一种航天用铝合金加工工艺及其铝合金管材制造技术

本发明专利技术涉及铝合金加工技术领域，具体涉及一种航天卫星用管型热交换器的铝合金加工工艺。本发明专利技术公开了一种航天用铝合金管材的加工工艺,包括成分优化、浇铸制棒、均质处理和挤压成型等步骤；所述成分优化步骤中优化后的铝合金原料成分如下：Si 0.10‑0.40wt％，Fe 0.30‑0.60wt％，Cu≤0.01wt％，Mn 1.15‑1.40wt％，Mg≤0.05wt％，Zn≤0.1wt％，Ti 0.01‑0.05wt％，S≤0.01wt％，Al余量。所述铝合金的原料成分中S、Cu的含量均在0.005wt％以内。本发明专利技术还提出了一种上述加工工艺的航天用铝合金管材，所述铝合金管材为3A21系合金。

A processing technology of aluminum alloy for aerospace and its aluminum alloy pipe

【技术实现步骤摘要】
一种航天用铝合金加工工艺及其铝合金管材
本专利技术涉及铝合金加工
，具体涉及一种航天卫星用管型热交换器的铝合金加工工艺。
技术介绍
管型热交换器具有极高的导热性能，结构简单且传热功率大，温度均匀等特点，尤其在空间失重状态下仍具有此优异性能，因此在航天领域得到了广泛应用。目前，卫星上的单机和有效载荷大部分采用金属铝-氨热管型热交换器实现温度的均衡调节，管型热交换器内的工作介质为液氨。由于卫星使用的管型热交换器体积小，重量轻，尺寸精度要求高，公差要求范围为±0.05mm，远高于《GB/T14846-2014铝及铝合金挤压型材尺寸偏差》尺寸偏差为±0.35-0.45mm超高级标准的要求，因此对加工的材料要求非常严格。现有技术的3A21铝合金具有较好的拉伸强度，韧性好，耐腐蚀性能及焊接性能优良，适用于铝合金结构件的深加工，如焊接、弯折。由于航天管型热交换器的内部工作介质为液氨，采用现有技术的3A21铝合金加工为航天管型热交换器后，其铝合金中含有的Cu、S与氨工质发生化学反应，使用较短的期限后因腐蚀反应出现裂痕，严重影响了卫星内部设施运行的稳定性。根据《GB/T6892-2015一般工业用铝及铝合金挤压型材》的标准，3A21铝合金的力学性能要求为抗拉强度≤185MPa，断后拉伸率A50mm＞14％。因此，研发一种3A21系列的铝合金材料，既能满足《GB/T6892-2015一般工业用铝及铝合金挤压型材》有关力学性能的标准要求，又可以符合卫星用管型热交换器的特殊加工精度要求，且具有较高的液氨耐腐蚀性，以满足航天卫星的设施加工需求，对促进航天事业的发展具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术提出一种航天用铝合金管材的加工工艺，通过优化控制合金成分，采用特定的挤压加工工艺，具有稳定达标的力学性能，挤压加工需要的压力低易成型，外表光洁无振纹橘皮，且具有较高的液氨耐腐蚀性。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种航天用铝合金管材的加工工艺，依次包括成分优化步骤、浇铸制棒步骤、均质处理步骤和挤压成型步骤；所述成分优化步骤中，选取铝锭、金属硅、锰添加剂和铁添加剂作为铝合金原料，按照重量百分数计算，优化后的铝合金原料的成分为：Si0.10-0.40wt％、Fe0.30-0.60wt％、Cu≤0.01wt％、Mn1.15-1.40wt％、Mg≤0.05wt％、Zn≤0.1wt％、Ti0.01-0.05wt％、S≤0.01wt％和余量为Al。选取的原料铝锭包括工业铝锭、高纯度铝锭，通过检测工业铝锭、高纯度铝锭内相关金属成分含量，调整工业铝锭和高纯度铝锭配比，添加金属硅、锰添加剂和铁添加剂获得优化的目标成分比例。本专利技术所述的铝合金相较现有技术的3A21合金(成分见表1)，进一步缩窄了所述铝合金其中的Si、Fe、Mn和Ti的含量，所述铝合金可以获得较好的晶粒，铸造时不产生热裂现象，所述铝合金管材具有良好的铸造加工性能，无加工或弯曲的橘皮和开裂等缺陷。高含量的Si会增加所述铝合金的热裂倾向，降低所述铝合金的铸造加工性能。所述铝合金原料中Mn含量在1.15-1.40wt％内时，能保证所述铝合金具有较高抗拉伸强度且加工时变形不易开裂。所述铝合金中含量为0.30-0.60wt％的Fe，能使所述铝合金获得较细的晶粒，并中和所述铝合金中Si元素的不利影响。考虑原材料中不可避免的含有铁杂质，铁添加剂的用量应减除原料中已有杂质铁含量，计算方法为：Fe添加量＝铝合金总投料重量×(Fe成分目标控制含量(wt％)－Fe杂质含量(wt％))。表13A21合金成分(wt％)化学元素SiFeCuMnMgZnTi单个合计Al含量(％)0-0.60-0.70-0.21-1.60-0.050-0.10-0.150.050.1余量进一步的，所述优化后的铝合金原料成分中S和Cu的含量均≤0.005wt％。通过熔铸前洗炉的操作减少杂质，并通过添加高纯度铝锭进一步优化控制所述铝合金中S、Cu含量在0.005wt％以内。所述航天用铝合金管材的内部工作介质是液氨，所述铝合金的原料成分中S、Cu的含量均在0.005wt％以内，可以降低所述铝合金管材中S、Cu元素与介质氨发生腐蚀反应的强度，以达到提升材料耐腐蚀性的目的，超出上述范围，将影响所述铝合金管材的使用寿命。控制所述铝合金中S、Cu含量在0.005wt％以内，可以降低所述铝合金因腐蚀反应而出现裂痕的质量风险，提高了采用本专利技术所述铝合金材料的卫星内部设施运行的稳定性。进一步的，所述浇铸制棒步骤具体为：S1、对铝锭和金属硅原材料进行熔炼，熔炼温度为690℃～750℃，待所述铝锭、金属硅原材料彻底熔化后添加所述锰添加剂和铁添加剂，精炼4次，扒渣即得到熔体；S2、将熔体静置30分钟后，在720℃～740℃温度下，使用半连续铸造设备铸出的铸锭铝棒。所述铝合金采用常规恒温熔炼炉即可进行熔炼，操作简单，熔炼成本低。通过多次精炼更好的对所述铝合金起到除气、净化和细化所述铝合金晶粒的作用，扒渣去除熔炼产生的渣滓，避免所述铝合金的晶内留存有硬块或者杂质相。采用铸造铝棒进行挤压加工，根据常规的航天用铝合金热管管材的使用直径，设定铸锭铝棒的直径为φ100mm可满足常规各种直径的铝合金热管管材的挤压需求。进一步的，所述均质处理步骤的均质处理温度为590±20℃。通过DSC差热分析实验得知，本专利技术所述的铝合金在657.8℃出现吸热峰，如将均质温度设定过高，实际生产中有出现熔棒的风险，对设备、人身安全危害极大，如均质温度过低，则无法使所述铝合金中低熔点共晶相回溶基体，影响所述铝合金的性能，因此均质处理温度设定为590±20℃；进一步的，所述均质处理的保温时间4-10hr。均质处理又叫做均匀化退火，是将合金铸锭加热到接近不平衡固相线温度进行较长时间的保温，然后缓慢冷却到室温的过程，其目的在于通过合金元素原子的扩散来消除或减少合金的晶内化学成分和组织的不均匀性，改善铸锭的内部组织，消除铸锭残余应力，改善铸锭机械加工性能，同时提高塑性、降低变形抗力，使合金的热加工工艺性能得以改善。均质处理的保温时间少于4hr，所述铝合金的晶内化学成分和组织重新回溶不够完全，金相分布不均匀，没有达到均质的效果。所述铝合金挤压突破压力上升，难于挤出成型。均质处理的保温时间超过10hr以上，所述铝合金的晶内化学成分和组织已经基本回溶完全，金相分布均匀，随着时间的延长，对材料加工性能、表面质量的提升没有明显效果，增加了生产成本，也影响生产效率，没有积极的意义。故此，所述铝合金的均质处理的保温时间设置为4-10hr比较恰当。进一步的，所述挤压成型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天用铝合金管材的加工工艺，其特征在于，依次包括成分优化步骤、浇铸制棒步骤、均质处理步骤和挤压成型步骤；所述成分优化步骤中，选取铝锭、金属硅、锰添加剂和铁添加剂作为铝合金原料，按照重量百分数计算，优化后的铝合金原料的成分为：Si 0.10-0.40wt％、Fe 0.30-0.60wt％、Cu≤0.01wt％、Mn 1.15-1.40wt％、Mg≤0.05wt％、Zn≤0.1wt％、Ti 0.01-0.05wt％、S≤0.01wt％和余量为Al。/n

