5A90鋁鋰合金真空熔煉技術(shù)研究

盧健，陸政，楊天，賀靜怡

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京，100028）

1 前言

鋰是自然界最輕的金屬，密度僅為0.534g/cm3。在鋁合金中加入鋰元素，可以明顯降低合金密度，同時可以大幅提升鋁合金的彈性模量。研究表明，在鋁合金中每添加1%的鋰，可降低合金密度3%，提升彈性模量6%[1]。鋁鋰合金這種輕質(zhì)高模量的特點特別適用于航空航天領(lǐng)域，應(yīng)用的主要目標是滿足先進飛行器機體結(jié)構(gòu)對于減重的需求以及保型高剛度零部件制造的需求。

從鋁鋰合金的誕生到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了三代，第一代鋁鋰合金典型的有美國的2020蘇聯(lián)的ВАд23，研發(fā)的主要思想是航空減重，但由于這一代鋁鋰合金塑性韌性水平低，未能得到廣泛應(yīng)用；第二代鋁鋰合金是最早實用化的鋁鋰合金，主要有5A90合金（即前蘇聯(lián)01420）、美國Alcoa的2090合金、英國Alcan的8090合金等，并在F-15、EH101、Mig-29、Su-27等飛機上得到了初步的應(yīng)用，其設(shè)計思想是以輕質(zhì)鋁鋰合金對傳統(tǒng)鋁合金進行等強度替換，雖然第二代鋁鋰合金具有極佳的減重效能，但由于鋰含量高，在使用中發(fā)現(xiàn)存在著明顯的各向異性和缺口敏感性，且塑性水平不高，正逐步被第三代高韌耐損傷鋁鋰合金所替代，材料設(shè)計思想也逐步過渡到損傷容限設(shè)計，較好地解決了鋁鋰合金的耐損傷問題，甚至在A380等先進客機中得到了廣泛的應(yīng)用，典型第二、三代鋁鋰合金的成份見表1。

由于金屬鋰具有極高的化學活性，常溫下極易氧化甚至燃燒，在熔煉溫度下性能更加活潑，因此熔煉技術(shù)一直是鋁鋰合金的研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，由表1可見，雖然5A90作為第二代鋁鋰合金，但其鋰含量甚至超過了第三代鋁鋰合金鋰含量典型值的兩倍，性能活潑的鎂元素含量甚至超過第三代鋁鋰合金典型值的10倍以上，也遠超過了同為第二代的8090鋁鋰合金。

由于5A90鋁鋰合金中含有極高的鎂鋰等活性元素，這使得5A90合金不但具有強烈的高溫易氧化傾向，容易形成氧化夾雜，同時還有強烈的與水蒸氣反應(yīng)的吸氫傾向，極易導致氣孔、白點、氫脆等冶金缺陷，而冶金缺陷是導致材料疲勞斷裂形核的主要因素[3]。另一方面，由于5A90合金含鋰量高，熔煉中使用的金屬鋰中不可避免會存在較多的同族鈉、鉀等堿金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會顯著降低合金的強度韌性等關(guān)鍵性能，必須對其含量嚴格控制。在技術(shù)規(guī)范中對5A90鋁鋰合金雜質(zhì)要求見表2。

綜上所述，雖然5A90合金是相對較早的第二代鋁鋰合金，但對化學成分的限制是非常嚴格的，而且由于主合金元素易燒損，成分控制難度大，各種雜質(zhì)元素進入熔體渠道多，對合金性能的影響大。這導致從冶煉難度上，5A90鋁鋰合金制備工藝技術(shù)的要求甚至遠超過了2195等典型的第三代鋁鋰合金。該合金完全無法在常規(guī)的大氣環(huán)境下熔煉、甚至在惰性氣體保護條件下熔煉的效果也不佳，其氫、鈉、鉀等雜質(zhì)元素的控制情況不理想，無法全面滿足航空航天領(lǐng)域的使用要求。因此5A90合金的熔煉技術(shù)可以說是諸多鋁鋰合金熔煉技術(shù)中的技術(shù)難度最大的，技術(shù)水平最高的。

