超高强铝合金铸造技术及装备控制系统的发展

（东风本田发动机有限公司 铸造科，广东 广 州 5 10700）

超高强铝合金是航空航天工业中主要的结构材料，其具有密度低、强度高、热加工性能好等优点，是20世纪60年代以该领域的用材为背景研制并发展起来的一类高性能铝合金材料[1]。

由于现代航空航天工业的发展，对高强铝合金的强度和综合性能提出了更高的要求。因此，材料工作者正不断采用新型的铸造技术，通过改变合金的成分进行优化设计，而且采用新型的制坯方法、成形加工及热处理工艺，研制并开发出了多种新型超高强铝合金[2~3]。这些材料使用性能更好，韧性和耐腐蚀性强，降低了生产成本，由于其良好的经济性能在很多领域取代了昂贵的钛合金，目前正成为轻质结构材料研制和开发的重要热点。

1 超高强铝合金的发展和发展现状

超高强铝合金化学成分复杂，一般将强度在500 MPa以上的铝合金称为超高强度铝合金。超高强度铝合金主要是指7 000系中的某些Al-Zn-Mg-Cu合金。

因超高强铝合金涉及航空航天这一敏感领域而涉密，故针对该专题的核心内容报道较少，资料分散。本文在查阅大量国内外资料的基础上，概述了超高强铝合金的铸造技术及装备控制系统在国内外的发展现状及未来趋势[4~5]。

1.1 国外研究和发展状况

超高强度铝合金主要是以1923~1926年德国科学家W.Sander和L.Meissner对Al-Zn-Mg合金的研究为基础发展起来的，但由于该系合金存在严重的腐蚀现象而未得到实际应用。20世纪中期，通过在合金中添加Mn、Cr、Ti等微量元素提高抗应力腐蚀性能，美国、前苏联相继开发出7075合金和B95高强铝合金，用于制造飞机部件，并着手研究超高强铝合金。20世纪90年代，美国、英国、日本等工业发达国家，利用先进的喷射成形技术开发了含Zn达8%以上的新一代超高强铝合金，用于制造交通运输领域强度高、抗腐蚀性能好的高应力结构件。

目前全世界已开发了数十种不同成分标准牌号的7000系铝合金产品，相应的合金热处理标准工艺更达数百种之多。

1.2 国内研究和发展状况

国内超高强铝合金的研究开发起步较晚。20世纪80年代初，东北轻合金加工厂和北京航空材料研究所开始研制Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。

目前，我国在普通7000系铝合金的生产和应用方面已进入实际应用阶段，主要包括7075、7050、7175等，用于航空器的某些结构件的制造。90年代中期，北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制成功了7A55超高强铝合金，近年来又开发了强度更高的7A60合金。“九五”期间，北京有色金属研究总院和东北轻合金加工厂开展了采用喷射成形工艺研发含Zn量更高的超高强铝合金。

2 超高强铝合金的研究和发展趋势

随着超高强铝合金技术的不断发展和改进，其研究主要发展趋势为：

2.1 铝熔体净化技术

对除气、除渣工艺进行改进，使铸锭品质提高。铝熔体的净化对于提高铝合金的性能，特别是断裂韧性十分有利。熔体净化方法有两种：

（1）采用高纯度的工业原料，减少Fe、Si金属间化合物含量，以提高合金的断裂韧性和疲劳强度，该方法有效性高但成本大，经济性较差；

（2）先将杂质转变为复相化合物，然后再将化合物分离、去除，其缺点是带来铝液的大量消耗。

目前的研究重点主要是在铝合金熔体中形成杂质的金属间化合物和碱土金属氧化物，然后采用卤化工艺分离。

2.2 超高强铝合金强化技术

超高强Al-Zn-Mg-Cu系合金包括主合金元素Zn、Mg、Cu和微量元素Zr以及杂质元素Fe和Si。超高强铝合金的合金化技术的主要研究方向是：

（1）在Zn含量较高的合金中加入2%~3%的Cu，能同时提高强度、塑性、耐蚀性和重复加载抗力；

（2）超高强铝合金一般添加0.05%~0.15%的Zr，可显著细化合金的铸态晶粒具有强烈抑制热加工过程中再结晶的作用；

（3）控制Fe和Si等有害杂质的含量和低合金的断裂韧性。

2.3 热处理强化技术

高强铝合金热处理包括均匀化、固溶淬火、时效等工艺。铝合金的强化热处理通过淬火和随后的时效实现。其中，时效处理对高强铝合金性能影响最大。

合金强度主要取决于基体析出相的尺寸与分布，抗应力腐蚀性能力主要取决于晶间析出相及晶界状态。7 000系合金采用人工时效可获得稳定的性能和很高的强度。

3 高强铝合金铸造装备及其控制系统

3.1 复合电磁场控制系统

复合电磁场控制系统是一种应用于铸造技术，集机械、电气、铸造和加工工艺等多学科和新技术于一体的新型控制系统。复合磁场控制系统的设计要求为：利用矩阵变换器设计功率电路；控制复合磁场，使得由功率电路为电磁铸造装置提供输出电流是可控的；通过设计空间矢量调制的双级式矩阵变换技术的电流波形闭环控制方案，使输出电流跟踪给定函数的变化。

3.2 铸造设备控制系统

连续铸造设备控制系统的好坏直接关系到连续铸造坯的质量。连续铸造过程的自动化可以实现生产过程的优质、高产、低耗，从而可以提高连续铸造生产的经济效益和社会效益。近年来随着电子技术以及计算机技术的发展，很多大型的连续铸造设备都已经实现了全在线控制，从而减少了操作错误带来的损失，提高了操作的安全性，同时大大提高了铸锭的品质。

4 结束语

本文在研究了国内外超高强铝合金研究和发展状况的基础上，从铝熔体净化技术、合金化强化技术和微观组织结构等三个方面分析和提出了超高强铝合金的研究和发展趋势。高强铝合金铸造装备控制技术是进行改进创新的核心问题，本文最后对高强铝合金铸造装备及其控制系统进行了系统的分析和研究。

[1]张永安，熊柏青，韦 强，等.喷射成形制备Al2Zn2Mg2Cu系高强高韧铝合金的研究[J].稀有金属，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]刘静安.国内外铝加工技术的发展现状与趋势[M].重庆：中国科技文献出版社，1989.

[5]李念奎.超高强度铝合金的研究和进展[C].北京:铝加工高新技术文集，2000，460-474.