1.本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种铝合金铸锭和铝合金铸锭的制备方法。
背景技术：
2.al-cu系铝合金合因其较好的工艺性能，易于焊接和良好的高温性能被广泛运用于航天航空领域。随着航天器载重能力需求增高，需要更大规格锻件满足产品需求。但是铸锭规格增大，铸锭的组织均匀性(成分、晶粒度)、成型和熔体纯净度控制难度更大，而组织不均匀将会降低铝合金的高温性能和延伸率。
3.进一步的，为了满足某航天飞行器的关键结构件，需要具备高承载能力、高温度性能和安全性以及可靠性等应用要求。对于al-cu系合金，铸锭直径一般不超过1000mm，但为了增加承载能力，需要铸锭直径达到1300mm以上，然而对于al-cu系高强变形铝合金来说，随着直径的增加和性能要求提高，铸锭晶粒度、偏析程度及成型难度呈几何倍数增加，对化学成分和熔体纯净度要求也大幅提升。截止目前，直径至1300mm以上铸锭工艺还未有成熟生产工艺。
技术实现要素：
4.本发明解决的技术问题在于提供一种铝合金铸锭的制备方法，本技术提供的制备方法可稳定控制铝合金的化学成分、晶粒度和氢含量。
5.有鉴于此，本技术提供了一种铝合金铸锭的制备方法，包括依次进行的以下步骤：配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化、铸造、均热和机械加工；
6.在所述熔体净化的过程中，采用氩气和氯气混合气体旋转除气方式，精炼的时间≥30min，在线除气转子速度为200～300rpm；
7.在所述熔体过滤的过程中，采用≥40+40ppi陶瓷过滤板过滤；
8.在所述晶粒细化的过程中，采用细化剂为al-5ti-1b，用量为3～10kg/t；
9.在所述铸造的过程中，所述铸造的速度为10～18mm/min，冷却水流量为20～50m3/h，流盘末端温度为690～720℃；
10.所述铝合金铸锭的成分为：si≤0.05wt％，fe≤0.05wt％，cu5.8～6.4wt％，mn0.2～0.4wt％，mg《0.02wt％，cr《0.05wt％，zn《0.10wt％，ti0.02～0.06wt％，zr0.10～0.15wt％，v0.06～0.12wt％，pb《0.002wt％，bi《0.002wt％，sn《0.002wt％，余量为al。
11.优选的，在所述熔炼的过程中，采用机械搅拌和电磁搅拌联合的处理方式。
12.优选的，在所述熔体净化的过程中，炉内净化后氢含量≤0.27ml/100gal，在线除气后氢含量≤0.10ml/100gal。
13.优选的，在所述晶粒细化的过程中，细化剂加入熔体后停留时间不超过25min，细化剂加入位置熔体温度为715～750℃。
14.优选的，在所述铸造的过程中，采用品位为al99.70的纯铝铺底，所述铺底铝熔体
的温度为730～780℃，所述铺底铝的厚度为50～80mm。
15.优选的，所述精炼的温度为740～760℃，时间为30～40min。
16.优选的，所述铸造的速度为11～17mm/min，冷却水流量为25～50m3/h，流盘末端温度为690～710℃。
17.优选的，所述铝合金铸锭的规格为ф1300～ф1400mm。
18.本技术还提供了一种铝合金铸锭，包括：si≤0.05wt％，fe≤0.05wt％，cu5.8～6.4wt％，mn0.2～0.4wt％，mg《0.02wt％，cr《0.05wt％，zn《0.10wt％，ti0.02～0.06wt％，zr0.10～0.15wt％，v0.06～0.12wt％，pb《0.002wt％，bi《0.002wt％，sn《0.002wt％，余量为al。
19.本技术提供了一种铝合金铸锭的制备方法，其包括依次进行的以下步骤：配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化、铸造、均热和机械加工；本技术通过对熔体净化、熔体过滤、晶粒细化、铸造和合金的成分进行控制，使得铝合金铸锭的化学成分、晶粒度和氢含量可得到有效控制。
具体实施方式
20.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
