航空用铝合金扁铸锭的尺寸为520mm×1620mm×3000mm～6000mm。其它步骤及参数与具体实施方式三至十五之一相同。
实施例一：本实施例航空用铝合金扁铸锭的制造方法按下列步骤实现：
一、按质量百分比为si＜0.12％、fe＜0.15％、cu为2.10％、mn＜0.10％、mg为2.4％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn为6.5％、zr为0.11％、ti＜0.06％和余量的高纯铝，称取高纯铝锭、金属cu、金属zn、金属mg和al-5zr中间合金作为熔炼原料；
二、步骤一称取的熔炼原料加入到电阻反射炉中进行熔化，熔炼原料的加入顺序为：先加入高纯铝锭，再加入金属cu和金属zn，然后加al-5zr中间合金，待熔体温度为720℃时再加入金属mg，在720℃的条件下，从电阻反射炉的两侧炉门对流搅拌10min，取样分析化学成分，化学成分合格后，覆盖上熔剂后得到合金熔体；
三、将步骤二得到的合金熔体在720℃的温度下导入电阻反射炉的静置炉，通入氩氯混合气体精炼15min后静置30min，得到精炼后合金熔体，将精炼后合金熔体先流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后通过流盘在铸造速度为55mm/min、铸造温度为710℃、铸造冷却水压为0.03mpa和在线播种al-5ti-b丝的条件下的熔体注入结晶器中，进行半连续铸造得到航空用铝合金扁铸锭。
本实施例一得到航空用铝合金扁铸锭的化学成分合格，表面无裂纹、夹渣等缺陷，成品率达到了87％。
实施例二：本实施例核反应堆用铝合金空心锭的制造方法按下列步骤实现：
一、按质量百分比为si＜0.12％、fe＜0.15％、cu为2.05％、mn＜0.10％、mg为2.30％、cr＜0.04％、ni＜0.05％、zn为6.60％、zr为0.12％、ti＜0.06％和余量的高纯铝，称取高纯铝锭、金属cu、金属zn、金属mg和al-5zr中间合金作为熔炼原料；
二、步骤一称取的熔炼原料加入到电阻反射炉中进行熔化，熔炼原料的加入顺序为：先加入高纯铝锭，再加入金属cu和金属zn，然后加al-5zr中间合金，待熔体温度为710℃时再加入金属mg，在740℃的条件下，从电阻反射炉的两侧炉门对流搅拌15min，取样分析化学成分，化学成分合格后，覆盖上熔剂后得到合金熔体；
三、将步骤二得到的合金熔体在740℃的温度下导入电阻反射炉的静置炉，通入氩氯混合气体精炼15min后静置30min，得到精炼后合金熔体，将精炼后合金熔体先流入在线除气装置，再流入过滤装置，然后通过流盘在铸造速度为60mm/min、铸造温度为705℃、铸造冷却水压为0.035mpa和在线播种al-5ti-b丝的条件下的熔体注入结晶器中，进行半连续铸造得到航空用铝合金扁铸锭。
本实施例二得到航空用铝合金扁铸锭的化学成分合格，表面无裂纹、夹渣等缺陷，成品率达到了85.8％。
实施例一和二中步骤一中al-5zr中间合金中zr含量为5％，其余为al；步骤二所述的熔剂是按质量百分数由7％的混合物、40％的kcl、45％的mgcl2和8％的bacl2组成，熔剂的加入量为5千克/吨熔体；其中的混合物是由nacl与cacl2按任意比组成的。步骤三中所述的氩氯混合气体是由95％的氩气和5％的氯气组成，通入氩氯混合气体的速率为0.20～0.25m3/min；在线除气装置中的气体纯度为99.99％的氩气；在线播种al-5ti-b丝中ti含量为5％，b含量为1％，其余为al，播种速度为500mm/min；过滤装置的第一过滤层的目数为30目，第二过滤层的目数为50目；步骤三所述的结晶器的形状为520mm×1620mm的长方形。实施例一和二得到航空用铝合金扁铸锭的尺寸为520mm×1620mm×3000mm～6000mm。