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对我国超高强铝合金铸造 技术及装备控制系统现状与发展的分析

高强度铝合金 (7XXX 系列 ) 是航空航天领域的主要结构材料,其具有密度低、强度高、热处理好等优点。随着现代航空航天工业的不断发展 , 对高强度铝合金的强度和综合性能也提出了更高的要求。因此 , 材料工作者不断采用新的铸造技术 , 改善铸造设备和控制系统,通过改变合金成分的优化设计,并采用阻塞的新方法 , 开发了各种新型超高强度铝合金。与国外相比,我国高强度铝合金的研究起步较晚,整体技术水平还不足以完善基本理论,技术和设备相对落后。为了缩短与国外的差距,赶上世界先进水平,高强度铝合金开发人员肩负重任。


1 对我国超高强铝合金铸造技术及装备控制系统现状的分析与认识


1.1 超高强铝合金铸造技术


1.1.1立式半连续铸造


半连续铸造工艺过程如图1 所示。

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采用半连续水冷铸造技术生产高强度铝合金板坯的优点是钢坯质量高,成型能力好,单机生产能力大。缺点是超高强度铝合金的两相区域更宽。其合金元素含量高 ( 超过合金总质量 14%)。大量合金元素以化合物和共晶相的形式存在于晶界,导致裂纹和偏析倾向严重。目前,美国 80% 的轧制产品都采用这种技术。Al-zn-m g-Cu 是一种具有水冷半连铸工艺的超高强度铝合金。


1.1.2 气滑铸造

气滑铸造是近年来铝合金半连铸的一种先进技术。原理是在浇铸过程中 ( 见图 2), 压缩空气和润滑油通过模具石墨环的内壁上形成气体膜石墨环 , 在金属液膜的约束下, 石油和天然气在结晶器凝固壳中,二次冷却水 ,形成铸锭。气滑铸造技术的优点是浇注速度快,铸造表面光滑。缺点是只能提高坯料的表面质量,而不能改善内部组织。高成本的生产是由于高成 本 的多 孔 石墨 结晶器和 产生蒸汽的油。华盛顿州的 Wagstaff公司开发了一种独特的空气SipTM 模 子的特性,以生产广泛的合金和高质量的钢锭。气滑锭的晶粒尺寸要比普通的热顶铸造薄得多。特别是“涡轮 CRT”系统可以用来改变浇注冷却水的水流和冷

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却能力。

1.1.3 电磁铸造 (EMC)

电磁铸造是使用电磁力来代替正常的半连铸方法来支持熔体,然后直接水冷却形成锭 ( 见图 3)。其工作原理为:当交流电通过感应线圈 6 I1,I2 铸锭中诱导液 5点, 在当前 I1 和 I2 要求产生磁场的液柱内外围 ( 不管如何交流电 ) 总是力 f。这就是所谓的“电磁压力”或“电磁推力”。

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1.2、高强铝合金铸造装备及其控制系统铝合金铸造设备及其控制系统包括铸造模具、铸造机和铸造设备控制系统。


1.2.1高强铝合金铸造结晶器根据铸造工艺,可将结晶器分为直接水冷 (DC)浇铸模具、热顶铸造模具和电磁铸造模具。直接冷连铸技术早已出现。所使用的结晶器的结构也相对简单,即通常由内套和外套组成,内套和内套是冷却水通道,见图 4。在高强度合金和超高强度铝合金结晶器的铸造中,有一个缝隙,主要用于防止侧裂。为了防止扁锭的裂纹,超高强度合金扁锭的宽度和厚度比控制在 4左右。

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a- 铸造实心圆满锭结晶器;b- 铸造空心圆满锭结晶器;c-扁锭结晶器1-芯子;2- 结晶体本体;3- 内套;4- 水套;5-二次冷却水;6- 铸锭


电磁铸造是一种采用电磁力代替结晶器的新型连铸方法。该结晶器是用来给传统的结晶器添加感应线圈和电磁屏蔽系统。


1.2.2 高强铝合金半连续铸造机

半连续铸造机包括:铸造平台、升降台、传动装置、铸锭底座、水冷系统。铝合金半连续铸造机的产量是 : 钢丝绳传动铸造机,螺旋传动铸造机 , 液压铸造机 , 链驱动铸造

机等。因为悬臂传输的特点和支持结构 , 螺杆铸造机不适合多个同时锭铸造。垂直半连续铸造机牵引动力可分为液压缸式、钢丝绳型和螺旋型。钢丝绳传动半连铸机和液压半连续铸造机,用于超高强度铝合金扁锭铸造设备。钢丝绳连铸机结构简单。但是由于钢丝绳的快速磨损,钢丝绳的牵引和浇铸速度较差,从而影响钢锭的质量。


1.2.3 铸造设备控制系统

连铸设备控制系统直接关系到连铸坯的质量。连铸工艺的自动化可以实现高质量、高产量、低消耗,提高连铸生产的经济效益和社会效益。早期的连铸设备通常简单的控制系统 ,如水晶液面控制系统、牵引装置控制系统等。近年来,随着电子技术和计算机技术的发展,许多大型连铸设备取得了全面的在线控制,一种新型的热顶铸造等瓦格斯塔夫公司没有准备,以及合适的zi Hazelett致命猎人公司,例如一些新的有色合金连铸和轧制设备。该控制系统的特点是:连续铸造和轧制设备的控制系统被称为 PIC(Properzi Integrated Control) 系统。该控制系统由 PIC 控制,实现了连铸过程的数字控制。它提供了一套完整的人机界面软件,实现了真正的在线控制 ( 在线控制 )。


2 积极采用先进的超高强铝合金铸造技术及装备控制系统,以促进其可持续发展高强度铝合金具有密度低、重量轻、化学成分复杂等特点。这是近年来我国轻质结构材料研究与开发中所研究的一种新型铝合金材料。它在中国航天工业中得到了广泛的应用。研究的发展主要有以下两部分:


2.1国外研究和发展状况

在研究铝锌镁合金的基础上,研制了高强度铝合金。但由于合金的耐蚀性较低,在实际工作中没有应用。随后,通过加入锰、铬、钛合金等微量元素,提高合金的抗应力性和耐蚀性,并首次应用于飞机零部件的制造。最后,一些西方工业发达国家已经开发出一种高强度铝合金,其含氮量高达 8%,采用喷雾技术,在运输中得到了广泛的应用。


2.2国内研究和发展状况

由于我国超高强度铝合金的开发和应用起步较晚,高强度铝合金的发展技术和铸造工艺并不完善。目前,我国所有铝合金产品均已进入实际应用阶段。这些合金中有几种是在航空航天的敏感领域制造的。近年来,由于中国高强度铝合金工人的不懈努力和创造,高强度铝合金将被开发。我相信在不久的将来,中


国的高强度铝合金业务将会迈向更高的台阶。

3 结语

虽然中国的航空航天工业提高了强度铝合金的强度和综合性能的要求,但是在我国,研究和技术仍处于高强度铝合金的发展时期。其整体水平相对落后,技术和基础理论不完善。为解决这些实际问题,应积极研究和探索,结合实际情况,改进金属材料,创新采用新堵法、成型和热处理工艺,研制出各种新型超高强度铝合金。


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