超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)的發(fā)展

（東風(fēng)本田發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 鑄造科，廣東 廣 州 5 10700）

超高強(qiáng)鋁合金是航空航天工業(yè)中主要的結(jié)構(gòu)材料，其具有密度低、強(qiáng)度高、熱加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是20世紀(jì)60年代以該領(lǐng)域的用材為背景研制并發(fā)展起來的一類高性能鋁合金材料[1]。

由于現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度和綜合性能提出了更高的要求。因此，材料工作者正不斷采用新型的鑄造技術(shù)，通過改變合金的成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且采用新型的制坯方法、成形加工及熱處理工藝，研制并開發(fā)出了多種新型超高強(qiáng)鋁合金[2~3]。這些材料使用性能更好，韌性和耐腐蝕性強(qiáng)，降低了生產(chǎn)成本，由于其良好的經(jīng)濟(jì)性能在很多領(lǐng)域取代了昂貴的鈦合金，目前正成為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研制和開發(fā)的重要熱點(diǎn)。

1 超高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展和發(fā)展現(xiàn)狀

超高強(qiáng)鋁合金化學(xué)成分復(fù)雜，一般將強(qiáng)度在500 MPa以上的鋁合金稱為超高強(qiáng)度鋁合金。超高強(qiáng)度鋁合金主要是指7 000系中的某些Al-Zn-Mg-Cu合金。

因超高強(qiáng)鋁合金涉及航空航天這一敏感領(lǐng)域而涉密，故針對(duì)該專題的核心內(nèi)容報(bào)道較少，資料分散。本文在查閱大量國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，概述了超高強(qiáng)鋁合金的鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)[4~5]。

1.1 國外研究和發(fā)展?fàn)顩r

超高強(qiáng)度鋁合金主要是以1923~1926年德國科學(xué)家W.Sander和L.Meissner對(duì)Al-Zn-Mg合金的研究為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，但由于該系合金存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象而未得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)中期，通過在合金中添加Mn、Cr、Ti等微量元素提高抗應(yīng)力腐蝕性能，美國、前蘇聯(lián)相繼開發(fā)出7075合金和B95高強(qiáng)鋁合金，用于制造飛機(jī)部件，并著手研究超高強(qiáng)鋁合金。20世紀(jì)90年代，美國、英國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，利用先進(jìn)的噴射成形技術(shù)開發(fā)了含Zn達(dá)8%以上的新一代超高強(qiáng)鋁合金，用于制造交通運(yùn)輸領(lǐng)域強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件。

目前全世界已開發(fā)了數(shù)十種不同成分標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的7000系鋁合金產(chǎn)品，相應(yīng)的合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)工藝更達(dá)數(shù)百種之多。

1.2 國內(nèi)研究和發(fā)展?fàn)顩r

國內(nèi)超高強(qiáng)鋁合金的研究開發(fā)起步較晚。20世紀(jì)80年代初，東北輕合金加工廠和北京航空材料研究所開始研制Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金。

目前，我國在普通7000系鋁合金的生產(chǎn)和應(yīng)用方面已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，主要包括7075、7050、7175等，用于航空器的某些結(jié)構(gòu)件的制造。90年代中期，北京航空材料研究所采用常規(guī)半連續(xù)鑄造法試制成功了7A55超高強(qiáng)鋁合金，近年來又開發(fā)了強(qiáng)度更高的7A60合金。“九五”期間，北京有色金屬研究總院和東北輕合金加工廠開展了采用噴射成形工藝研發(fā)含Zn量更高的超高強(qiáng)鋁合金。

2 超高強(qiáng)鋁合金的研究和發(fā)展趨勢(shì)

隨著超高強(qiáng)鋁合金技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，其研究主要發(fā)展趨勢(shì)為：

2.1 鋁熔體凈化技術(shù)

對(duì)除氣、除渣工藝進(jìn)行改進(jìn)，使鑄錠品質(zhì)提高。鋁熔體的凈化對(duì)于提高鋁合金的性能，特別是斷裂韌性十分有利。熔體凈化方法有兩種：

（1）采用高純度的工業(yè)原料，減少Fe、Si金屬間化合物含量，以提高合金的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度，該方法有效性高但成本大，經(jīng)濟(jì)性較差；

（2）先將雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)相化合物，然后再將化合物分離、去除，其缺點(diǎn)是帶來鋁液的大量消耗。

