生产包含锂的铝合金的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铝-锂合金的制造。特别是，本发明涉及制造熔融铝-锂合金的方法，以铸造适于通过挤压、锻造和/或乳制进行进一步加工的锭(ingot)或还(billet)原料。
【背景技术】
[0002]在下文中将会明了的是，除非另有说明，铝合金牌号是指在2013年由铝业协会(Aluminum Associat1n)出片反的 Aluminum Standards and Data and the Registrat1nRecords中的Aluminum Associat1n designat1ns，其对于本领域技术人员而言是公知的。
[0003]除非另有说明，对于铝合金组成或优选铝合金组成的任何描述，所指的百分数均为重量百分数。
[0004]包含锂的铝合金对用于航空航天工业而言非常有益，这是由于目的性地添加锂可降低铝合金的密度，加入lwt%的锂可降低约3%的铝合金密度并提高约6%的弹性模量。为了使这些合金被选用于飞机中，它们在其它工程性质方面的表现必须与常用的合金一样好，尤其是在静态机械强度性能和损伤容限性能之间的折衷方面。随着时间的推移，以相应的大量的热-机械加工路线开发出了大量的铝-锂合金。然而，关键的加工路线仍然是锭或坯的铸造，该锭或坯用于通过挤压、锻造和/或乳制进行进一步加工。已证明在锭和坯的工业规模生产中，铸造工艺仍然是有问题的加工步骤。例如在炉中、转移槽中和铸造本身的过程中，存在熔融金属氧化的问题。
[0005]美国专利号4，761，266(转让给Kaiser Aluminum)公开了以预选的招与锂的比例制备招-锂合金的方法。该方法包括制备大量的恪融锂和大量的恪融的招恪体(aluminiummelt)。使用不锈钢过滤器对熔融锂进行过滤，以从熔融锂中移除固体、特别是锂的氧化物和氢氧化物。在与熔融锂混合之前，通过脱气对熔融的铝熔体进行熔融处理。在包含涡流碗(vortex bowl)的复合装置中对恪融锂和恪融招进行混合。祸流的漩祸作用(swirlingact1n)使铝和锂混合，然后作为均匀混合物向下进行，穿过漏斗底部的出口通道。混合物进入脱气室，其中，用氩对混合物进行吹扫。然后，使经吹扫的混合物穿过过滤器，以移除可能已进入系统中的任何氧化物和难熔碎片。然后，熔融混合物进入锭铸造工段(stat1n)。系统的所有组件均被笼罩在非活性气氛中。该方法具有多种缺点。例如，对于合金的粘度敏感，并由此对涡流碗中的金属的温度波动敏感。虽然系统被笼罩在非活性气氛中，仍存在着在熔融金属中夹带气体和氧化物的高风险，该气体和氧化物随后必须被移除。合金系统是复杂的动态系统，藉此金属流(metal flow)中的小的变化可能导致最终的锭中的合金组成的不期望变化。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供生产熔融铝-锂合金原料的方法(该方法更加可靠并且对金属流中的小波动不太敏感)、或者至少提供生产熔融铝-锂合金的替代方法。
[0007]本发明达到或超越了这一目的和其它目的以及进一步的优势，并提供了生产熔融铝-锂合金的方法，以铸造适于通过挤压、锻造和/或乳制进行进一步加工的处于锭形式的原料，该方法包括以下步骤:
[0008](a)制备具有组成A的熔融第一铝合金，该组成A不含作为目的合金元素的锂，优选还通过脱气、并优选通过过滤(例如通过使用陶瓷泡沫过滤器)对熔融铝合金进行熔融处理；
[0009](b)将第一铝合金转移至感应熔融炉中，优选在熔融铝中不产生任何湍流(turbulence)，以避免夹带由于瑞流而新产生的氧化物或挟取难恪碎片；
[0010](c)向处于感应熔融炉中的第一铝合金中加入锂，从而获得具有组成B的熔融第二铝合金，该组成B具有作为目的合金元素的锂；
[0011](d)任选向第二铝合金中加入另外的合金元素；
[0012](e)经由金属传送槽将第二合金(具有任选的另外的合金元素)从感应熔融炉转移至铸造工段，并优选在熔融铝中不产生任何湍流，以避免在熔融铝中形成任何氧化物。
