一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法与流程

本发明涉及金属铸造技术领域，特别涉及一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7xxx系铝合金圆锭的方法。

背景技术：

航空用高强、高韧铝合金主要指强度在500mpa以上的al-zn-mg-cu系铝合金，即7xxx系列合金，如7050、7055、7075、7085合金等，这一系列的铝合金不仅具有较高的强度和韧性，而且具有优越的服役性能指标(耐腐蚀性、抗疲劳性、耐磨性等)，同时具有良好的热加工性与焊接成形性，主要用于制造飞机结构件，如飞机机身、机翼梁、机舱壁板等主承力结构件。大规格铸锭是飞机结构件制造的原材料保证，铸锭品质在很大程度上决定了飞机结构件各加工工序的基础及最终产品的质量，高品质铸锭的制造技术是需首要解决的一项关键技术。目前我国用于大飞机、先进战机的大型整体构件试制的大规格(直径超过500mm)的7xxx系超高强铝合金铸锭的生产技术与质量还存在较大问题，致使占飞机结构件重量近50％的7xxx系铝合金材料构件无法实现国产化。大规格铸锭的制造品质已成为飞机结构件材料国产化的一个重要瓶颈问题。当今铝合金加工行业生产大规格圆锭的普遍采用的是立式直接水冷半连续铸造(verticaldirechillcasting)，也称为dc铸造，如图1所示，该方法的原理是将前期经过精炼净化处理后的铝液(即铝合金熔体)通过浇铸系统注入一个半封闭的铸模(即结晶器)中，在一次水冷作用下铸锭表层凝固时，启动引锭装置，将铸锭从结晶器下端随引锭器匀速拉出，在二次水冷作用下凝固成形直至铸造结束。

这种铸造方法具有节省材料与能源，提高金属收得率，使铝合金铸锭生产更加连续化和紧凑化、缩短生产周期、提高生产效率等优点。但这种铸造工艺也存在局限性，尤其是在制造大规格圆锭时，由于在铸造过程中温度场与流场不易控制，尤其是对高强高合金化的7xxx系铝合金(al-zn-mg-cu)，铸锭极易产生内应力和裂纹，凝固组织与成分分配不均匀，合金元素的固溶程度偏低、晶粒/晶界粗大、偏析瘤等缺陷，对材料性能与铸锭的后续加工带来不利影响。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7xxx系铝合金圆锭的方法，本发明提供的方法在现有7xxx系铝合金圆锭dc铸造技术中，创新性地引入多源超声辅助半连续铸造，并针对不同结构的结晶器进行超声振动系统的布控，实现高品质大规格7xxx系铝合金圆锭的制备。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7xxx系铝合金圆锭的方法，包括以下步骤：

在立式直接水冷半连续铸造过程中，7xxx系铝合金熔体自导流槽流入结晶器中；所述导流槽内施加1套超声振动系统；

熔体在结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在结晶器内施加超声振动系统，在铸造结束前将超声振动系统移除，继续引锭至铸造完成，得到大规格7xxx系铝合金圆锭；

其中，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器中心施加1套超声振动系统；

当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器入口中心线上、结晶器中心两侧对称各布置一套超声振动系统，且超声振动系统和结晶器中心的距离相等；

所述大规格7xxx系铝合金圆锭的直径≥500mm。

优选的，所述导流槽内超声振动系统的位置和结晶器入口的距离≤1000mm。

优选的，所述导流槽内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为10～30mm，超声功率为500～1000w，频率为15～30khz。

优选的，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为30～150mm，超声功率为1500～2500w，频率为15～30khz。

优选的，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的功率和频率在铸造长度为500mm以内时调节完毕并实现稳定；剩余铸造长度为200mm时，将结晶器内超声振动系统移除。

优选的，当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统距离结晶器中心的距离为r/2～r/3，r为大规格7xxx系铝合金圆锭的直径。

优选的，当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为250～350mm，超声功率为1000～1500w，频率为15～30khz。

优选的，当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的功率和频率在铸造长度为400mm以内时调节完毕并实现稳定；剩余铸造长度为100mm时，将结晶器内超声振动系统移除。

