2195 铝锂合金真空感应熔炼工艺研究

李爱文，张 帅，曹俊生，王海军

（贵州航天新力科技有限公司，贵州遵义 563000）

铝锂合金因为其高比强度、低密度、优异的低温性能以及良好的耐腐蚀性能，在航空航天领域拥有巨大的应用前景[1-3]。而在众多的铝锂合金中，2195 铝锂合金的应用较为广泛。但是由于Li 元素的加入，使得2195 铝锂合金密度降低的同时，也导致了在熔炼过程中H 元素以及Na、K、Ca 等与Li 同族的金属杂质的混入，从而降低铝锂合金的塑性[4，5]。如何在保证Na、K、Ca 等杂质元素尽可能少的同时，确保Li 元素的含量合格是一个关键。在真空熔炼过程中，真空度过高或者过低，熔炼时间的长短都会对材料中的化学成分产生重大影响。为了有效降低2195 铝锂合金中的H 元素以及Na、K、Ca 等金属杂质的含量，制备出性能成分均达标的2195 铝锂合金，以满足在航空航天领域的性能要求，对2195 铝锂合金的真空感应熔炼工艺进行探究，研究真空度以及熔炼时间等工艺参数对材料化学成分的影响。

1 实验

实验以2195 合金为研究对象，其合金成分如表1 所示。熔炼过程中，真空度1 000 Pa，真空熔炼时间分别为5 min、10 min、15 min 材料中H、Li、Mg合金元素和Na、Ca 杂质元素的含量用ICP 发射光谱仪测试分析。

表1 2195 铝锂合金化学成分（质量分数，%）

2 结果与讨论

2.1 真空除氢规律

真空度1 000 Pa 时，选择不同的时间进行熔炼处理，2195 铝锂合金中H 含量的变化如图1 所示。图1 表明，在1 000 Pa 时，熔炼5 min 即可以获得良好的除氢效果，含氢质量分数为6×10-6%，随着熔炼时间的延长，合金中的H 含量进一步降低，当熔炼时间为15 min 时，H 的质量分数为1×10-6%.

图1 真空度1 000 Pa 时精炼时间对2195 铝锂合金中H 含量的影响

2.2 化学成分变化规律

在铝锂合金中，Li 和Mg 两个元素由于化学性质很活泼，在真空熔炼时易挥发烧损，从而导致合金中的化学成分变化过大，不易控制。为了研究熔炼时间对Li 和Mg 两个元素含量的影响，对不同熔炼时间的合金试样进行了化学成分分析。当真空度为1 000 Pa 时，Li 和Mg 含量随精炼时间的变化如图2 所示。

图2 真空度1 000 Pa 时精炼时间对2195 铝锂合金中Li 和Mg 含量的影响

结果表明，随着精炼时间的延长，合金中的Li元素含量逐渐减少；相对于Li 元素，合金中Mg 的损失量较低，基本没有Mg 在精炼过程中被烧损，Mg元素含量保持一个稳定的值。

2.3 杂质元素变化规律

Ca 和Na 等杂质元素在合金中大量存在会导致材料的韧性降低，这些碱性杂质元素通常分布于晶界处或晶内的夹杂处。减少Ca 和Na 等杂质元素含量有利于提高合金的韧性。图3 为真空度1 000 Pa时，熔炼时间对Na、Ca 杂质无素含量的影响。表明随着精炼时间的增加，Ca 和Na 的含量都随之减少，真空精炼除去了大部分的Ca 和Na 元素。

图3 真空度1 000 Pa 时精炼时间对2195 铝锂合金中Na 和Ca 含量的影响

在真空精炼过程中，Ca 和Na 等杂质元素的挥发率要高于Li 和Mg.当真空度较低，精炼时间过短时，虽然也出现了金属液与液面之上的环境的分压差，但由于分压差过小、时间太短，会导致合金中的Ca 和Na 等杂质元素难以析出，残留于合金中将降低合金的性能。而真空度过高，精炼时间过长，虽然能有效地去除Ca 和Na 等杂质元素，同时，也会减少Li 和Mg 含量，使得成分不达标。所以真空度为1 000 Pa，精炼时间为15 min 时，可以除去合金中的大部分Ca 和Na 等杂质元素，而又不至于损失过多的Li 和Mg 元素。

2.4 金相组织

选择确定的精炼工艺进行熔炼，得到2195 合金圆柱形铸锭，在铸锭的头部（顶部）和尾部（底部）分别取样，测得微观组织如图4 所示。铸锭头部组织呈明显的树枝晶特征，且头部树枝晶尺寸较大，呈连续而密集的枝晶网状结构，尾部的树枝晶尺寸较小，这是由于尾部合金温度梯度较低，冷却速度较小造成的。此外，从高倍金相图中看出，合金中存在大量的结晶相和组织成分偏析，晶粒内部和晶界上富集着许多非平衡共晶体和其他非平衡相。图5所示为经均匀以退火后的金相组织。经490 ℃×40 h均匀化处理后，枝晶网络状组织大量减少，晶界变得清晰平直，晶界和晶内共晶相数量减少，说明合金均匀化效果明显。晶界析出相由铸态的连续分布变得离散，晶界变细薄，说明铸态组织中沿晶界可分布的共晶相回溶至基体。

图4 2195 铝锂合金的铸态组织

图5 2195 铝锂合金铸锭经均匀化退火后不同位置金相组织图

3 结论

通过实验研究不同的精炼时间对2195 铝锂合金中的H 含量、化学成分和杂质元素含量的影响，主要结论如下：

1）真空熔炼工艺有良好的除H 效果，使合金中的H 质量分数降低到0.1×10-6%；

2）真空度为1 000 Pa，精炼时间为15 min 时，真空精炼既可以除去2195 铝锂合金中的大部分Na、Ca 等杂质元素，还可以保持Li 和Mg 元素的含量在合理的范围。