一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法技术

本发明专利技术涉及金属铸造技术领域，提供了多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法。本发明专利技术在大规格7XXX系铝合金圆锭的立式直冷半连铸过程中，创新性地引入多源超声辅助半连续铸造，并针对不同结构的结晶器进行超声振动系统的布控，使超声能场最大程度的和结晶器结构以及铸造工艺相匹配，通过多源超声场的协同强化处理，促进合金元素固溶、降低熔体氢含量、细化铸锭组织与改善偏析；并且本发明专利技术属于外加物理能场技术，不需要对已有生产工艺与设备进行变动，具有绿色环保、操作便捷、投入成本低、生产效率高等优点。

A Method of Preparing Large Size 7XXX Aluminum Alloy Round Ingot by Multi-Source Ultrasound-Assisted Semi-Continuous Casting

【技术实现步骤摘要】
一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法
本专利技术涉及金属铸造
，特别涉及一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法。
技术介绍
航空用高强、高韧铝合金主要指强度在500MPa以上的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，即7XXX系列合金，如7050、7055、7075、7085合金等，这一系列的铝合金不仅具有较高的强度和韧性，而且具有优越的服役性能指标(耐腐蚀性、抗疲劳性、耐磨性等)，同时具有良好的热加工性与焊接成形性，主要用于制造飞机结构件，如飞机机身、机翼梁、机舱壁板等主承力结构件。大规格铸锭是飞机结构件制造的原材料保证，铸锭品质在很大程度上决定了飞机结构件各加工工序的基础及最终产品的质量，高品质铸锭的制造技术是需首要解决的一项关键技术。目前我国用于大飞机、先进战机的大型整体构件试制的大规格(直径超过500mm)的7XXX系超高强铝合金铸锭的生产技术与质量还存在较大问题，致使占飞机结构件重量近50％的7XXX系铝合金材料构件无法实现国产化。大规格铸锭的制造品质已成为飞机结构件材料国产化的一个重要瓶颈问题。当今铝合金加工行业生产大规格圆锭的普遍采用的是立式直接水冷半连续铸造(VerticalDireChillCasting)，也称为DC铸造，如图1所示，该方法的原理是将前期经过精炼净化处理后的铝液(即铝合金熔体)通过浇铸系统注入一个半封闭的铸模(即结晶器)中，在一次水冷作用下铸锭表层凝固时，启动引锭装置，将铸锭从结晶器下端随引锭器匀速拉出，在二次水冷作用下凝固成形直至铸造结束。这种铸造方法具有节省材料与能源，提高金属收得率，使铝合金铸锭生产更加连续化和紧凑化、缩短生产周期、提高生产效率等优点。但这种铸造工艺也存在局限性，尤其是在制造大规格圆锭时，由于在铸造过程中温度场与流场不易控制，尤其是对高强高合金化的7XXX系铝合金(Al-Zn-Mg-Cu)，铸锭极易产生内应力和裂纹，凝固组织与成分分配不均匀，合金元素的固溶程度偏低、晶粒/晶界粗大、偏析瘤等缺陷，对材料性能与铸锭的后续加工带来不利影响。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法，本专利技术提供的方法在现有7XXX系铝合金圆锭DC铸造技术中，创新性地引入多源超声辅助半连续铸造，并针对不同结构的结晶器进行超声振动系统的布控，实现高品质大规格7XXX系铝合金圆锭的制备。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法，包括以下步骤：在立式直接水冷半连续铸造过程中，7XXX系铝合金熔体自导流槽流入结晶器中；所述导流槽内施加1套超声振动系统；熔体在结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在结晶器内施加超声振动系统，在铸造结束前将超声振动系统移除，继续引锭至铸造完成，得到大规格7XXX系铝合金圆锭；其中，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器中心施加1套超声振动系统；当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器入口中心线上、结晶器中心两侧对称各布置一套超声振动系统，且超声振动系统和结晶器中心的距离相等；所述大规格7XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm。优选的，所述导流槽内超声振动系统的位置和结晶器入口的距离≤1000mm。优选的，所述导流槽内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为10～30mm，超声功率为500～1000W，频率为15～30kHz。优选的，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为30～150mm，超声功率为1500～2500W，频率为15～30kHz。优选的，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的功率和频率在铸造长度为500mm以内时调节完毕并实现稳定；剩余铸造长度为200mm时，将结晶器内超声振动系统移除。优选的，当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统距离结晶器中心的距离为R/2～R/3，R为大规格7XXX系铝合金圆锭的直径。优选的，当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为250～350mm，超声功率为1000～1500W，频率为15～30kHz。优选的，当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的功率和频率在铸造长度为400mm以内时调节完毕并实现稳定；剩余铸造长度为100mm时，将结晶器内超声振动系统移除。