[发明专利]一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金扁锭的方法

说明书

本发明涉及金属铸造技术领域，提供了一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金扁锭的方法。本发明在立式直冷半连铸制备大规格7XXX系铝合金扁锭的过程中，创新性地在结晶器内引入四源超声辅助半连续铸造，通过对称布置超声源，并控制超声源的布置位置，最大程度地发挥四源超声场对熔体的协同强化处理，进一步通过科学合理地控制各超声源辐射杆的浸入深度、超声波频率、功率等参数促进熔体流场与温度场分布的均匀性，促进元素的扩散、细化铸锭组织与改善偏析，得到高品质的大规格7XXX系铝合金扁锭；并且本发明属于外加物理能场技术，不需要对已有生产工艺设备进行变动，具有绿色环保、操作便捷、投入成本低、生产效率高等优点。

技术领域

本发明涉及金属铸造技术领域，特别涉及一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金扁锭的方法。

背景技术

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。整体锻成形的各种构件如美国F-102歼击机的7075铝合金整体大梁精锻件(长3.2m)，商用飞机A380的7085铝合金翼梁(尺寸达到6.4m×1.9m)，7055铝合金机翼上壁板(长达33m，最宽处达2.8m)等，这些构件的坯料均需一定规格的7050、7055铝合金扁锭，用来生产合金板材，根据锻造比计算得到制造上述大尺寸的航空构件至少需要宽度1100mm、厚度在400mm以上的大规格、高品质扁锭。相较于同当量规格的铝合金圆锭，目前，大规格7XXX系超高强铝合金扁锭锭的成形效率较高，一般不会存在铸锭开裂、表层冷隔严重等问题。但大规格扁锭的内部质量仍然存在较大问题，导致许多飞机结构件的7XXX系铝合金材料依赖进口。大规格铝合金扁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。

目前，铝合金扁锭的生产工艺普遍采用的是立式直接水冷半连续铸造(VerticalDire Chill Casting)，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合金熔体通过浇铸系统注入一个半封闭的铸模中，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装置匀速拉出，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，如在制造大规格扁锭时，由于在宽度和厚度方向上熔体温度场与流场的均匀性不易控制，铸锭组织与成分的方向差异性较大，这种各向差异性会一直遗传到后续构件的制造中，难以消除。为了制造优质的大型铸锭，许多学者研究了通过在铸造的过程中，向铸锭中施加外场的方式来调控铸锭凝固过程、提升铸锭质量，如电磁场，超声场等。实验室的研究证明在熔体中施加超声处理可以显著改善凝固质量，但对于大型扁锭的工业化制造，由于生产条件对于超声振动系统等设备在高温下的持续稳定工作能力、以及多个超声源的参数的匹配提出了更为严苛的要求，文献报导的多是实验室基础研究或是局限在对小型圆铸锭超声波辅助半连铸的工业实验，所用的超声振动源至多为2套，不能满足大规格7XXX系铝合金扁锭的铸造要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金扁锭的方法，本发明提供的方法在半连铸过程中同时运用4套超声振动系统，实现高品质大规格7XXX铝合金扁锭的铸造。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种多源超声波辅助半连铸制备大规格7XXX系铝合金扁锭的方法，包括以下步骤：