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1420鋁鋰合金真空精煉與成分變化規律的研究
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-26
研究了1420鋁鋰合金真空除氫規律，并對比研究了真空除氫過程中化學成分變化規律，為鋁鋰合金的生產提供了重要參數，并為研究新一代高韌鋁鋰合金打下基礎。
1前言
Al-Li合金具有低密度、高比強度和比剛度等優異性能，是航空、航天等領域具有較好應用前景的結構材料之一。然而，由于Li元素是高化學活性元素，在熔煉過程中易氧化、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，從而導致沿晶斷裂。為解決Al-Li合金高氫含量對合金性能的損害，本研究在大氣下熔煉Al-Li合金，并采用真空處理對Al-Li合金進行精煉，研究了真空除氫規律，同時也研究了真空精煉過程中Al-Li合金化學成分變化規律。
2試驗條件
2.1試驗材料
試驗合金為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設備與方法
熔化設備是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8～13Pa，熱負荷條件下可達30Pa。測氫方法是固態高頻加熱-導熱法，設備為美國LECO公司生產的LECO RH-3測氫儀，測試精度為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℃時用C2Cl6精煉(C2Cl6占合金重量的0.5%)。降溫到720℃時在氬氣的保護下壓入Li。并在氬氣的保護下攪拌、扒渣，然后用干燥的TiO2覆蓋。升溫到730℃時將熔煉坩堝轉入真空進行真空精煉，按時間取樣，澆注成φ25mm×150mm的鑄錠。測氫試樣(φ8mm×70mm)和化學分析試樣均取自鑄錠。
3試驗結果與討論
3.1真空除氫規律
研究了真空度分別為100，300,500，1000Pa條件下，不同真空精煉時間1420合金氫含量的變化。結果如表1所示。
結果表明：(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；(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，若使合金氫含量穩定在0.1×10－6，真空度為100，300，500，1000Pa時，所需時間分別為5，10，15，20min。
Al-Li合金中的主要元素Mg、Li等元素的液態蒸發壓較高，真空熔煉時，這些元素易蒸發損失，合金成分不易控制。本研究在大氣下熔煉合金，然后再轉入真空爐中精煉，以減少真空熔煉時間，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程中的變化，檢測了不同真空度水平下、不同時間的合金成分變化規律，結果如表2所示。 結果表明：(1)在相同的真空處理時間內，真空度越高，Li、Mg損失量越大；(2)在相同的真空度下，隨著時間的增加，Li、Mg損失量增加；(3)真空度高時，Mg的損失較Li的損失大，但在真空度為1000Pa時，Mg元素基本無損失。
3.3討論
3.3.1真空除氫
Al-Li合金液態下極易吸氫，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，與溫度、熔體性質有關；
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；真空處理時間越長，則除氫越徹底。真空精煉與除氫規律的趨勢如下圖所示。但是，真空精煉與Al-Li合金元素蒸發是一對矛盾。因此，真空除氫的真空度與時間必須與元素蒸發損失結合起來。 3.3.2元素蒸發
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)，真空熔煉時極易蒸發損失。元素的蒸發量可表示為［5］： 式中：w-蒸發率，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，所以真空精煉時易損失。Mg的蒸汽壓較Li高，故高真空下Mg的損失較Li大。
Al-Li合金具有低密度、高比強度和比剛度等優異性能，是航空、航天等領域具有較好應用前景的結構材料之一。然而，由于Li元素是高化學活性元素，在熔煉過程中易氧化、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，從而導致沿晶斷裂。為解決Al-Li合金高氫含量對合金性能的損害，本研究在大氣下熔煉Al-Li合金，并采用真空處理對Al-Li合金進行精煉，研究了真空除氫規律，同時也研究了真空精煉過程中Al-Li合金化學成分變化規律。
2試驗條件
2.1試驗材料
試驗合金為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設備與方法
熔化設備是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8～13Pa，熱負荷條件下可達30Pa。測氫方法是固態高頻加熱-導熱法，設備為美國LECO公司生產的LECO RH-3測氫儀，測試精度為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℃時用C2Cl6精煉(C2Cl6占合金重量的0.5%)。降溫到720℃時在氬氣的保護下壓入Li。并在氬氣的保護下攪拌、扒渣，然后用干燥的TiO2覆蓋。升溫到730℃時將熔煉坩堝轉入真空進行真空精煉，按時間取樣，澆注成φ25mm×150mm的鑄錠。測氫試樣(φ8mm×70mm)和化學分析試樣均取自鑄錠。
3試驗結果與討論
3.1真空除氫規律
研究了真空度分別為100，300,500，1000Pa條件下，不同真空精煉時間1420合金氫含量的變化。結果如表1所示。
結果表明：(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；(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，若使合金氫含量穩定在0.1×10－6，真空度為100，300，500，1000Pa時，所需時間分別為5，10，15，20min。
表 1真空精煉條件下1420合金氫含量的變化規律(氫含量：×10－6)
Al-Li合金中的主要元素Mg、Li等元素的液態蒸發壓較高，真空熔煉時，這些元素易蒸發損失，合金成分不易控制。本研究在大氣下熔煉合金，然后再轉入真空爐中精煉，以減少真空熔煉時間，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程中的變化，檢測了不同真空度水平下、不同時間的合金成分變化規律，結果如表2所示。 結果表明：(1)在相同的真空處理時間內，真空度越高，Li、Mg損失量越大；(2)在相同的真空度下，隨著時間的增加，Li、Mg損失量增加；(3)真空度高時，Mg的損失較Li的損失大，但在真空度為1000Pa時，Mg元素基本無損失。
3.3討論
3.3.1真空除氫
Al-Li合金液態下極易吸氫，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，與溫度、熔體性質有關；
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；真空處理時間越長，則除氫越徹底。真空精煉與除氫規律的趨勢如下圖所示。但是，真空精煉與Al-Li合金元素蒸發是一對矛盾。因此，真空除氫的真空度與時間必須與元素蒸發損失結合起來。 3.3.2元素蒸發
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)，真空熔煉時極易蒸發損失。元素的蒸發量可表示為［5］： 式中：w-蒸發率，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
元素的損失除蒸發損失外，還與元素的化學活性、熔煉溫度等有關。在高真空的條件下，元素損失以蒸發為主；但在低真空的條件下，則以氧化損失為主。在真空度為1000Pa時Mg元素基本不損失，而Li略有損失。這是因為Li的化學活性高，易發生氧化燒損的緣故。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、真空精煉時間有關。在本研究的試驗條件下，若將合金中的氫含量穩定在0.1×10－6左右，真空精煉的真空度為100，300，500，1000Pa時，處理時間分別為5,10,15,20min。
(2)真空精煉過程中，Al-Li合金中的主要元素Mg、Li等易蒸發損失。真空度為1000Pa以上時，Mg的蒸發損失較Li高。
(3)結合真空除氫效果與元素蒸發損失，在Al-Li合金的生產控制中，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，處理時間為5min；真空度為500～1000Pa時，處理時間以10～15min為宜。
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