目前的研究重點(diǎn)主要是在鋁合金熔體中形成雜質(zhì)的金屬間化合物和堿土金屬氧化物，然后采用鹵化工藝分離。

2.2 超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)化技術(shù)

超高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Cu系合金包括主合金元素Zn、Mg、Cu和微量元素Zr以及雜質(zhì)元素Fe和Si。超高強(qiáng)鋁合金的合金化技術(shù)的主要研究方向是：

（1）在Zn含量較高的合金中加入2%~3%的Cu，能同時(shí)提高強(qiáng)度、塑性、耐蝕性和重復(fù)加載抗力；

（2）超高強(qiáng)鋁合金一般添加0.05%~0.15%的Zr，可顯著細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒具有強(qiáng)烈抑制熱加工過程中再結(jié)晶的作用；

（3）控制Fe和Si等有害雜質(zhì)的含量和低合金的斷裂韌性。

2.3 熱處理強(qiáng)化技術(shù)

高強(qiáng)鋁合金熱處理包括均勻化、固溶淬火、時(shí)效等工藝。鋁合金的強(qiáng)化熱處理通過淬火和隨后的時(shí)效實(shí)現(xiàn)。其中，時(shí)效處理對(duì)高強(qiáng)鋁合金性能影響最大。

合金強(qiáng)度主要取決于基體析出相的尺寸與分布，抗應(yīng)力腐蝕性能力主要取決于晶間析出相及晶界狀態(tài)。7 000系合金采用人工時(shí)效可獲得穩(wěn)定的性能和很高的強(qiáng)度。

3 高強(qiáng)鋁合金鑄造裝備及其控制系統(tǒng)

3.1 復(fù)合電磁場控制系統(tǒng)

復(fù)合電磁場控制系統(tǒng)是一種應(yīng)用于鑄造技術(shù)，集機(jī)械、電氣、鑄造和加工工藝等多學(xué)科和新技術(shù)于一體的新型控制系統(tǒng)。復(fù)合磁場控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為：利用矩陣變換器設(shè)計(jì)功率電路；控制復(fù)合磁場，使得由功率電路為電磁鑄造裝置提供輸出電流是可控的；通過設(shè)計(jì)空間矢量調(diào)制的雙級(jí)式矩陣變換技術(shù)的電流波形閉環(huán)控制方案，使輸出電流跟蹤給定函數(shù)的變化。

3.2 鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)

連續(xù)鑄造設(shè)備控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到連續(xù)鑄造坯的質(zhì)量。連續(xù)鑄造過程的自動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗，從而可以提高連續(xù)鑄造生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來隨著電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多大型的連續(xù)鑄造設(shè)備都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全在線控制，從而減少了操作錯(cuò)誤帶來的損失，提高了操作的安全性，同時(shí)大大提高了鑄錠的品質(zhì)。

4 結(jié)束語

本文在研究了國內(nèi)外超高強(qiáng)鋁合金研究和發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，從鋁熔體凈化技術(shù)、合金化強(qiáng)化技術(shù)和微觀組織結(jié)構(gòu)等三個(gè)方面分析和提出了超高強(qiáng)鋁合金的研究和發(fā)展趨勢(shì)。高強(qiáng)鋁合金鑄造裝備控制技術(shù)是進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新的核心問題，本文最后對(duì)高強(qiáng)鋁合金鑄造裝備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。

[1]張永安，熊柏青，韋 強(qiáng)，等.噴射成形制備Al2Zn2Mg2Cu系高強(qiáng)高韌鋁合金的研究[J].稀有金屬，2002，26(6):426-427.

[2]Liu Xiaotao,Cui Jianzhong,Wang Engang,etc.Influence of a low-frequency electromagnetic field on precipitation behavior of a high strength aluminum alloy[J].Mater Sci Eng A,2005（402）:1-3.

[3]Desanctis M.Structure and properties of rapidly solidified ultrahigh strength Al2Zn2Mg2Cu alloys produced by spray deposition[J].Materi2als Science&Engineering A,1991,141(1):103-121.

[4]劉靜安.國內(nèi)外鋁加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[M].重慶：中國科技文獻(xiàn)出版社，1989.

[5]李念奎.超高強(qiáng)度鋁合金的研究和進(jìn)展[C].北京:鋁加工高新技術(shù)文集，2000，460-474.