在這種情況下，課題組探索并使用了真空熔煉工藝，通過各種工藝試驗摸清了中試規(guī)模下5A90鋁鋰合金真空熔煉的工藝參數(shù)，有效地突破了5A90鋁鋰合金真空熔煉技術(shù)，較好地保障了材料的主合金元素成分并有效控制了雜質(zhì)，完成了中試規(guī)模下5A90鋁鋰合金的制備，通過真空熔煉技術(shù)制備的5A90鋁鋰合金具有較好的材料特性及工藝特性，通過中試條件摸出的技術(shù)參數(shù)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

表1 典型的第二、三代鋁鋰合金化學成分

表2 5A90鋁鋰合金對雜質(zhì)的要求

2 5A90鋁鋰合金的真空熔煉

2.1 真空熔煉工藝研究

與常規(guī)鋁合金不同，使用常規(guī)的六氯乙烷精煉+二氧化鈦緩釋/造渣的方法，會與5A90合金的熔體發(fā)生劇烈的反應(yīng)，容易導致鎂、鋰等合金元素的不可控燒損，甚至影響安全生產(chǎn)。因此在本研究中采取了惰性氣體熔煉法+真空二次精煉+半連續(xù)鑄造的工藝，在大氣環(huán)境下使用惰性氣體完成初步熔煉，由于需消除的氫、鈉、鉀等雜質(zhì)元素在熔體中大都以游離態(tài)存在，且其蒸氣壓與溫度及真空度密切相關(guān)[4]，再經(jīng)由真空精煉消除氫、鈉、鉀等雜質(zhì)元素，熔煉、精煉和鑄造的實施過程示意見圖1。

5A90鋁鋰合金真空熔煉鑄造示意見圖2。

圖1 5A90鋁鋰合金的熔煉和鑄造

圖2 5A90鋁鋰合金真空熔煉鑄造示意

2.2 熔煉工藝氫、堿金屬雜質(zhì)及合金元素的影響

在真空熔煉的條件下一定的真空度下，鋁合金熔體會產(chǎn)生輕微的“沸騰”現(xiàn)象，游離狀態(tài)的氫及鈉鉀等堿金屬雜質(zhì)將會從熔體內(nèi)揮發(fā)而出，但對于5A90合金而言，這個工藝實施難度要大很多：

5A90鋁鋰合金屬于5XXX系合金，其主要合金強化元素是飽和蒸氣壓較高的鎂元素，比其他2XXX系、7XXX系鋁合金容易揮發(fā)得多，而在此基礎(chǔ)上，5A90鋁鋰合金還含有大量飽和蒸氣壓更高的鋰元素，這就使得在真空條件下，一旦處理不當，鎂、鋰等主要強化元素會隨著真空除氣工藝的實施，一并被“處理”掉，因此5A90鋁鋰合金真空熔煉的工藝“窗口”比其他鋁合金窄得多：

當真空度過低，真空精煉時間過短，會導致合金中游離氫和鈉鉀等堿金屬雜質(zhì)不能充分析出，這些雜質(zhì)元素殘余在熔體中對5A90鋁鋰合金的拉伸性能、斷裂性能將會造成顯著的不良影響；

而當真空度過高，真空精煉時間過長時，雖然能夠有效去除氫及鈉、鉀等堿金屬雜質(zhì)，但也會造成鎂、鋰等合金強化主元素的蒸發(fā)損失，導致合金化學成分失控，力學性能下降。

因此，保持合理的真空熔煉工藝參數(shù)，包括熔體溫度、真空熔煉時間、真空度等，是實施真空熔煉的基礎(chǔ)。

通過工藝試驗，在不同真空度，不同真空精煉時間下，對5A90鋁鋰合金真空精煉的對氫含量的影響見圖3，鈉鉀等堿金屬與真空度、真空精煉時間的關(guān)系，與之基本相同。

