真空精炼对铝锂合金中氢的去除研究

真空精炼对铝锂合金中氢的去除研究

铝铬合金具有低密度、高弹性模量、高比例、良好的耐腐蚀性等优点。它是航空航天行业最重要的环保材料。但在铝锂合金中,由于锂元素的加入,使合金在熔化过程中的化学活性大大增强,加重合金吸氢倾向。因此,铝锂合金中氢含量为一般铝合金的10倍以上。同时由于铝锂合金中含有锂,因此不可避免会含有与锂元素同族的钠钾和等碱金属杂质,而氢和碱金属杂质是导致铝锂合金低塑性的重要原因。为了解决铝锂合金氢脆、降低钠钾等碱金属杂质、提高合金塑韧性,应在合金熔炼过程中防止铝锂合金熔体吸氢,同时采取真空精炼,有效地降低合金中氢含量及钠钾等杂质。通过研究铝锂合金真空熔炼工艺和除氢规律,找出可大幅度降低铝锂合金铸锭氢及钠钾等杂质含量的方法,从而提高铝锂合金的性能,使铝锂合金适宜于工业化生产。5A90铝锂合金中含有2%的金属锂,锂属于碱金属,化学性质非常活泼,因此铝锂合金较其它铝合金相比,具有更高的化学活性,熔体更容易和水蒸汽等发生吸氢反应,造成氢含量超高和不均匀。在大气环境下把熔体加热到700℃左右进行熔炼,合金将不可避免地氧化吸氢,这使得5A90铝锂合金的熔炼只能在真空环境下进行,导致铝锂合金的熔炼与常规铝合金熔炼工艺差异很大。元素周期表中,氢锂钠钾都是临近的第一主族元素,制定出合理的熔炼工艺,降低两边的氢和钠钾杂质元素的同时,而尽可能多的保留中间的合金元素锂成为真空熔炼的关键。熔炼过程中对真空度和熔炼的时间控制也是非常重要的,真空度过高,熔炼时间过短,可能导致除氢,钠钾的效果不好,熔体中还含有大量杂质;真空度过低,熔炼时间过长,虽然能够有效除氢钠钾等杂质,但也会导致熔体中锂、镁等易挥发的合金元素大量烧损,材料产生成份偏差。因此需制定出适用的真空熔炼参数,在有效除氢的同时,保证合金的化学成分。1真空精制时间对合金氢含量的影响实验材料为自备5A90铝锂合金,合金成分见表1。在熔炼过程中,本研究以5A90合金为研究对象,研究了在100Pa、300Pa、500Pa、1000Pa、3000Pa、5000Pa六种真空度下,真空精炼时间为0min、5min、10min、15min、20min、30min条件下合金氢含量,Mg、Li合金元素,Na、K杂质元素的变化关系。此外,还研究了氢含量对室温常规拉伸性能的影响。2结果与讨论2.1除氢剂的炼焦试验不同真空度、不同时间条件下精炼,对5A90铝锂合金的氢含量影响见图1。实验结果表明:(1)对铝锂合金而言,真空精炼有较好的除氢效果。精炼5min即有较明显的除氢效果,可将铝锂合金中的氢含量降低较低的水平(质量分数为1×10-7左右),与一般铝合金中氢的含量相当;(2)真空精炼的临界真空度为3000Pa;(3)真空度越高,氢含量便下降越快,若使合金中氢的含量稳定在质量分数为1×10-7左右,真空度为100Pa、300Pa、500Pa、1000Pa时,所需时间分别为5min、10min、15min、20min。2.2真空药料真空精密度的影响Al-Li合金中的主要元素Mg、Li等的液态蒸汽压比较高,而且化学性质比较活泼,在真空精炼时易发生元素损失,致使合金成分不易控制。本研究在大气下熔炼合金,然后再转入真空护中精炼,以减少合金液在真空下的停留时间,从而减少元素的损失。为控制合金成分,研究了5A90铝锂合金的主要元素在真空治炼过程中的变化,测试了在真空精炼过程中化学成分变化规律,结果见图2和图3。图2和图3表明:在相同的真空处理时间内,真空度越高,Li,Mg元素的损失量越大;在相同的真空度下,随着真空处理时间的增加,Li,Mg损失量增加;并且还可看出,真空度较高时,Mg的损失量较Li的损失量大;但在真空度的值大于1000Pa时,Mg元素基本无损失,而Li元素仍然有损失。2.3真空铸造处理Na和K元素与Li、Mg等主要合金元素性质相似,但Na和K的饱和蒸汽压较Li、Mg还高,所以在熔炼和真空精炼过程中,Na和K的减少幅度将远超过合金元素Mg、Li,减少Na、K的含量有利于提高合金韧性。控制Na、K含量应从二方面着手:(1)控制原材料中Na,K含量,选用高纯度的原材料;(2)应用真空处理。本研究测试了真空处理(1000Pa,5min)前后杂质元素Na,K的含量变化见表2,合金元素Mg、Li的含量变化见表3。表2和表3结果表明:(1)真空熔炼去除了67%以上的杂质钠钾元素,具有较好净化熔体的效果;(2)主合金元素在真空精炼过程中,烧损不到1%,仍然满足化学成分的要求,合金元素能够很好地被保留,成分偏差不大。熔炼环境下杂质氢是气体,而钠钾杂质的饱和蒸汽压均大于镁锂等,因此在高真空度的条件下,有效除氢的同时,钠钾等杂质元素的损失也要大于镁锂等易挥发元素。因此如果措施得当,能够通过真空熔炼工艺,在保证合金元素影响较小的情况下,有效去除H、Na、K等杂质元素。2.4压铸剂的力学性能为研究5A90合金氢含量与拉伸性能之间的关系,测试了不同氢含量水平下挤压棒材的力学性能,结果见表4。结果表明:氢含量越高,其力学性能越低。可见,控制氢含量是提高5A90铝锂合金力学性能的重要措施。此外,氢含量还会影响着5A90合金的焊接性能。3除h剂的除h效果1)真空熔炼可以有效地去除铝锂合金中的H、Na、K等杂质元素。2)熔炼过程中,真空度越高,时间越长,除H效果便越彻底。真空度高于3000Pa,精炼5min即有良好的除H效果。3)熔炼的真空度为1000Pa,真空精炼时间为5min时,能够将Na、K等碱金属杂质的总量质量分数由原来的16.3×10-6降至5.4×10