李愛文，張 帥，曹俊生，王海軍

（貴州航天新力科技有限公司，貴州遵義 563000）

鋁鋰合金因為其高比強度、低密度、優(yōu)異的低溫性能以及良好的耐腐蝕性能，在航空航天領域擁有巨大的應用前景[1-3]。而在眾多的鋁鋰合金中，2195 鋁鋰合金的應用較為廣泛。但是由于Li 元素的加入，使得2195 鋁鋰合金密度降低的同時，也導致了在熔煉過程中H 元素以及Na、K、Ca 等與Li 同族的金屬雜質的混入，從而降低鋁鋰合金的塑性[4，5]。如何在保證Na、K、Ca 等雜質元素盡可能少的同時，確保Li 元素的含量合格是一個關鍵。在真空熔煉過程中，真空度過高或者過低，熔煉時間的長短都會對材料中的化學成分產生重大影響。為了有效降低2195 鋁鋰合金中的H 元素以及Na、K、Ca 等金屬雜質的含量，制備出性能成分均達標的2195 鋁鋰合金，以滿足在航空航天領域的性能要求，對2195 鋁鋰合金的真空感應熔煉工藝進行探究，研究真空度以及熔煉時間等工藝參數(shù)對材料化學成分的影響。

1 實驗

實驗以2195 合金為研究對象，其合金成分如表1 所示。熔煉過程中，真空度1 000 Pa，真空熔煉時間分別為5 min、10 min、15 min 材料中H、Li、Mg合金元素和Na、Ca 雜質元素的含量用ICP 發(fā)射光譜儀測試分析。

表1 2195 鋁鋰合金化學成分（質量分數(shù)，%）

2 結果與討論

2.1 真空除氫規(guī)律

真空度1 000 Pa 時，選擇不同的時間進行熔煉處理，2195 鋁鋰合金中H 含量的變化如圖1 所示。圖1 表明，在1 000 Pa 時，熔煉5 min 即可以獲得良好的除氫效果，含氫質量分數(shù)為6×10-6%，隨著熔煉時間的延長，合金中的H 含量進一步降低，當熔煉時間為15 min 時，H 的質量分數(shù)為1×10-6%.

圖1 真空度1 000 Pa 時精煉時間對2195 鋁鋰合金中H 含量的影響

2.2 化學成分變化規(guī)律

在鋁鋰合金中，Li 和Mg 兩個元素由于化學性質很活潑，在真空熔煉時易揮發(fā)燒損，從而導致合金中的化學成分變化過大，不易控制。為了研究熔煉時間對Li 和Mg 兩個元素含量的影響，對不同熔煉時間的合金試樣進行了化學成分分析。當真空度為1 000 Pa 時，Li 和Mg 含量隨精煉時間的變化如圖2 所示。

圖2 真空度1 000 Pa 時精煉時間對2195 鋁鋰合金中Li 和Mg 含量的影響

結果表明，隨著精煉時間的延長，合金中的Li元素含量逐漸減少；相對于Li 元素，合金中Mg 的損失量較低，基本沒有Mg 在精煉過程中被燒損，Mg元素含量保持一個穩(wěn)定的值。

2.3 雜質元素變化規(guī)律

Ca 和Na 等雜質元素在合金中大量存在會導致材料的韌性降低，這些堿性雜質元素通常分布于晶界處或晶內的夾雜處。減少Ca 和Na 等雜質元素含量有利于提高合金的韌性。圖3 為真空度1 000 Pa時，熔煉時間對Na、Ca 雜質無素含量的影響。表明隨著精煉時間的增加，Ca 和Na 的含量都隨之減少，真空精煉除去了大部分的Ca 和Na 元素。

圖3 真空度1 000 Pa 時精煉時間對2195 鋁鋰合金中Na 和Ca 含量的影響

在真空精煉過程中，Ca 和Na 等雜質元素的揮發(fā)率要高于Li 和Mg.當真空度較低，精煉時間過短時，雖然也出現(xiàn)了金屬液與液面之上的環(huán)境的分壓差，但由于分壓差過小、時間太短，會導致合金中的Ca 和Na 等雜質元素難以析出，殘留于合金中將降低合金的性能。而真空度過高，精煉時間過長，雖然能有效地去除Ca 和Na 等雜質元素，同時，也會減少Li 和Mg 含量，使得成分不達標。所以真空度為1 000 Pa，精煉時間為15 min 時，可以除去合金中的大部分Ca 和Na 等雜質元素，而又不至于損失過多的Li 和Mg 元素。

2.4 金相組織

選擇確定的精煉工藝進行熔煉，得到2195 合金圓柱形鑄錠，在鑄錠的頭部（頂部）和尾部（底部）分別取樣，測得微觀組織如圖4 所示。鑄錠頭部組織呈明顯的樹枝晶特征，且頭部樹枝晶尺寸較大，呈連續(xù)而密集的枝晶網(wǎng)狀結構，尾部的樹枝晶尺寸較小，這是由于尾部合金溫度梯度較低，冷卻速度較小造成的。此外，從高倍金相圖中看出，合金中存在大量的結晶相和組織成分偏析，晶粒內部和晶界上富集著許多非平衡共晶體和其他非平衡相。圖5所示為經(jīng)均勻以退火后的金相組織。經(jīng)490 ℃×40 h均勻化處理后，枝晶網(wǎng)絡狀組織大量減少，晶界變得清晰平直，晶界和晶內共晶相數(shù)量減少，說明合金均勻化效果明顯。晶界析出相由鑄態(tài)的連續(xù)分布變得離散，晶界變細薄，說明鑄態(tài)組織中沿晶界可分布的共晶相回溶至基體。

圖4 2195 鋁鋰合金的鑄態(tài)組織

圖5 2195 鋁鋰合金鑄錠經(jīng)均勻化退火后不同位置金相組織圖

3 結論

通過實驗研究不同的精煉時間對2195 鋁鋰合金中的H 含量、化學成分和雜質元素含量的影響，主要結論如下：

1）真空熔煉工藝有良好的除H 效果，使合金中的H 質量分數(shù)降低到0.1×10-6%；

2）真空度為1 000 Pa，精煉時間為15 min 時，真空精煉既可以除去2195 鋁鋰合金中的大部分Na、Ca 等雜質元素，還可以保持Li 和Mg 元素的含量在合理的范圍。