可見，在真空度1000Pa條件下，經(jīng)過5分鐘的真空精煉，即能夠?qū)浜靠刂圃诒容^理想的范圍的內(nèi)（≤0.5Ug/g），若想進一步降低氫雜質(zhì)的影響，需要進一步提高真空度并延長真空精煉時間，但這樣會造成鎂、鋰等合金元素的損失加劇。

圖3 不同真空度及真空精煉時間下，5A90鋁鋰合金中的氫含量

通過試驗研究后，課題組選取了適當?shù)恼婵站珶拝?shù)，明確了真空精煉的工藝，在有效除氫及堿金屬雜質(zhì)的同時，也最大程度的保留了鎂、鋰等有效合金強化元素，堿金屬雜質(zhì)元素去除和易燒損合金元素情況詳見表3。

表3 真空精煉前后堿金屬雜質(zhì)元素和易燒損合金元素的變化

2.3 真空熔煉法制備的5A90鋁鋰合金

通過以上熔煉步驟的制備的5A90合金熔體，在惰性氣體保護條件下通過水冷式半連續(xù)鑄造法制備出ФXX鑄錠見圖4，可見，外觀質(zhì)量良好，無冷隔、熱裂等鑄造缺陷，鑄錠的低倍組織見圖5，未發(fā)現(xiàn)氣孔、粗晶等組織缺陷

表4 5A90鋁鋰合金鑄錠化學分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）

圖4 鑄錠低倍組織

圖5 5A90鋁鋰合金型材

圖6 5A90鋁鋰合金型材高倍組織

表5 真空熔鑄法制備的5A90鋁鋰合金板材和型材的典型力學性能

真空熔煉法制備的5A90鋁鋰合金，其化學成分分析結(jié)果見表4。

可見通過真空熔煉的5A90鋁鋰合金，其化學成分完全達到了相關(guān)材料規(guī)范要求，在很好保留鎂鋰等易燒損的主合金元素的同時，氫、鈉、鉀等雜質(zhì)元素得到了有效的控制。

5A90鋁鋰合金是一種變形鋁合金，合金鑄錠無法直接用于零件的制造，必須通過熱加工手段制成相應(yīng)的產(chǎn)品才能供貨，其材料品種主要是擠壓型材和冷軋板材，5A90鋁鋰合金鑄錠可通過鍛壓開坯，熱軋、冷軋、滾光矯正制備成1.5-6mm厚的薄板，或通過正向擠壓制備成擠壓型材，板材外觀質(zhì)量良好，型材無縮尾翹曲等缺陷。擠壓型材見圖5。

板型材制成零部件的最終熱出狀態(tài)為固溶空冷+人工時效（T6K）。經(jīng)過熱處理后的5A90鋁鋰合金型材的高倍組織見圖6，未見過燒及粗大再結(jié)晶等熱加工、熱處理缺陷

T6K熱處理狀態(tài)下，5A90鋁鋰合金型材和板材的力學性能見表5。

綜上所述，通過真空熔煉制備的5A90鋁鋰合金材料，化學成分均穩(wěn)定在相關(guān)區(qū)間內(nèi)，擁有較好的材料性能及冷熱加工工藝性，能夠滿足航空航天領(lǐng)域中對輕質(zhì)中強合金的需求。

3 結(jié)論

1.5A90鋁鋰合金雖然屬于第二代鋁鋰合金，但由于主強化元素是活潑的鋰元素和鎂元素，非常容易吸氫氧化，熔煉技術(shù)難度大，工藝實施窗口窄；

2.通過采取真空熔煉技術(shù)，合理制定真空熔煉工藝，可以在最大限度保留5A90鋁鋰合金的合金元素的同時，有效地去除鈉、鉀、氫等雜質(zhì)元素。

3.采用真空熔煉技術(shù)制備的5A90鋁鋰合金鑄錠外觀質(zhì)量、冶金質(zhì)量、性能指標、工藝性指標等，能夠用于生產(chǎn)薄板及型材等品種的原材料，并進而滿足航空航天等相關(guān)領(lǐng)域零部件的制造需求。