【技术特征摘要】
1.一种航天用铝合金管材的加工工艺，其特征在于，依次包括成分优化步骤、浇铸制棒步骤、均质处理步骤和挤压成型步骤；所述成分优化步骤中，选取铝锭、金属硅、锰添加剂和铁添加剂作为铝合金原料，按照重量百分数计算，优化后的铝合金原料的成分为：Si0.10-0.40wt％、Fe0.30-0.60wt％、Cu≤0.01wt％、Mn1.15-1.40wt％、Mg≤0.05wt％、Zn≤0.1wt％、Ti0.01-0.05wt％、S≤0.01wt％和余量为Al。


2.根据权利要求1所述的航天用铝合金管材的加工工艺，其特征在于，所述优化后的铝合金原料成分中S和Cu的含量均≤0.005wt％。


3.根据权利要求2所述的航天用铝合金管材的加工工艺，其特征在于，所述浇铸制棒步骤具体为：
S1、对铝锭和金属硅原材料进行熔炼，熔炼温度为690℃～750℃，待所述铝锭、金属硅原材料彻底熔化后添加所述锰添加剂和铁添加剂，精炼4次，扒渣即得到熔体；
S2、将熔体静置30分...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，王岗，张星临，杨舜明，
申请(专利权)人：广亚铝业有限公司，佛山市广成铝业有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44