优选的，所述超声振动系统施加前，还包括对所述超声振动系统的辐射杆进行表面清理、预热和空载调试。

优选的，所述预热的温度≥350℃；所述空载调试时辐射杆的输出振幅不小于15μm。

本发明提供了一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7xxx系铝合金圆锭的方法。本发明在大规格7xxx系铝合金圆锭的立式直冷半连铸过程中，创新性地引入多源超声辅助半连续铸造，并针对不同结构的结晶器进行超声振动系统的布控，使超声能场最大程度的和结晶器结构以及铸造工艺相匹配，通过多源超声场的协同强化处理，促进合金元素固溶、降低熔体氢含量、细化铸锭组织与改善偏析；并且本发明属于外加物理能场技术，不需要对已有生产工艺与设备进行变动，具有绿色环保、操作便捷、投入成本低、生产效率高等优点。

附图说明

图1为立式直接水冷半连续铸造的原理示意图；

图2为普通结晶器和热顶结晶器的结构简图；

图3为在结晶器内施加超声振动系统后的示意图；

图4为结晶器为热顶结晶器和普通结晶器时，结晶器内超声振动系统的布置示意图；其中图4(a)为热顶结晶器内超声振动系统的布置示意图，图4(b)为普通结晶器内超声振动系统的布置示意图；

图5为本发明实施例1和对比例1所得铸锭的微观组织对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7xxx系铝合金扁圆锭的方法，包括以下步骤：

在立式直接水冷半连续铸造过程中，7xxx系铝合金熔体自导流槽流入结晶器中；所述导流槽内施加1套超声振动系统；

熔体在结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在结晶器内施加超声振动系统，在铸造结束前将超声振动系统移除，继续引锭至铸造完成，得到大规格7xxx系铝合金圆锭。

在本发明中，所述大规格7xxx系铝合金圆锭的直径≥500mm，具体可以为500～1380mm。

本发明对所述7xxx系铝合金的熔体的制备方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的方法进行制备即可。在本发明的具体实施例中，所述7xxx系铝合金的熔体的制备过程优选包括配料、熔炼、成分调整和净化处理。本发明对所述配料过程没有特殊要求，按照合金牌号名义成分规定范围的进行配制即可；所述熔炼在熔炼炉内进行，按照本领域技术人员熟知的条件进行熔炼即可，在本发明的具体实施例中，优选先将铝锭在700～720℃下熔化，然后逐一添加中间合金，每种中间合金加入后熔炼10～20min；此外，熔炼过程中优选加入晶粒细化剂，晶粒细化剂加入后半小时内必须开炉，熔炼过程中进行搅拌除渣；本发明对所述成分调整没有特殊要求，能够使铝合金熔体成分符合目标合金的含量要求即可；本发明优选使用sniff在线除气系统对铝合金熔体进行除气净化，同时利用板式过滤系统对铝合金熔体进行过滤提纯，以减少大颗粒杂质的带入，本发明优选设置两级过滤系统。

本发明使用的是立式直接水冷半连续铸造法，在铸造过程中施加超声进行辅助，本发明对所述立式直接水冷半连续铸造所使用的装置没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的装置即可。在本发明的具体实施例中，所述立式直冷半连铸装置包括半连续铸造机和结晶器，半连续铸造机的引锭装置(引锭板)设置在结晶器底部，铝合金熔体经导流槽自结晶器边缘的入口流入，然后在结晶器内进行凝固并在引锭装置在作用下从结晶器底部拉出。

在本发明中，所述超声振动系统优选由超声换能器、变幅杆及辐射杆组成，其中换能器与超声波电源连接产生超声振动，变幅杆放大振幅，辐射杆则与作用对象直接接触发射超声波；所述辐射杆的长度优选为370mm。

在立式直接水冷半连续铸造过程中，7xxx系铝合金熔体自导流槽流入结晶器中。在本发明中，所述导流槽内施加1套超声振动系统(图4中1#超声波源所示位置)。在本发明中，所述导流槽内超声振动系统的位置和结晶器入口的距离优选≤1000mm，更优选为800～900mm；所述导流槽内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度优选为10～30mm，更优选为12～18mm，超声功率优选为500～1000w，更优选为600～800w，频率优选为15～30khz，更优选为20～25khz；本发明优选在熔体在导流槽内流动稳定后再施加超声振动系统；本发明在熔体流动稳定后施加超声振动系统，可以避免不破坏铝液表面氧化膜，避免卷入夹杂物到熔体中。本发明在导流槽内施加超声振动系统用于熔体除气，加强熔体的净化效果。

在本发明中，所述结晶器为普通结晶器或热顶结晶器；所述普通结晶器为低液位结晶器，热顶结晶器为高液位结晶器，热顶结晶器具体是在普通结晶器的上方增加了热顶保温帽，使得结晶器中可以填充更多的金属熔体并起到保温和缓冲作用，所述普通结晶器和热顶结晶器的结构简图2所示。

