真空精煉對鋁鋰合金中氫的去除研究

鋁鉻合金具有低密度、高彈性模量、高比例、良好的耐腐蝕性等優點。它是航空航天行業最重要的環保材料。但在鋁鋰合金中,由于鋰元素的加入,使合金在熔化過程中的化學活性大大增強,加重合金吸氫傾向。因此,鋁鋰合金中氫含量為一般鋁合金的10倍以上。同時由于鋁鋰合金中含有鋰,因此不可避免會含有與鋰元素同族的鈉鉀和等堿金屬雜質,而氫和堿金屬雜質是導致鋁鋰合金低塑性的重要原因。為了解決鋁鋰合金氫脆、降低鈉鉀等堿金屬雜質、提高合金塑韌性,應在合金熔煉過程中防止鋁鋰合金熔體吸氫,同時采取真空精煉,有效地降低合金中氫含量及鈉鉀等雜質。通過研究鋁鋰合金真空熔煉工藝和除氫規律,找出可大幅度降低鋁鋰合金鑄錠氫及鈉鉀等雜質含量的方法,從而提高鋁鋰合金的性能,使鋁鋰合金適宜于工業化生產。5A90鋁鋰合金中含有2%的金屬鋰,鋰屬于堿金屬,化學性質非?；顫?因此鋁鋰合金較其它鋁合金相比,具有更高的化學活性,熔體更容易和水蒸汽等發生吸氫反應,造成氫含量超高和不均勻。在大氣環境下把熔體加熱到700℃左右進行熔煉,合金將不可避免地氧化吸氫,這使得5A90鋁鋰合金的熔煉只能在真空環境下進行,導致鋁鋰合金的熔煉與常規鋁合金熔煉工藝差異很大。元素周期表中,氫鋰鈉鉀都是臨近的第一主族元素,制定出合理的熔煉工藝,降低兩邊的氫和鈉鉀雜質元素的同時,而盡可能多的保留中間的合金元素鋰成為真空熔煉的關鍵。熔煉過程中對真空度和熔煉的時間控制也是非常重要的,真空度過高,熔煉時間過短,可能導致除氫,鈉鉀的效果不好,熔體中還含有大量雜質;真空度過低,熔煉時間過長,雖然能夠有效除氫鈉鉀等雜質,但也會導致熔體中鋰、鎂等易揮發的合金元素大量燒損,材料產生成份偏差。因此需制定出適用的真空熔煉參數,在有效除氫的同時,保證合金的化學成分。1真空精制時間對合金氫含量的影響實驗材料為自備5A90鋁鋰合金,合金成分見表1。在熔煉過程中,本研究以5A90合金為研究對象,研究了在100Pa、300Pa、500Pa、1000Pa、3000Pa、5000Pa六種真空度下,真空精煉時間為0min、5min、10min、15min、20min、30min條件下合金氫含量,Mg、Li合金元素,Na、K雜質元素的變化關系。此外,還研究了氫含量對室溫常規拉伸性能的影響。2結果與討論2.1除氫劑的煉焦試驗不同真空度、不同時間條件下精煉,對5A90鋁鋰合金的氫含量影響見圖1。實驗結果表明:(1)對鋁鋰合金而言,真空精煉有較好的除氫效果。精煉5min即有較明顯的除氫效果,可將鋁鋰合金中的氫含量降低較低的水平(質量分數為1×10-7左右),與一般鋁合金中氫的含量相當;(2)真空精煉的臨界真空度為3000Pa;(3)真空度越高,氫含量便下降越快,若使合金中氫的含量穩定在質量分數為1×10-7左右,真空度為100Pa、300Pa、500Pa、1000Pa時,所需時間分別為5min、10min、15min、20min。2.2真空藥料真空精密度的影響Al-Li合金中的主要元素Mg、Li等的液態蒸汽壓比較高,而且化學性質比較活潑,在真空精煉時易發生元素損失,致使合金成分不易控制。本研究在大氣下熔煉合金,然后再轉入真空護中精煉,以減少合金液在真空下的停留時間,從而減少元素的損失。為控制合金成分,研究了5A90鋁鋰合金的主要元素在真空治煉過程中的變化,測試了在真空精煉過程中化學成分變化規律,結果見圖2和圖3。圖2和圖3表明:在相同的真空處理時間內,真空度越高,Li,Mg元素的損失量越大;在相同的真空度下,隨著真空處理時間的增加,Li,Mg損失量增加;并且還可看出,真空度較高時,Mg的損失量較Li的損失量大;但在真空度的值大于1000Pa時,Mg元素基本無損失,而Li元素仍然有損失。2.3真空鑄造處理Na和K元素與Li、Mg等主要合金元素性質相似,但Na和K的飽和蒸汽壓較Li、Mg還高,所以在熔煉和真空精煉過程中,Na和K的減少幅度將遠超過合金元素Mg、Li,減少Na、K的含量有利于提高合金韌性?？刂芅a、K含量應從二方面著手:(1)控制原材料中Na,K含量,選用高純度的原材料;(2)應用真空處理。本研究測試了真空處理(1000Pa,5min)前后雜質元素Na,K的含量變化見表2,合金元素Mg、Li的含量變化見表3。表2和表3結果表明:(1)真空熔煉去除了67%以上的雜質鈉鉀元素,具有較好凈化熔體的效果;(2)主合金元素在真空精煉過程中,燒損不到1%,仍然滿足化學成分的要求,合金元素能夠很好地被保留,成分偏差不大。熔煉環境下雜質氫是氣體,而鈉鉀雜質的飽和蒸汽壓均大于鎂鋰等,因此在高真空度的條件下,有效除氫的同時,鈉鉀等雜質元素的損失也要大于鎂鋰等易揮發元素。因此如果措施得當,能夠通過真空熔煉工藝,在保證合金元素影響較小的情況下,有效去除H、Na、K等雜質元素。2.4壓鑄劑的力學性能為研究5A90合金氫含量與拉伸性能之間的關系,測試了不同氫含量水平下擠壓棒材的力學性能,結果見表4。結果表明:氫含量越高,其力學性能越低?？梢?控制氫含量是提高5A90鋁鋰合金力學性能的重要措施。此外,氫含量還會影響著5A90合金的焊接性能。3除h劑的除h效果1)真空熔煉可以有效地去除鋁鋰合金中的H、Na、K等雜質元素。2)熔煉過程中,真空度越高,時間越長,除H效果便越徹底。真空度高于3000Pa,精煉5min即有良好的除H效果。3)熔煉的真空度為1000Pa,真空精煉時間為5min時,能夠將Na、K等堿金屬雜質的總量質量分數由原來的16.3×10-6降至5.4×10