铝锂合金的喷射成形保护系统、喷射成形系统及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及冶金技术领域，更具体地，涉及一种适用于铝锂合金喷射成形熔炼装置的惰性气体保护系统、设有所述保护系统的喷射成形系统以及利用该喷射成形系统制备铝锂合金的方法。
【背景技术】
[0002]铝合金中每添加1%的Li可使合金密度降低3%而弹性模量提高6%，并可保证合金在淬火和人工时效后硬化效果良好，铝锂合金具有低密度、高弹性模量、高比强度、高比刚度、优良的耐低温性能和超塑成形性能等优点，被认为是新世纪航空航天领域最重要的结构材料。
[0003]传统的铸造法制备铝锂合金，由于锂非常活泼，在大气中极易氧化，使得铸造过程中锂的烧损量很大，锂的成分很难控制，氧化物不易排除，同时溶体容易吸氢，产生夹杂物和气孔，材料的性能，尤其是韧性减低严重。特别是，铸造过程中的偏析问题限制了锂在合金中的含量，最高只能达到2.7wt%，难以满足对轻型合金的要求，从而限制了合金密度的进一步降低。
[0004]粉末冶金法通过粉末制取-粉末成形-粉末烧结过程制备合金，是一种能制备复杂形状近净形产品的生产技术，也是生产Al-Li合金的重要方法，已开发出多种不同的生产工艺(如高温烧结、复压复烧、粉末锻造、热等静压、喷射成形、急冷快速凝固制粉等)。其中快速凝固技术使Al-Li合金中的Li含量增加，大幅度降低了合金的密度。耐高温快速凝固Al-Li合金中含有不溶性的过渡族元素和稀土元素，可生成稳定的弥散相，有助于合金强韧化。由于冷却速度较高(可达103°C /s)，大大提高了合金元素的固溶度，使微观组织均匀细小，减少了偏析，从而改善了合金塑性，提高了合金强度。但该工艺同样由于锂的高活泼性、在粉末制备、烧结等过程中存在困难，同时粉末冶金存在流程长、粉末易氧化、成本高等问题，特别是在制备超大型结构材料时，粉末冶金法受到很大限制。
[0005]喷射成形技术是日前新出现的一种制备高强度铝合金及其复合材料的理想方法，是继铸造冶金和粉末冶金技术之后发展起来的快速凝固材料制备新技术，能够获得具有快速凝固特征组织的基体合金，同时克服了铸造冶金和粉末冶金制坯的不足，材料组织均匀、无偏析，可实现净近成形。
[0006]但现有的喷射成形技术通常采用中频感应熔炼或电阻熔炼技术提供喷射所需熔体，针对铝锂合金熔炼过程中，难以避免由于锂元素的高活泼性而导致的烧损甚至锂与水气等反应气体接触而发生燃烧爆炸的危险，因此喷射成形制备铝锂合金材料一直受到制约。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是针对现有喷射成形设备使用过程中，中间合金活泼，在大气中极易氧化，使得铸造过程中，成分难以控制，氧化物不易清除的不足，提供一种适用于喷射成形熔炼装置的铝锂合金的喷射成形保护系统。
[0008]本发明要解决的另一技术问题是提供一种结构简单，组装方便，操作性好，生产出的复合材料产品质量优异的喷射成形系统，所述喷射成形系统设置有本发明提供的喷射成形保护系统。
[0009]本发明要解决的另一技术问题是提供一种工艺简单、操作方便、易实现高锂含量的铝锂合金制备方法。
[0010]本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现:
提供一种铝锂合金的喷射成形保护系统，所述铝锂合金使用喷射成型熔炼装置、雾化室和雾化喷枪制得，所述喷射成形熔炼装置包括中间合金熔炼炉和基体合金熔炼炉；所述中间合金熔炼炉中设置有中间合金熔炼炉坩祸，所述基体合金熔炼炉中设有基体合金熔炼炉坩祸；所述喷射成形保护系统包括在所述中间合金熔炼炉、基体合金熔炼炉和雾化室设置的密封结构，分别与所述中间合金熔炼炉和基体合金熔炼炉通过管路连通的真空栗及惰性气体储气罐，输送管道一和输送管道二；所述输送管道一连通中间合金熔炼炉和基体合金熔炼炉，所述输送管道二连通基体合金熔炼炉和雾化喷枪；所述输送管道一上安装有阀门，所述管路上均安装有气阀；将真空栗与中间合金熔炼炉连通的管路称为管路一，将惰性气体储气罐与中间合金熔炼炉连通的管路称为管路二，将真空栗与基体合金熔炼炉连通的管路成为管路三，将惰性气体储气罐与基体合金熔炼炉连通的管路称为管路四。