本发明针对普通结晶器和热顶结晶器的结构对结晶器内的超声振动系统分别进行布控，在结晶器内施加超声振动系统的示意图如图3所示；结晶器为热顶结晶器和普通结晶器时，结晶器内超声振动系统的布控方式分别如图4中(a)和(b)所示；具体方法如下：

当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器入口中心线上、结晶器中心两侧对称各布置一套超声振动系统，且超声振动系统和结晶器中心的距离相等(如图4(a)中2#超声波源和3#超声波源所示位置，图4(a)中l表示超声振动系统和结晶器中心的距离)；所述结晶器内超声振动系统距离结晶器中心的距离优选为r/2～r/3，r为大规格7xxx系铝合金圆锭的直径；所述结晶器内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度优选为250～350mm，更优选为280～320mm，超声功率优选为1000～1500w，更优选为1200～1300w，频率优选为15～30khz，更优选为18～22khz。本发明优选在引锭开始后，铸造长度为200mm，且结晶器内液面稳定，铸造参数稳定无波动时，在结晶器内施加超声振动系统，并且结晶器内超声振动系统的功率和频率在铸造长度为400mm以内时调节完毕并实现稳定；本发明优选在剩余铸造长度为100mm时，将结晶器内超声振动系统移除。

当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器中心施加1套超声振动系统(如图4(b)中2#超声波源所示位置)；所述结晶器内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度优选为30～150mm，更优选为50～120mm，超声功率优选为1500～2500w，更优选为1800～2200w，频率优选为15～30khz，更优选为18～22khz。本发明优选在引锭开始后，铸造长度为250mm，且结晶器内液面稳定、铸造参数稳定无波动时，在结晶器内施加超声振动系统，并且结晶器内超声振动系统的功率和频率在铸造长度为500mm以内时调节完毕并实现稳定；本发明优选在剩余铸造长度为200mm时，将结晶器内超声振动系统移除。

在上述方案中，超声振动系统的施加方式优选为将辐射杆自上而下垂直导入熔体中，辐射杆浸入熔体时需要保证结晶器内熔体液面平稳，并且在整个铸造过程中需保证超声波参数的稳定性，作业过程中不得干扰超声振动系统，避免超声波参数的扰动及熔体的波动，在移除超声振动系统时，应保证平稳缓慢。

在本发明中，普通结晶器的液位较低，液穴较浅，铸造速度与冷却速度较快，铝合金的晶粒度和结晶相较小，本发明结合普通结晶器的特点以及7xxx系铝合金的成分，在结晶器中心引入1套超声振动系统对结晶器中铝熔体施加超声处理，可以很好地实现提升7xxx系铝合金铸锭质量的目标。热顶结晶器液位高，液穴较深，铸造速度与冷却速度较慢，铝合金的晶粒度和结晶相都相对较大，此时，单位时间超声场处理的合金金属量较大，本发明结合热顶结晶器的特点以及7xxx系铝合金的成分，在结晶器内同时施加2套超声振动系统处理熔体，能有效提升7xxx系铝合金铸锭的质量。本发明针对不同结构的结晶器，采用不同的超声布控方法，并结合结晶器结构以及7xxx系铝合金的特点设定超声振动系统的参数，使超声外场和铸造工艺相匹配，通过多源超声场的协同强化处理，能够有效提升7xxx系大规格圆锭的成形成性制造质量，尤其是促进合金元素的固溶与细化凝固组织，突破现有技术的瓶颈-高合金化7xxx系大规格圆锭成形困难与成性不佳问题。

在本发明中，所述超声振动系统施加前，还优选包括对所述超声振动系统的辐射杆进行表面清理、预热和空载调试。在本发明中，所述表面清理优选为使用机械打磨或车削的方法彻底去除粘附在辐射杆表面的异物杂质，防止这些异物杂质在辐射杆工作时剥落卷入到铝合金熔体中，造成合金污染；所述预热的温度优选≥350℃，更优选为350～400℃；本发明通过预热防止冷辐射杆浸入到铝合金熔体时产生瞬时铝液粘附团聚在辐射杆表面的现象，影响超声振动系统的正常工作；所述空载调试时辐射杆的输出振幅优选不小于15μm。

