5A90鋁鋰合金真空熔煉技術研究

盧健，陸政，楊天，賀靜怡

（中國航空綜合技術研究所，北京，100028）

1 前言

鋰是自然界最輕的金屬，密度僅為0.534g/cm3。在鋁合金中加入鋰元素，可以明顯降低合金密度，同時可以大幅提升鋁合金的彈性模量。研究表明，在鋁合金中每添加1%的鋰，可降低合金密度3%，提升彈性模量6%[1]。鋁鋰合金這種輕質高模量的特點特別適用于航空航天領域，應用的主要目標是滿足先進飛行器機體結構對于減重的需求以及保型高剛度零部件制造的需求。

從鋁鋰合金的誕生到現在已經經歷了三代，第一代鋁鋰合金典型的有美國的2020蘇聯的ВАд23，研發的主要思想是航空減重，但由于這一代鋁鋰合金塑性韌性水平低，未能得到廣泛應用；第二代鋁鋰合金是最早實用化的鋁鋰合金，主要有5A90合金（即前蘇聯01420）、美國Alcoa的2090合金、英國Alcan的8090合金等，并在F-15、EH101、Mig-29、Su-27等飛機上得到了初步的應用，其設計思想是以輕質鋁鋰合金對傳統鋁合金進行等強度替換，雖然第二代鋁鋰合金具有極佳的減重效能，但由于鋰含量高，在使用中發現存在著明顯的各向異性和缺口敏感性，且塑性水平不高，正逐步被第三代高韌耐損傷鋁鋰合金所替代，材料設計思想也逐步過渡到損傷容限設計，較好地解決了鋁鋰合金的耐損傷問題，甚至在A380等先進客機中得到了廣泛的應用，典型第二、三代鋁鋰合金的成份見表1。

由于金屬鋰具有極高的化學活性，常溫下極易氧化甚至燃燒，在熔煉溫度下性能更加活潑，因此熔煉技術一直是鋁鋰合金的研發的關鍵技術，由表1可見，雖然5A90作為第二代鋁鋰合金，但其鋰含量甚至超過了第三代鋁鋰合金鋰含量典型值的兩倍，性能活潑的鎂元素含量甚至超過第三代鋁鋰合金典型值的10倍以上，也遠超過了同為第二代的8090鋁鋰合金。

由于5A90鋁鋰合金中含有極高的鎂鋰等活性元素，這使得5A90合金不但具有強烈的高溫易氧化傾向，容易形成氧化夾雜，同時還有強烈的與水蒸氣反應的吸氫傾向，極易導致氣孔、白點、氫脆等冶金缺陷，而冶金缺陷是導致材料疲勞斷裂形核的主要因素[3]。另一方面，由于5A90合金含鋰量高，熔煉中使用的金屬鋰中不可避免會存在較多的同族鈉、鉀等堿金屬雜質，這些雜質會顯著降低合金的強度韌性等關鍵性能，必須對其含量嚴格控制。在技術規范中對5A90鋁鋰合金雜質要求見表2。

綜上所述，雖然5A90合金是相對較早的第二代鋁鋰合金，但對化學成分的限制是非常嚴格的，而且由于主合金元素易燒損，成分控制難度大，各種雜質元素進入熔體渠道多，對合金性能的影響大。這導致從冶煉難度上，5A90鋁鋰合金制備工藝技術的要求甚至遠超過了2195等典型的第三代鋁鋰合金。該合金完全無法在常規的大氣環境下熔煉、甚至在惰性氣體保護條件下熔煉的效果也不佳，其氫、鈉、鉀等雜質元素的控制情況不理想，無法全面滿足航空航天領域的使用要求。因此5A90合金的熔煉技術可以說是諸多鋁鋰合金熔煉技術中的技術難度最大的，技術水平最高的。

在這種情況下，課題組探索并使用了真空熔煉工藝，通過各種工藝試驗摸清了中試規模下5A90鋁鋰合金真空熔煉的工藝參數，有效地突破了5A90鋁鋰合金真空熔煉技術，較好地保障了材料的主合金元素成分并有效控制了雜質，完成了中試規模下5A90鋁鋰合金的制備，通過真空熔煉技術制備的5A90鋁鋰合金具有較好的材料特性及工藝特性，通過中試條件摸出的技術參數具有良好的推廣應用前景。

表1 典型的第二、三代鋁鋰合金化學成分

表2 5A90鋁鋰合金對雜質的要求

2 5A90鋁鋰合金的真空熔煉

2.1 真空熔煉工藝研究

與常規鋁合金不同，使用常規的六氯乙烷精煉+二氧化鈦緩釋/造渣的方法，會與5A90合金的熔體發生劇烈的反應，容易導致鎂、鋰等合金元素的不可控燒損，甚至影響安全生產。因此在本研究中采取了惰性氣體熔煉法+真空二次精煉+半連續鑄造的工藝，在大氣環境下使用惰性氣體完成初步熔煉，由于需消除的氫、鈉、鉀等雜質元素在熔體中大都以游離態存在，且其蒸氣壓與溫度及真空度密切相關[4]，再經由真空精煉消除氫、鈉、鉀等雜質元素，熔煉、精煉和鑄造的實施過程示意見圖1。