优选的，所述超声振动系统施加前，还包括对所述超声振动系统的辐射杆进行表面清理、预热和空载调试。优选的，所述预热的温度≥350℃；所述空载调试时辐射杆的输出振幅不小于15μm。本专利技术提供了一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法。本专利技术在大规格7XXX系铝合金圆锭的立式直冷半连铸过程中，创新性地引入多源超声辅助半连续铸造，并针对不同结构的结晶器进行超声振动系统的布控，使超声能场最大程度的和结晶器结构以及铸造工艺相匹配，通过多源超声场的协同强化处理，促进合金元素固溶、降低熔体氢含量、细化铸锭组织与改善偏析；并且本专利技术属于外加物理能场技术，不需要对已有生产工艺与设备进行变动，具有绿色环保、操作便捷、投入成本低、生产效率高等优点。附图说明图1为立式直接水冷半连续铸造的原理示意图；图2为普通结晶器和热顶结晶器的结构简图；图3为在结晶器内施加超声振动系统后的示意图；图4为结晶器为热顶结晶器和普通结晶器时，结晶器内超声振动系统的布置示意图；其中图4(a)为热顶结晶器内超声振动系统的布置示意图，图4(b)为普通结晶器内超声振动系统的布置示意图；图5为本专利技术实施例1和对比例1所得铸锭的微观组织对比图。具体实施方式本专利技术提供了一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金扁圆锭的方法，包括以下步骤：在立式直接水冷半连续铸造过程中，7XXX系铝合金熔体自导流槽流入结晶器中；所述导流槽内施加1套超声振动系统；熔体在结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在结晶器内施加超声振动系统，在铸造结束前将超声振动系统移除，继续引锭至铸造完成，得到大规格7XXX系铝合金圆锭。在本专利技术中，所述大规格7XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm，具体可以为500～1380mm。本专利技术对所述7XXX系铝合金的熔体的制备方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的方法进行制备即可。在本专利技术的具体实施例中，所述7XXX系铝合金的熔体的制备过程优选包括配料、熔炼、成分调整和净化处理。本专利技术对所述配料过程没有特殊要求，按照合金牌号名义成分规定范围的进行配制即可；所述熔炼在熔炼炉内进行，按照本领域技术人员熟知的条件进行熔炼即可，在本专利技术的具体实施例中，优选先将铝锭在700～720℃下熔化，然后逐一添加中间合金，每种中间合金加入后熔炼10～20min；此外，熔炼过程中优选加入晶粒细化剂，晶粒细化剂加入后半小时内必须开炉，熔炼过程中进行搅拌除渣；本专利技术对所述成分调整没有特殊要求，能够使铝合金熔体成分符合目标合金的含量要求即可；本专利技术优选使用Sniff在线除气系统对铝合金熔体进行除气净化，同时利用板式过滤系统对铝合金熔体进行过滤提纯，以减少大颗粒杂质的带入，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：在立式直接水冷半连续铸造过程中，7XXX系铝合金熔体自导流槽流入结晶器中；所述导流槽内施加1套超声振动系统；熔体在结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在结晶器内施加超声振动系统，在铸造结束前将超声振动系统移除，继续引锭至铸造完成，得到大规格7XXX系铝合金圆锭；其中，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器中心施加1套超声振动系统；当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器入口中心线上、结晶器中心两侧对称各布置一套超声振动系统，且超声振动系统和结晶器中心的距离相等；所述大规格7XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm。

【技术特征摘要】
1.一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金圆锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：在立式直接水冷半连续铸造过程中，7XXX系铝合金熔体自导流槽流入结晶器中；所述导流槽内施加1套超声振动系统；熔体在结晶器中进行凝固和引锭，引锭开始后，在结晶器内施加超声振动系统，在铸造结束前将超声振动系统移除，继续引锭至铸造完成，得到大规格7XXX系铝合金圆锭；其中，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器中心施加1套超声振动系统；当结晶器为热顶结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的布置方式为：在结晶器入口中心线上、结晶器中心两侧对称各布置一套超声振动系统，且超声振动系统和结晶器中心的距离相等；所述大规格7XXX系铝合金圆锭的直径≥500mm。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导流槽内超声振动系统的位置和结晶器入口的距离≤1000mm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述导流槽内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为10～30mm，超声功率为500～1000W，频率为15～30kHz。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当结晶器为普通结晶器时，所述结晶器内超声振动系统的辐射杆浸入熔体液面以下的深度为30～150mm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋日鹏，李晓谦，张立华，李瑞卿，刘峙麟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43