本发明对所述结晶器内熔体的铸造温度、铸造速度、喷淋水压以及冷却水流量等均无特殊要求，根据具体情况进行设置即可。

下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

铸造7050铝合金，规格为：长4400mm，宽1320mm，厚500mm；合金的成分百分比见表1：

表1实验用7050铝合金成分百分比

实验材料为7050铝合金，按表1合金成分百分比进行熔炼配置。实验设备主要有：2吨熔化加热炉、半连续铸造机、直径为550mm的结晶器，超声波电源系统、超声波振动系统、温控装置等。

使用的结晶器为普通结晶器，在结晶器中心布置一组超声振动系统，在流槽中布置一组超声振动系统。

铸造过程如下：

1)设备调试

将结晶器吊装到位，调试设备是否各部分运转良好，熔化炉加热，检查电控系统、温控系统是否正常，将流槽及结晶器内的温度检测器安装好，并检查是否正常，安装调试超声波电源系统，并对辐射杆进行表面清理与预热处理。

2)配合金

按照1000kg计算(考虑挥发的影响)，先将铝熔化至700～720℃，然后逐一添加中间合金，注意每种中间合金加入后需熔炼10～20分钟，确保其完全熔化后，再添加另一种合金。晶粒细化剂加入后半小时内必须开炉，中间必须搅拌除渣若干次。

3)开机铸造

将铸造机就位，引锭头顶部垫放浸油麻绳，结晶器内壁涂蓖麻油。预热铝合金熔体导流槽，预热超声辐射杆，待导流槽温度基本稳定后，打开熔炼炉口，释放铝合金熔体，进行浇注，熔体在导流槽内流动稳定后，在导流槽内设置一套超声振动系统(提前清理并预热至300℃)，辐射杆浸入熔体的深度为20mm，超声电源频率为20khz，超声功率为500w，超声振动系统的布置位置和结晶器口的距离为800mm。浇注炉温为780℃，启动半连续铸造机，打开结晶器冷却水，测量并记录结晶器内的温度变化，当结晶器内铝合金熔体达到150mm左右高度时，启动引锭装置，同时打开二冷水喷淋系统，引锭速度设置为30mm/min，铸造长度设置为2600mm。

4)施加超声

当铸造长度为250mm时，将预热过的超声辐射杆浸入结晶器中心，浸入铝液深度为30mm，启动超声波电源系统，向铝合金熔体施加频率为20khz，功率为1500w的超声波；超声波功率、频率参数必须在铸造长度500mm以内调节完毕并实现稳定，整个铸造过程中严禁任何人碰触超声振动系统，铸造过程全程施加超声。

5)停止施振

当铸造长度达到2400mm时，关闭超声波电源，移走超声波振动系统，同时继续铸造至铸锭长度为2600mm时，关闭出流口、关闭二冷区冷却水，关闭引锭装置，待结晶器基本冷却后(铸造结束30分钟后)，关结晶器冷却水。最后，再次开动引锭装置，将铸锭移出结晶器，所得铸锭记为超声铸锭。

对比例1

其他条件和实施例1相同，仅不施加超声振动系统，所得铝合金铸锭记为普通铸锭。

对实施例1和对比例1所得铸锭进行微观组织检测，所得结果如图5所示；图5为φ550mm规格7050铝合金铸锭在普通铸造和超声铸造下的微观组织对比图，根据图5可以发现普通铸锭截面的整个半圆面上，微观组织的晶粒形态都表现为粗大的树枝状晶，而超声制备铸锭截面整个半圆面上，晶粒形态为等轴晶(非枝状晶)，且分布较为均匀。

实施例2

其他条件和实施例1相同，仅将结晶器替换为热顶结晶器，且当铸造长度为200mm时，在结晶器内部距中心点l处各布置1套超声波振动系统，l为120mm，辐射杆浸入熔体的深度为300mm，启动超声波电源系统，向铝合金熔体施加频率为20khz，功率为1500w的超声波，当铸造长度达到2500mm时，关闭超声波电源，移走超声波振动系统。

实施例3

其他条件和实施例2相同，仅将l的取值改为100mm。

对实施例2～3所得铸锭的微观组织进行检测，结果显示铸锭截面整个半圆面上，晶粒形态为等轴晶(非枝状晶)，且分布较为均匀。

由以上实施例可以看出，本发明在立式直冷半连铸制备大规格7xxx系铝合金圆锭的过程中，根据不同结晶器的结构进行超声源布控，有效提升7xxx系大规格圆锭的制造质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。