5A90鋁鋰合金真空熔煉鑄造示意見圖2。

圖1 5A90鋁鋰合金的熔煉和鑄造

圖2 5A90鋁鋰合金真空熔煉鑄造示意

2.2 熔煉工藝氫、堿金屬雜質及合金元素的影響

在真空熔煉的條件下一定的真空度下，鋁合金熔體會產生輕微的“沸騰”現象，游離狀態的氫及鈉鉀等堿金屬雜質將會從熔體內揮發而出，但對于5A90合金而言，這個工藝實施難度要大很多：

5A90鋁鋰合金屬于5XXX系合金，其主要合金強化元素是飽和蒸氣壓較高的鎂元素，比其他2XXX系、7XXX系鋁合金容易揮發得多，而在此基礎上，5A90鋁鋰合金還含有大量飽和蒸氣壓更高的鋰元素，這就使得在真空條件下，一旦處理不當，鎂、鋰等主要強化元素會隨著真空除氣工藝的實施，一并被“處理”掉，因此5A90鋁鋰合金真空熔煉的工藝“窗口”比其他鋁合金窄得多：

當真空度過低，真空精煉時間過短，會導致合金中游離氫和鈉鉀等堿金屬雜質不能充分析出，這些雜質元素殘余在熔體中對5A90鋁鋰合金的拉伸性能、斷裂性能將會造成顯著的不良影響；

而當真空度過高，真空精煉時間過長時，雖然能夠有效去除氫及鈉、鉀等堿金屬雜質，但也會造成鎂、鋰等合金強化主元素的蒸發損失，導致合金化學成分失控，力學性能下降。

因此，保持合理的真空熔煉工藝參數，包括熔體溫度、真空熔煉時間、真空度等，是實施真空熔煉的基礎。

通過工藝試驗，在不同真空度，不同真空精煉時間下，對5A90鋁鋰合金真空精煉的對氫含量的影響見圖3，鈉鉀等堿金屬與真空度、真空精煉時間的關系，與之基本相同。

可見，在真空度1000Pa條件下，經過5分鐘的真空精煉，即能夠將氫含量控制在比較理想的范圍的內（≤0.5Ug/g），若想進一步降低氫雜質的影響，需要進一步提高真空度并延長真空精煉時間，但這樣會造成鎂、鋰等合金元素的損失加劇。

圖3 不同真空度及真空精煉時間下，5A90鋁鋰合金中的氫含量

通過試驗研究后，課題組選取了適當的真空精煉參數，明確了真空精煉的工藝，在有效除氫及堿金屬雜質的同時，也最大程度的保留了鎂、鋰等有效合金強化元素，堿金屬雜質元素去除和易燒損合金元素情況詳見表3。

表3 真空精煉前后堿金屬雜質元素和易燒損合金元素的變化

2.3 真空熔煉法制備的5A90鋁鋰合金

通過以上熔煉步驟的制備的5A90合金熔體，在惰性氣體保護條件下通過水冷式半連續鑄造法制備出ФXX鑄錠見圖4，可見，外觀質量良好，無冷隔、熱裂等鑄造缺陷，鑄錠的低倍組織見圖5，未發現氣孔、粗晶等組織缺陷

表4 5A90鋁鋰合金鑄錠化學分析結果（質量分數）

圖4 鑄錠低倍組織

圖5 5A90鋁鋰合金型材

圖6 5A90鋁鋰合金型材高倍組織

表5 真空熔鑄法制備的5A90鋁鋰合金板材和型材的典型力學性能

真空熔煉法制備的5A90鋁鋰合金，其化學成分分析結果見表4。

可見通過真空熔煉的5A90鋁鋰合金，其化學成分完全達到了相關材料規范要求，在很好保留鎂鋰等易燒損的主合金元素的同時，氫、鈉、鉀等雜質元素得到了有效的控制。

5A90鋁鋰合金是一種變形鋁合金，合金鑄錠無法直接用于零件的制造，必須通過熱加工手段制成相應的產品才能供貨，其材料品種主要是擠壓型材和冷軋板材，5A90鋁鋰合金鑄錠可通過鍛壓開坯，熱軋、冷軋、滾光矯正制備成1.5-6mm厚的薄板，或通過正向擠壓制備成擠壓型材，板材外觀質量良好，型材無縮尾翹曲等缺陷。擠壓型材見圖5。

板型材制成零部件的最終熱出狀態為固溶空冷+人工時效（T6K）。經過熱處理后的5A90鋁鋰合金型材的高倍組織見圖6，未見過燒及粗大再結晶等熱加工、熱處理缺陷

T6K熱處理狀態下，5A90鋁鋰合金型材和板材的力學性能見表5。

綜上所述，通過真空熔煉制備的5A90鋁鋰合金材料，化學成分均穩定在相關區間內，擁有較好的材料性能及冷熱加工工藝性，能夠滿足航空航天領域中對輕質中強合金的需求。

3 結論

1.5A90鋁鋰合金雖然屬于第二代鋁鋰合金，但由于主強化元素是活潑的鋰元素和鎂元素，非常容易吸氫氧化，熔煉技術難度大，工藝實施窗口窄；

2.通過采取真空熔煉技術，合理制定真空熔煉工藝，可以在最大限度保留5A90鋁鋰合金的合金元素的同時，有效地去除鈉、鉀、氫等雜質元素。

3.采用真空熔煉技術制備的5A90鋁鋰合金鑄錠外觀質量、冶金質量、性能指標、工藝性指標等，能夠用于生產薄板及型材等品種的原材料，并進而滿足航空航天等相關領域零部件的制造需求。