21.鉴于现有技术中直径1300mm以上铝合金铸锭性能的需求，本技术提供了一种大粒径铝合金铸锭的制备方法，本技术通过对合金成分以及制备工艺中相关工艺的调整，稳定控制了铝合金的化学成分、晶粒度，且使氢含量≤0.10ml/100gal，使其满足了新型航天飞行器的质量要求。具体的，本发明实施例公开了一种铝合金铸锭的制备方法，包括依次进行的以下步骤：配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化、铸造、均热和机械加工；
22.在所述熔体净化的过程中，采用氩气和氯气混合气体旋转除气方式，精炼的时间≥30min，在线除气转子速度为200～300rpm；
23.在所述熔体过滤的过程中，采用≥40+40ppi陶瓷过滤板过滤；
24.在所述晶粒细化的过程中，采用细化剂为al-5ti-1b，用量为3～10kg/t；
25.在所述铸造的过程中，所述铸造的速度为10～18mm/min，冷却水流量为20～50m3/h，流盘末端温度为690～720℃；
26.所述铝合金铸锭的成分为：si≤0.05wt％，fe≤0.05wt％，cu5.8～6.4wt％，mn0.2～0.4wt％，mg《0.02wt％，cr《0.05wt％，zn《0.10wt％，ti0.02～0.06wt％，zr0.10～0.15wt％，v0.06～0.12wt％，pb《0.002wt％，bi《0.002wt％，sn《0.002wt％，余量为al。
27.在制备铝合金铸锭的过程中，包括依次进行的配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化、铸造、均热和机械加工的制备步骤。
28.在上述制备步骤中，首先需要配料，为了满足铝合金铸锭较高的高低温力学性能、断裂韧性和焊接性能，本技术优选采用高纯度的铝锭和均匀性较好的其他原材料，确保si、fe元素及pb、bi、sn等其他杂质元素控制在较低水平；原材料采用al99.99及以上品位铝锭，mn元素采用添加剂形式加入，其他采用中间合金方式加入，且不使用任何废料。
29.按照本发明，在配料之后则进行熔炼，由于密度较大的合金元素(如cu)容易沉底，
合金元素的加入也不可能绝对均匀，这就造成熔体上下层之间，炉内各区域之间合金元素的分布不均匀；如果搅拌不彻底(没有足够长的时间和消灭死角)，容易造成熔体化学成分不均匀。为了让成分更加均匀，炉内熔体采用机械搅拌和电磁搅拌联合处理方式。
30.本技术在熔炼之后进行熔体净化，其是利用物理化学原理和相应的工艺措施，去除铝合金熔体中的气体、夹杂物和有害元素的过程，包括炉内净化、在线除气以及过滤等过程。对于炉内净化，即向熔体中通入气体以去除有害气体和杂质，本发明优选采用氩气和氯气混合气体旋转除气方式；氩气不与熔体反应，氯气是活性气体，氯气精炼虽效果好但又对环境及设备有害，所以合理配比氩氯混合气体，既提高精炼效果，又减少其有害作用；精炼温度为740～760℃，精炼的时间≥30min，更具体，精炼时间30～40min；可确保炉内净化后氢含量≤0.27ml/100gal。对于在线除气，气体通过高速旋转喷嘴形成分散细小的气泡，同时搅动熔体使气泡均匀地分散到整个熔体中去，从而产生除气、除渣的熔体净化效果；本发明采用2台除气设备串联方式，介质为氩氯混合气体；所述在线除气转子速度为200～300rpm，氩气流量为3～5nm3/h，可确保炉内净化后氢含量≤0.10ml/100gal。对于在线过滤，其是去除铝熔体中非金属夹杂物最有效和最可靠的手段；本发明采用40+40ppi及以上泡沫陶瓷过滤板方式过滤，将夹杂物降至最低水平。
31.按照本发明则进行晶粒细化工艺，本发明选用al-5ti-1b丝作为细化剂，用量为3～10kg/t，更具体为4.5～6kg/t，细化剂加入熔体后停留时间不超过25min，细化剂加入位置熔体温度控制在715～750℃。
32.本技术之后进入铸造工艺，为了保证铸锭成型，铸造时采用纯铝铺底，铺底用铝锭品位为al99.70，铺底铝熔体温度730～780℃，铺底铝厚度50～80mm；在具体实施例中，铺底铝熔体温度730～760℃，铺底铝厚度60～70mm。凡是能促进形核、抑制晶粒长大的处理，都能细化晶粒；为了获得细小晶粒组织，本发明铸造过程中主要采用增加过冷度的方法，即降低铸造速度、提高液态金属的冷却速度、降低浇注温度；浇注温度过低容易出现夹杂、光晶等缺陷；铸造速度过低则造成铸锭致密性变差，易出现疏松、氧化膜、冷隔等缺陷；提高冷却速度还可细化一次晶化合物尺寸，减小区域偏析的程度。本发明选用流盘末端温度690～710℃，铸造速度11～17mm/min，冷却水流量为25～50m3/h。