[0011]所述真空栗及惰性气体储气罐可以为一套，设置若干连接口分别与所述中间合金熔炼炉和基体合金熔炼炉连通；所述真空栗及惰性气体储气罐也可以为若干套，其中一套与所述中间合金熔炼炉连通，另一套与所述基体合金熔炼炉连通。
[0012]进一步地，所述输送管道一上的阀门为流量阀。
[0013]进一步地，所述中间合金熔炼炉的密封结构为密封中间合金熔炼炉坩祸的密封盖板；
所述基体合金熔炼炉的密封结构包括设置于基体合金熔炼炉坩祸外的密封筒和密封所述密封筒的密封盖；所述输送管道一的一端贯通所述密封盖板伸入中间合金熔炼炉坩祸内，另一端贯通密封筒的密封盖伸入基体合金熔炼炉坩祸内；
所述输送管道二的一端贯通密封筒的密封盖伸入基体合金熔炼炉坩祸内，另一端连通雾化喷枪；
所述贯通的接口处密封。
[0014]进一步地，所述输送管道一和/或输送管道二上分别包覆有加热装置。
[0015]本发明同时提供一种喷射成形系统，包括喷射成形熔炼装置、雾化室、雾化喷枪和喷射成形保护系统。具体地，所述喷射成形系统包括中间合金熔炼炉、基体合金熔炼炉、雾化喷枪和雾化室，中间合金熔炼炉通过输送管道一与基体合金熔炼炉连通，基体合金熔炼炉通过输送管道二与雾化喷枪连通；中间合金熔炼炉和基体合金熔炼炉上分别通过管路连通有真空栗和储气罐；所述管路上均设置有气阀；所述输送管道一上安装有阀门；所述储气罐中为惰性气体；所述雾化室密封。
[0016]本发明所述喷射成形系统使得铝锂合金在成形过程中，因系统内部全程受到惰性气体的保护，使得其中的锂很好的避免了与空气和水蒸气的接触，避免了被氧化，使得铸造过程中，锂元素的成分易于控制，保证了喷射成形获得的铝锂合金低密度，性能稳定，符合轻型合金的要求。中间合金熔炼炉、基体合金熔炼炉和雾化喷枪通过管道连通，向中间合金熔炼炉中通入惰性气体可将中间合金熔体压入基体合金熔炼炉中；打开基体合金熔炼炉上储气罐的气阀，系统中的其他阀关闭，通入储气罐中的惰性气体可将基体合金熔炼炉中的熔体压入雾化室。本发明利用惰性气体的性能保护金属元素(如锂)不被氧化，系统装置之间紧密相连，使整个系统中充满惰性气体，最大限度的避免了金属元素被氧化；现有技术中中间合金熔炼后，操作人员将中间合金熔体g出或直接倒入基体合金熔炼炉中，或将基体合金熔体g出或直接倒入雾化喷枪，这种做法，增加了操作人员的劳动强度，熔体的温度较高，容易造成操作人员严重的烫伤，且操作繁琐，工作效率低。本发明利用惰性气体将熔体压入下一装置中，结构简单，操作方便，效率高，实现了自动化的要求。
[0017]进一步地，所述密封筒和密封盖内分别设置有冷却结构，所述冷却结构设置于密封筒和密封盖接触处。基体合金在熔炼过程中会产生高温，使基体合金熔炼炉的密封盖和密封筒产生高温，特别是密封盖，当操作人员不小心触碰到密封盖时，会造成烫伤，因此设置冷却结构对密封盖和密封筒进行冷却。
[0018]进一步地，所述基体合金熔炼炉内设置有搅拌杆，搅拌杆通过电机带动，电机的轴上套有轴套，所述轴套内设置有冷却结构。
[0019]更进一步地，所述冷却结构为空腔，空腔中可通入冷却液，例如冷却用水。
[0020]进一步地，所述中间合金熔炼炉坩祸为铌坩祸。
[0021]进一步地，所述基体合金熔炼炉坩祸为陶瓷坩祸。
[0022]更进一步地，所述雾化室内设置有基体旋转轴，所述雾化室与基体旋转轴连接处以及雾化喷枪连接处采用密封圈密封。
[0023]更进一步地，所述喷射成形系统还包括惰性气体干燥装置，惰性气体干燥装置与所述管道二和所述管道四连通。设置惰性气体干燥装置，防止惰性气体中夹带的水分与锂或其他元素接触发生爆炸的危险，惰性气体干燥装置连接于储气罐与中间合金熔炼炉的连通管道之间，以及储气罐与基体合金熔炼炉的连通管道之间。
[0024]本发明还提供一种铝锂合金制备方法，使用以上所述的喷射成形系统制备铝锂合金，包括以下步骤:
S1.准备中间合金熔炼炉、基体合金熔炼炉、雾化喷枪、雾化室、真空栗和惰性气体储气罐，用输送管道一将中间合金熔炼炉和基体合金熔炼炉连通，用输送管道二将基体合金熔炼炉与雾化喷枪连通；将真空栗通过管路一与中间合金熔炼炉连通，通过管路三与基体炼金熔炼炉连通；将惰性气体储气罐通过管路二与中间合金熔炼炉连通，通过管路四与基体合金熔炼炉连通。
[0025]S2.将铝合金装入基体合金熔炼炉中，熔炼铝合金形成熔融的铝合金熔体；熔炼完后，将基体合金熔炼炉密封；
53.打开