一种2219铝基合金粉及其生产方法与流程

本发明涉及铝基合金领域，具体而言，涉及一种2219铝基合金粉及其通过快速凝固法生产的方法。

背景技术：

2219铝基合金具有比强度高、低温和高温力学性能好、断裂韧度高、抗应力腐蚀性能好等特点，适用于早高温315℃下工作的结构件、高强度焊接件，在航天和航空领域中得到广泛的应用。2219铝基合金属于可热处理强化变形铝合金，在固溶时效处理之后铝合金的力学性能得到提高。

目前，提升2219铝基合金上述性能的主要方式是通过快速凝固技术制备2219铝基合金。快速凝固技术问世于20世纪60年代，所述快速凝固即由液相到固相的冷却速度相当快，从而获得传统铸件或铸锭所不能获得的成分、相结构或微观结构，快速凝固的冷却速率通常为10³～10⁵k/s。由于快速凝固技术提高冷却速度，有效扩大铜在α相中的固溶度，抑制铜相的生核和生长，因此，通过快速凝固技术制备的2219铝基合金可以显著地改善合金的强度和韧度，同时合金的抗应力腐蚀性也得到很大提高。

然而，尽管快速凝固铝基合金制备技术在近年来发展非常迅速，但同时也面临着瓶颈和难点。

在常规的2219铝基合金成分以及物料熔融、雾化条件下，随着合金溶液的温度增加、合金的氧含量增大、流动性下降、35μm以下细粉太多，合金的性能也随之下降，尤其是在和静溶液超过950℃的情况下，2219铝基合金的氧含量会上升到3000ppm以上、流动性大于45s/50g以上，在高温下力学性能下降等缺陷，极大地制约了2219铝基合金的应用范围。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种快速凝固法制备2219铝基合金粉末的方法，通过所述方法可以克服2219铝基合金粉的氧含量高、流动性差以及在高温下力学性能下降的缺陷。

本发明的第二目的在于提供一种根据上述方法制成的2219铝基合金粉末或压材，具有比强度高、低温和高温力学性能好、断裂韧度高、抗应力腐蚀性能好、以及高温下力学性能优良的优点，扩大了2219铝基合金的应用范围。

本发明的第三目的在于提供上述合金粉末或合金压材在汽车、电子或航空航天领域的特殊应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种快速凝固法制备2219铝基合金的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将2219合金锭放入不被污染的坩埚内，对坩埚内持续充入纯度99.95％以上的氮气或惰性气体，保证整个熔炼过程，合金都被高纯氮气或惰性气体保护；

(2)在950～1050℃，优选980～1020℃温度下，充分搅拌合金溶液，并保温1-4h，优选2～2.5h；

(3)在保温过程中，将雾化生产系统循环启动运转，保持循环空转，直至系统在微正压状况下氮气或惰性气体纯度能保持＞99.95％，然后在4.0～8.0mp的雾化压力、400℃以上的氮气或惰性气体温度下，通过雾化器使高压高温氮或惰性气体带着合金液超音速喷入雾化室内，依靠高压超音速的喷射氮气或惰性气体快速扩散时的急速冷却及雾化室内的常温(通常30～45摄氏度)氮气或惰性气体实现合金的快速冷却凝固，获得2219铝基合金粉末。

进一步地，2219合金锭可以市购，其产品组成通常如下：铁含量0.15～0.18wt％、硅含量0.02～0.15wt％、铜含量5.8～6.5wt％、锰含量0.20～0.32wt％、镁含量0.01～0.02wt％、锌含量0.08～0.10wt％、钒含量0.05～0.15wt％、zr含量0.10～0.25wt％、其它0.10～0.15wt％、余量为铝。

所述微正压例如是指稍大于大气压的压力，例如比大气压高200～400帕的压力。

进一步地，步骤(3)中的快速冷却凝固的冷却速率为10⁴～10⁵k/s。

进一步地，所述雾化系统使用的气体为氮气或惰性气体，所述惰性气体选自氩气、氦气，优选的所述气体为氮气。

进一步地，所述坩埚为抗腐蚀性碳化硅坩埚。

进一步地，雾化器为40cr材质，雾化气道为1.2-1.5mm深度，优选1.3mm深度，气道夹角34-37°，优选约35.8°。

进一步地，步骤(3)中在雾化系统中通入4～8mpa、400～500℃的氮气，将所述熔融液以300～400m/s的速度喷射入所述雾化系统，所述雾化系统的冷速为10⁴～10⁵k/s。