33.本技术提供的铝合金铸锭的制备方法适用于ф1300～1400mm的铝合金，特别适用于ф1350mm的铝合金。
34.本技术提供了一种铝合金铸锭，包括：si≤0.05wt％，fe≤0.05wt％，cu5.8～6.4wt％，mn0.2～0.4wt％，mg《0.02wt％，cr《0.05wt％，zn《0.10wt％，ti0.02～0.06wt％，zr0.10～0.15wt％，v0.06～0.12wt％，pb《0.002wt％，bi《0.002wt％，sn《0.002wt％，余量为al。
35.在上述铝合金铸锭的成分中，si、fe为杂质元素，降低其含量可减少铸锭中难溶第二相，提高铸锭的均匀性和塑性；pb，bi，sn为杂质元素，均为低熔点合金元素，影响产品焊接性能，需要严格控制其含量，具体的，所述pb的含量为《0.0015wt％，所述bi的含量为《0.0015wt％，所述sn的含量为《0.0015wt％；cu元素以cual2相方式存在，主要其强化作用，但是随着cu元素含量增加，强度增加但延伸率下降，并且cu过高还会造成耐蚀性变差，具体的，所述cu的含量为5.9～6.3wt％；zr是铝合金常用添加元素，zr和al形成zral3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒；但有zr存在时，tial3、tib2中的部分ti被zr所取代，形成
了铝化物(tix，zrx)al3，硼化物(tix，zrx)b2，改变了点阵常数，形核作用消失，还使tib2中毒失去细化作用，降低钛和硼细化晶粒的效果，造成晶粒粗大，具体的，所述zr的含量为0.10～0.13wt％；v在铝合金中形成难熔化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用，同时v也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用，但val3与tial3，tib2粒子相互之间聚集长大，使tib2中毒失去细化作用，引起细化衰退，具体的，所述v的含量为0.08～0.12wt％。所述mn的含量为0.25～0.35wt％，所述ti的含量为0.03～0.06wt％。
36.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝合金铸锭及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
37.实施例1
38.按照下述方法制备铝合金：依次进行配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化和铸造、均热、锯切、检测；
39.铸锭规格：ф1350mm；
40.配料过程：按照合金成分及技术要求进行配料，采用al99.99铝锭、mn剂、中间合金配料；
41.熔炼过程：将合金原料熔化完后取样分析；炉内熔化温度为720～760℃，采用电磁搅拌和机械搅拌对熔体处理，机械搅拌3次，每次搅拌5min，电磁搅拌4次，每次搅拌时间30min；
42.成分调整：根据炉前化学成分实际分析结果与预获得的目标值进行比较，如果元素含量低于目标值，则添加一定含有元素的中间合金直至达到目标值，如果元素含量超过目标值，则向炉内添加铝锭，将超标元素降至目标值；
43.熔体净化：炉内采用ar+cl2混合气体精炼30min；精炼后熔体的液态氢含量为0.25ml/100gal；
44.在线净化：在线采用ar+cl2混合气体精炼，采用2台除气设备串联方式，介质为氩氯混合气体除气，铸造前15min对熔体进行预处理；在线净化后熔体的液态氢含量为0.087ml/100gal；
45.在线过滤：过滤采用50+50ppi泡沫陶瓷过滤板过滤；
46.在线细化：在线晶粒细化加入al-5ti-1b丝，用量为5kg/t；
47.铸造参数：流盘末端铝液温度702℃；铸造速度12mm/min；冷却水流量为30m3/h；冷却水温度26℃；
48.锯切过程：切浇口部400mm，切底部500mm。