[0013]根据本发明，已发现感应熔融炉允许大量(数吨，例如3吨-10吨以上)的铝-锂合金的批量制造，这使得随后铸造的锭具有可重现性以及一致的合金组成。在感应炉中，通过一个或多个感应器(inductor)使熔融金属保持运动。可对熔融浴中的流体流进行修整(tailored)，以使熔融铝的表面保持稳定并基本上不具有湍流或涡流，由此显著降低对气体(例如氢气、氮气、氧气或湿气)的挟取或对氧化物的夹带。另外，相较于例如燃气熔融炉，可容易地获得熔融铝上的非活性气氛的维持。由于通过感应器诱导的可控流体流，合金元素、尤其是锂的引入非常快，而且能够获得非常良好的熔体均匀性。感应熔融炉的另一进一步的优势是:在将第一铝合金转移至炉后，可用来再熔融厚规格的废料(包括含Li的废料)。由于在熔融金属的表面形成过多熔渣，避免了薄规格的废料(例如镟肩)。
[0014]在步骤(d)期间，可将熔融铝合金修整成所需的最终组成。例如如果合金组成并未处于其目标组成，可加入少量的合金元素。另外，可在后期加入相对贵的合金元素(例如银)，从而使具有此类贵重合金元素的任何废料最少化、或者避免或至少降低炉中的重合金元素的任何可能的沉降。
[0015]当在本发明上下文中提及锭时，本领域技术人员将理解的是，该锭涉及:具有长度L (通常形成乳制方向)、宽度W和厚度T的乳制锭；以及可用于挤压或锻造的坯，该坯具有通常形成挤压方向的长度L、并具有基本上圆形的外周，从而使得宽度和厚度(形成坯直径)为相同尺寸。如在本领域中所公知的，挤压坯还可具有椭圆形状。
[0016]本发明适用于多种铸造工艺，并优选适用于选自如下的铸造工艺:直接激冷铸造、水平铸造、柱间带式连铸以及使用带式铸造机的带式连铸。
[0017]本领域技术人员已知的“直接激冷铸造”或“DC铸造”工艺是本发明上下文中优选的工艺。在此类工艺中，招合金在具有引锭底座(dummy bottom)或起动块(starter block)的水冷的锭模具中铸造，同时垂直且连续地移动引锭底座，从而在合金固化期间维持熔融金属在模具中的大体上恒定的水平，用冷却介质(例如水、乙二醇或它们的组合)对固化面直接冷却。垂直的铸造方向形成了随后的经铸造的锭的长度方向。
[0018]在替代的实施方式中，提供了对包含锂的铝合金锭进行熔融和铸造的方法，该锭具有长度L方向、宽度W和厚度T，该方法包括以下步骤:
[0019](i)在分离的炉中制备至少两种熔融铝合金，即具有组成C的第三合金以及处于感应熔融炉中的具有组成B的第二合金，该组成C不含有作为目的合金元素的锂，该组成B含有作为目的合金元素的锂；
[0020](ii)经由金属传送槽将第三合金从炉转移至铸造工段；
[0021](iii)开始铸造锭，并在铸造方向上将第三合金铸造至锭的所需长度L1 ;
[0022](iv)随后经由金属传送槽将第二合金从感应熔融炉转移至铸造工段，同时停止将第三合金转移至所述铸造工段，由此优选在不中断熔融金属流的情况下，获得合金C与合金B之间的过渡；
[0023](v)在铸造方向上，从长度为L1的经铸造的第三合金的端面起铸造第二合金至另外的所需长度L2;以及
[0024](vi)在经铸造的锭的底部以大于或等于铸造长度L1的长度对该锭进行裁切，例如在厚规格锭的情况下通过锯切或通过剪切进行裁切。
[0025]根据这一实施方式，铸造工艺从不含作为目的合金元素的锂的铝合金开始，一旦达到稳定的铸造条件或铸造状态，通过转变为含锂的铝合金B使铸造工艺继续进行。这实现了在不使用含锂的合金的情况下开始铸造工艺的效果，并避免了其相关的缺点。例如，如果反之开始时直接使用含锂的合金，在铸造工艺开始之前，例如通常用非常吸湿的盐熔剂通过喷涂对模具和起动块(starter block)进行涂覆。如果未事先进行适当干燥，一旦倾倒入铸造模具中，源自于盐的水分可能会与熔融铝-锂合金反应，产生非常不安全的环境。在铸造开始时，倾倒至起动块上的熔融铝在固化时收缩，这可能会导致用于冷却铸造模具的水蒸汽进入模具中的区域，当与熔融铝-锂合金接触时可能导致爆炸。此外，由于较高的粘度，铝-锂合金可能会在开始时对铸造模具(例如通过玻璃纤维织物线、如组合袋(combo-bags)制成)中的金属分布体系造成问题；并且由于不均勾的金属分布，这些合金在铸造工艺开始时易于发生铸漏。当熔融铝接触到冷却水时，在铝-锂合金的情况下，铸漏可能会造成灾难性的后果。根据这一实施方式的方法克服或至少显著降低了所有的这些缺点和风险，这