本发明进一步提供了通过上述方法制备的2219铝基合金粉末，其中位径d50小于15微米的细粉得率大于60％，d50为14-15微米，优选约14.29微米的合金粉末流动性测得为55.78s/50g，表面氧含量在800ppm以下。

本发明进一步提供了用于上述生产方法的本发明的雾化生产系统，其包括依次连接的熔炼炉、保温炉、雾化室、分级系统和通风机，另外包括氮气压缩系统、制氮系统，雾化室下部的雾化沉降室与分级系统相连通，

分级系统包括依次连接的冷却套管、离心分级机、旋风分级器、防静电布袋除尘器和气压平衡罐，

氮气压缩系统一端连接气压平衡罐，另一端连接高压储气罐，进一步连接氮气加热系统，然后进一步连通喷雾装置，气压平衡罐通过回风管连通离心分级机，气压平衡罐与氮气压缩系统、制氮系统相连通，且还与真空泵连接，所述气压平衡罐与所述雾化室之间的回风管上设置有列管换热器(冷却列管)。列管换热器、冷却套管通入循环冷却水进行冷却。

进一步地，雾化室包括雾化室主体、设置于雾化室主体上部的冷却风进口和循环冷却水出水口、设置于雾化室主体下部的循环水进口、设置于雾化室主体外周的水冷夹套、设置于雾化室底部的雾化室出口、设置于雾化室顶部进口的限制式雾化器、位于雾化室上部腔内的异流筒，雾化室通过限制式雾化器与保温炉出口连接。

进一步地，所述限制式雾化器包括位于中部的耐腐蚀材料喷嘴、位于喷嘴两侧的高压气流通道，其中，高压气流通道与喷嘴内的溶体通道之间的夹角为30-40度，优选34-37度，更优选35.8度。雾化气道为1.3mm深度。

本发明的优点

本发明方法可以克服2219铝基合金粉的氧含量高、流动性差以及在高温下力学性能下降的缺陷，本发明方法所获得的2219铝基合金粉末或压材，具有比强度高、低温和高温力学性能好、断裂韧度高、抗应力腐蚀性能好、以及高温下力学性能优良的优点，扩大了2219铝基合金的应用范围。

附图说明

图1是本发明的雾化生产系统的结构示意图。

图2是本发明的雾化生产系统的雾化室的结构示意图。

图3是本发明的雾化器的结构示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明的雾化生产系统包括依次连接的熔炼炉1、2、保温炉3、雾化室4、分级系统和通风机，另外包括氮气压缩系统、制氮系统，雾化室下部的雾化沉降室与分级系统相连通，

分级系统包括依次连接的冷却套管5、离心分级机6、旋风分级器7、防静电布袋除尘器8和气压平衡罐9，

氮气压缩系统(压缩机12)一端连接气压平衡罐9，另一端连接高压储气罐13，进一步连接氮气加热系统16，然后进一步连通喷雾装置(雾化室4)，气压平衡罐9通过回风管连通离心分级机6，气压平衡罐9与氮气压缩系统、制氮系统18(经由氮气储罐11)相连通，且还与真空泵10连接，所述气压平衡罐9与所述雾化室4之间的回风管17上设置有列管换热器14、15(冷却列管)。列管换热器14和15、冷却套管5通入循环冷却水进行冷却。

雾化室包括雾化室主体401、设置于雾化室主体上部的冷却风进口407和循环冷却水出水口403、设置于雾化室主体下部的循环水进口404、设置于雾化室主体外周的水冷夹套406、设置于雾化室底部的雾化室出口405、设置于雾化室顶部进口的限制式雾化器410、位于雾化室上部腔内的异流筒402，雾化室通过限制式雾化器410与保温炉3出口连接。保温炉包括加热线圈413和位于加热线圈内侧的中间包412，金属液411位于中间包412内。

所述限制式雾化器包括位于中部的耐腐蚀材料喷嘴409、位于喷嘴两侧的高压气流通道408，其中，高压气流通道408与喷嘴内的溶体通道之间的夹角a为30-40度，优选34-37度，更优选35.8度。雾化气道为1.3mm深度(图3中408的高度尺寸)。