49.检测过程：
50.铸锭低倍结果：晶粒度3.5级，疏松1级；检测方法为gb/t3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》；
51.化学成分：si0.03％，fe0.04％，cu6.12％，mn0.28％，mg0.01％，cr0.01％，zn0.01％，ti0.05％，zr0.13％，v0.10％，pb0.0008％，bi0.0005％，sn0.0007％；检测方法为gb/t 20975《铝合金分析方法》和gb/t《17432铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》；
52.液态氢含量：0.087ml/100gal；检测方法为《ys/t600铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》。
53.实施例2
54.按照下述方法制备铝合金：依次进行配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化和铸造、均热、锯切、检测；
55.铸锭规格：ф1350mm；
56.配料过程：按照合金成分及技术要求进行配料，采用al99.99铝锭、mn剂、中间合金配料；
57.熔炼过程：将合金原料熔化完后取样分析；炉内熔化温度为720～760℃，采用电磁搅拌和机械搅拌对熔体处理，机械搅拌3次，每次搅拌5min，电磁搅拌4次，每次搅拌时间30min；
58.成分调整：根据炉前化学成分实际分析结果与预获得的目标值进行比较，如果元素含量低于目标值，则添加一定含有元素的中间合金直至达到目标值，如果元素含量超过目标值，则向炉内添加铝锭，将超标元素降至目标值；
59.熔体净化：炉内采用ar+cl2混合气体精炼40min；精炼后熔体的液态氢含量为0.23ml/100gal；
60.在线净化：在线采用ar+cl2混合气体精炼，采用2台除气设备串联方式，介质为氩氯混合气体除气，铸造前15min对熔体进行预处理；在线净化后熔体的液态氢含量为0.081ml/100gal；
61.在线过滤：过滤采用50+50ppi泡沫陶瓷过滤板过滤；
62.在线细化：在线晶粒细化加入al-5ti-1b丝，用量为5kg/t；
63.铸造参数：流盘末端铝液温度700℃；铸造速度13mm/min；冷却水流量为35m3/h；冷却水温度27℃；
64.锯切过程：切浇口部400mm，切底部500mm。
65.检测过程：
66.铸锭低倍结果：晶粒度3级，疏松1级；检测方法为gb/t3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》；
67.化学成分：si0.03％，fe0.04％，cu6.05％，mn0.26％，mg0.01％，cr0.01％，zn0.01％，ti0.05％，zr0.12％，v0.08％，pb0.0010％，bi0.0006％，sn0.0008％；检测方法为gb/t 20975《铝合金分析方法》和gb/t《17432铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》；
68.液态氢含量：0.081ml/100gal；检测方法为《ys/t600铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》。
69.实施例3
70.按照下述方法制备铝合金：依次进行配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化和铸造、均热、锯切、检测；
71.铸锭规格：ф1350mm；
72.配料过程：按照合金成分及技术要求进行配料，采用al99.99铝锭、mn剂、中间合金配料；
73.熔炼过程：将合金原料熔化完后取样分析；炉内熔化温度为720～760℃，采用电磁搅拌和机械搅拌对熔体处理，机械搅拌3次，每次搅拌5min，电磁搅拌4次，每次搅拌时间30min；
74.成分调整：根据炉前化学成分实际分析结果与预获得的目标值进行比较，如果元
素含量低于目标值，则添加一定含有元素的中间合金直至达到目标值，如果元素含量超过目标值，则向炉内添加铝锭，将超标元素降至目标值；
