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1420鋁鋰合金真空精煉與成分變化規(guī)律的研究
Al-Li合金具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度等優(yōu)異性能，是航空、航天等領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料之一。然而，由于Li元素是高化學(xué)活性元素，在熔煉過(guò)程中易氧化、吸氫。一些研究表明，Al-Li合金存在氫脆敏感性。氫易在晶界處偏聚和富集，形成氫化物，造成晶界弱化，從而導(dǎo)致沿晶斷裂。為解決Al-Li合金高氫含量對(duì)合金性能的損害，本研究在大氣下熔煉Al-Li合金，并采用真空處理對(duì)Al-Li合金進(jìn)行精煉，研究了真空除氫規(guī)律，同時(shí)也研究了真空精煉過(guò)程中Al-Li合金化學(xué)成分變化規(guī)律。
2試驗(yàn)條件
2.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)合金為1420Al-Li合金。其成分為Al-5Mg-2Li-0.1Zr,所用原材料為：99.99%Al，99.99%Mg，99.96%Li，Ti和Zr是以中間合金的形式加入。
2.2設(shè)備與方法
熔化設(shè)備是8kg電阻熔煉爐和8kg電阻保溫真空爐。真空爐的空載真空度可達(dá)8～13Pa，熱負(fù)荷條件下可達(dá)30Pa。測(cè)氫方法是固態(tài)高頻加熱-導(dǎo)熱法，設(shè)備為美國(guó)LECO公司生產(chǎn)的LECO RH-3測(cè)氫儀，測(cè)試精度為0.01×10－6。其它元素分析法為ICP法。
2.3熔煉工藝
先將純Al熔化，加熱到760℃。加入Al-Zr和Al-Ti中間合金并攪拌。降溫到710℃加鎂，攪拌。升溫到710℃時(shí)用C2Cl6精煉(C2Cl6占合金重量的0.5%)。降溫到720℃時(shí)在氬氣的保護(hù)下壓入Li。并在氬氣的保護(hù)下攪拌、扒渣，然后用干燥的TiO2覆蓋。升溫到730℃時(shí)將熔煉坩堝轉(zhuǎn)入真空進(jìn)行真空精煉，按時(shí)間取樣，澆注成φ25mm×150mm的鑄錠。測(cè)氫試樣(φ8mm×70mm)和化學(xué)分析試樣均取自鑄錠。
3試驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1真空除氫規(guī)律
研究了真空度分別為100，300,500，1000Pa條件下，不同真空精煉時(shí)間1420合金氫含量的變化。結(jié)果如表1所示。
結(jié)果表明：(1)真空精煉可將Al-Li合金中的氫含量降到較低的水平，為0.1×10－6左右，與一般鋁合金氫含量相當(dāng)；(2)真空處理5min即有較好除氫效果；(3)真空度越高，氫含量下降越快，若使合金氫含量穩(wěn)定在0.1×10－6，真空度為100，300，500，1000Pa時(shí)，所需時(shí)間分別為5，10，15，20min。
表 1真空精煉條件下1420合金氫含量的變化規(guī)律(氫含量：×10－6)
Al-Li合金中的主要元素Mg、Li等元素的液態(tài)蒸發(fā)壓較高，真空熔煉時(shí)，這些元素易蒸發(fā)損失，合金成分不易控制。本研究在大氣下熔煉合金，然后再轉(zhuǎn)入真空爐中精煉，以減少真空熔煉時(shí)間，從而減少合金元素的損失。為研究Al-Li合金的主要元素在真空精煉過(guò)程中的變化，檢測(cè)了不同真空度水平下、不同時(shí)間的合金成分變化規(guī)律，結(jié)果如表2所示。
表2真空精煉過(guò)程中1420合金元素成分變化規(guī)律(wt%)
3.3討論
3.3.1真空除氫
Al-Li合金液態(tài)下極易吸氫，其飽和氫含量是一般鋁合金的10倍，氫在鋁合金熔體中的溶解度可表示為： 式中：［S］-氫在鋁液中的溶解度，cm3/100gAl；
K-溶解常數(shù)，與溫度、熔體性質(zhì)有關(guān)；
PH2-熔體表面氫分壓，MPa。
真空條件下，熔體表面氫分壓較低，氫易從熔體中擴(kuò)散析出，因此，真空精煉可有效降低鋁液中氫的含量。由表1可知，真空處理5min，即可將Al-Li合金中的氫降至較低水平。真空除氫速度主要依賴于真空度的高低，真空度越高，除氫速度越快；真空處理時(shí)間越長(zhǎng)，則除氫越徹底。真空精煉與除氫規(guī)律的趨勢(shì)如下圖所示。但是，真空精煉與Al-Li合金元素蒸發(fā)是一對(duì)矛盾。因此，真空除氫的真空度與時(shí)間必須與元素蒸發(fā)損失結(jié)合起來(lái)。
真空精煉參數(shù)與氫含量的趨勢(shì)關(guān)系圖
Al-Li合金中的合金元素Li、Mg等飽和蒸汽壓均較高(如表3所示)，真空熔煉時(shí)極易蒸發(fā)損失。元素的蒸發(fā)量可表示為［5］： 式中：w-蒸發(fā)率，g/cm2。min；
Pi-元素的飽和蒸汽壓，Pa；
P-熔體表面該元素的分壓，Pa；
M-元素的原子量；
T-溫度，K。
由式(2)可知，真空度越高，熔體表面該元素的分壓便越低，元素易揮發(fā)損失；元素的飽和蒸汽壓高，元素也易損失。由表3可知，Li、Mg等元素的蒸汽壓均較高，所以真空精煉時(shí)易損失。Mg的蒸汽壓較Li高，故高真空下Mg的損失較Li大。
表3Al-Li合金各元素800℃的飽和蒸汽壓
元素的損失除蒸發(fā)損失外，還與元素的化學(xué)活性、熔煉溫度等有關(guān)。在高真空的條件下，元素?fù)p失以蒸發(fā)為主；但在低真空的條件下，則以氧化損失為主。在真空度為1000Pa時(shí)Mg元素基本不損失，而Li略有損失。這是因?yàn)長(zhǎng)i的化學(xué)活性高，易發(fā)生氧化燒損的緣故。此外，真空精煉不僅可以降低氫含量，還可以有效去除Al-Li合金中Na、K雜質(zhì)含量。本文在100Pa的真空度下，真空精煉10min，Na+K的含量由17.61×10－6降到5.35×10－6。
4結(jié)論
(1)真空精煉可將Al-Li合金中的的氫含量由1～2×10－6降到0.1×10－6左右。除氫速度與真空度、真空精煉時(shí)間有關(guān)。在本研究的試驗(yàn)條件下，若將合金中的氫含量穩(wěn)定在0.1×10－6左右，真空精煉的真空度為100，300，500，1000Pa時(shí)，處理時(shí)間分別為5,10,15,20min。
(2)真空精煉過(guò)程中，Al-Li合金中的主要元素Mg、Li等易蒸發(fā)損失。真空度為1000Pa以上時(shí)，Mg的蒸發(fā)損失較Li高。
(3)結(jié)合真空除氫效果與元素蒸發(fā)損失，在Al-Li合金的生產(chǎn)控制中，將氫含量控制在0.2×10－6以下，則Al-Li合金真空精煉的真空度為300Pa以上時(shí)，處理時(shí)間為5min；真空度為500～1000Pa時(shí)，處理時(shí)間以10～15min為宜。
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