实施例1

(1)将2219合金锭放入不被污染的坩埚(熔炼炉1、2)内，对坩埚内持续充入纯度99.95％以上的氮气，保证整个熔炼过程，合金都被高纯氮气保护；

(2)在980～1020℃温度下，充分搅拌合金溶液，并保温约2.5h；

(3)在保温过程中，将雾化生产系统循环启动运转，暂不拔出合金液保温包塞杆保持循环空转，直至系统在微正压状况下氮气纯度能保持＞99.95％，然后在6.0mp的雾化压力、450℃的氮气温度下，通过雾化器(410)使高压高温氮带着合金液以约350m/s的速度喷入雾化室内，使用的雾化器为40cr材质，雾化气道为1.3mm深度，气道夹角约35.8°，依靠高压超音速的喷射氮气快速扩散时的急速冷却及雾化室内的常温氮气实现合金的快速冷却凝固，冷速为0.5*10⁵k/s，获得2219铝基合金粉末，其中位径d50小于15微米的细粉得率大于60％，d50为约14.29微米的合金粉末流动性测得为55.78s/50g，表面氧含量800ppm以下。

2219合金锭为市购产品，组成为：铁含量0.15～0.18wt％、硅含量0.02～0.15wt％、铜含量5.8～6.5wt％、锰含量0.20～0.32wt％、镁含量0.01～0.02wt％、锌含量0.08～0.10wt％、钒含量0.05～0.15wt％、zr含量0.10～0.25wt％、其它0.10～0.15wt％、余量为铝。

实施例2

(1)将2219合金锭放入不被污染的坩埚(熔炼炉1、2)内，对坩埚内持续充入纯度99.95％以上的氮气，保证整个熔炼过程，合金都被高纯氮气保护；

(2)在980～1020℃温度下，充分搅拌合金溶液，并保温约2.5h；

(3)在保温过程中，将雾化生产系统循环启动运转，暂不拔出合金液保温包塞杆保持循环空转，直至系统在微正压状况下氮气纯度能保持＞99.95％，然后在7.0mp的雾化压力、480℃的氮气温度下，通过雾化器(410)使高压高温氮带着合金液以约350m/s的速度喷入雾化室内，使用的雾化器为40cr材质，雾化气道为1.3mm深度，气道夹角约35.8°，依靠高压超音速的喷射氮气快速扩散时的急速冷却及雾化室内的常温氮气实现合金的快速冷却凝固，冷速为0.5*10⁵k/s，获得2219铝基合金粉末，其中位径d50小于15微米的细粉得率大于60％，d50为约14.29微米的合金粉末流动性测得为55.78s/50g，表面氧含量800ppm以下。

2219合金锭为市购产品，组成为：铁含量0.15～0.18wt％、硅含量0.02～0.15wt％、铜含量5.8～6.5wt％、锰含量0.20～0.32wt％、镁含量0.01～0.02wt％、锌含量0.08～0.10wt％、钒含量0.05～0.15wt％、zr含量0.10～0.25wt％、其它0.10～0.15wt％、余量为铝。

对比例1

(1)将2219合金锭放入不被污染的坩埚(熔炼炉)内，对坩埚内持续充入纯度99.95％以上的氮气，保证整个熔炼过程，合金都被高纯氮气保护；

(2)在980～1020℃温度下，充分搅拌合金溶液，然后在6.0mp的雾化压力、450℃的氮气温度下，通过雾化器使高压高温氮带着合金液以约350m/s的速度喷入雾化室内，使用的雾化器为40cr材质，雾化气道为1.3mm深度，气道夹角约45°，依靠高压超音速的喷射氮气快速扩散时的急速冷却及雾化室内的常温氮气实现合金的快速冷却凝固，冷速为0.5*10⁵k/s，获得2219铝基合金粉末，其中位径d50小于15微米的细粉得率少于50％，d50为约14.29微米的合金粉末流动性测得为60.41s/50g，表面氧含量在1000ppm以上。

2219合金锭为市购产品，组成为：铁含量0.15～0.18wt％、硅含量0.02～0.15wt％、铜含量5.8～6.5wt％、锰含量0.20～0.32wt％、镁含量0.01～0.02wt％、锌含量0.08～0.10wt％、钒含量0.05～0.15wt％、zr含量0.10～0.25wt％、其它0.10～0.15wt％、余量为铝。