75.熔体净化：炉内采用ar+cl2混合气体精炼40min；精炼后熔体的液态氢含量为0.24ml/100gal；
76.在线净化：在线采用ar+cl2混合气体精炼，采用2台除气设备串联方式，介质为氩氯混合气体除气，铸造前15min对熔体进行预处理；在线净化后熔体的液态氢含量为0.083ml/100gal；
77.在线过滤：过滤采用50+50ppi泡沫陶瓷过滤板过滤；
78.在线细化：在线晶粒细化加入al-5ti-1b丝，用量为5kg/t；
79.铸造参数：流盘末端铝液温度703℃；铸造速度13mm/min；冷却水流量为35m3/h；冷却水温度25℃；
80.锯切过程：切浇口部400mm，切底部500mm。
81.检测过程：
82.铸锭低倍结果：晶粒度3级，疏松1级；检测方法为gb/t3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》；
83.化学成分：si0.02％，fe0.04％，cu6.01％，mn0.25％，mg0.01％，cr0.01％，zn0.01％，ti0.05％，zr0.12％，v0.09％，pb0.0010％，bi0.0010％，sn0.0010％；检测方法为gb/t 20975《铝合金分析方法》和gb/t《17432铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》；
84.液态氢含量：0.083ml/100gal；检测方法为《ys/t600铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》。
85.对比实例1
86.按照下述方法制备铝合金：依次进行配料、熔炼、成分调整、熔体净化、熔体过滤、晶粒细化和铸造、均热、锯切、检测；
87.铸锭规格：ф1350mm；
88.配料过程：按照合金成分及技术要求进行配料，采用al99.99铝锭、mn剂、中间合金配料；
89.熔炼过程：将合金原料熔化完后取样分析；炉内熔化温度为720～760℃，采用电磁搅拌和机械搅拌对熔体处理，机械搅拌3次，每次搅拌5min，电磁搅拌4次，每次搅拌时间30min；
90.成分调整：根据炉前化学成分实际分析结果与预获得的目标值进行比较，如果元素含量低于目标值，则添加一定含有元素的中间合金直至达到目标值，如果元素含量超过目标值，则向炉内添加铝锭，将超标元素降至目标值；
91.熔体净化：炉内采用ar+cl2混合气体精炼30min；精炼后熔体的液态氢含量为0.26ml/100gal；
92.在线净化：在线采用ar+cl2混合气体精炼，采用单级除气，铸造前15min对熔体进行预处理；在线净化后熔体的液态氢含量为0.105ml/100gal；
93.在线过滤：过滤采用50+50ppi泡沫陶瓷过滤板过滤；
94.在线细化：在线晶粒细化加入al-5ti-1b丝，用量为3.5kg/t；
95.铸造参数：流盘末端铝液温度700℃；铸造速度13mm/min；冷却水流量为35m3/h；冷
却水温度28℃；
96.锯切过程：切浇口部400mm，切底部500mm。
97.检测过程：
98.铸锭低倍结果：晶粒度4.5级，晶粒偏大，疏松1级；检测方法为gb/t3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》；
99.化学成分：si0.03％，fe0.05％，cu6.14％，mn0.28％，mg0.01％，cr0.01％，zn0.01％，ti0.05％，zr0.13％，v0.11％，pb0.0009％，bi0.0005％，sn0.0006％；检测方法为gb/t 20975《铝合金分析方法》和gb/t《17432铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》；
100.液态氢含量：0.105ml/100gal，氢含量偏高；检测方法为《ys/t600铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》。
101.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
102.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。