1.本发明属于铝合金铸造技术领域，具体涉及一种7000系超大规格铝合金铸锭的铸造方法。
2.
背景技术：
3.超硬铝合金为7000系al-zn-mg-cu系合金，并含有少量的zr。它是目前室温强度最高的一类铝合金，其抗拉强度达500~780mpa，比强度已相当于超高强度钢，故名超硬铝合金。超硬铝合金除了强度高外，韧性储备也很高，又具有良好的工艺性能，是飞机工业中重要的结构材料，多用来制造受力大的重要构建，如飞机大梁、接头、蒙皮、起落架和高强度的受压件。
4.而随着国内熔炼、除气、铸造等技术的进步及客户对产品的规格、性能的不断提高，对7000系al-zn-mg-cu系合金铸锭规格的要求越来越大，传统的中等规格已不能满足需要，迫切需要超大规格的铸锭（如圆锭或扁锭），但是随着铸锭规格的增大，其铸造时容易产生偏析、粗大晶粒、疏松、裂纹、粗大金属化合物、光亮晶、羽毛晶等冶金缺陷，铸造成型及冶金质量都难以保证。因此迫切需要研究超大规格7000系al-zn-mg-cu系合金铸锭的制备方法以满足市场需要。不仅如此，超大规格铸锭的宽厚比例一般较大，导致铸锭应力越大，采用传统的生产工艺铸锭成型困难，特别是开头容易出现大面裂纹或者底部开裂，导致目前超大规格铝合金铸锭的成品率低。
5.
技术实现要素：
6.为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种7000系超大规格铝合金铸锭的铸造方法。本发明通过原材料的选用、熔炼、炉内除气精炼、在线过滤、晶粒细化、半连续铸造等多方面进行改进，克服目前熔炼铸造技术的不足，提供一种能够改善铸锭质量、提高生产效率的方法，避免铸锭的应力集中，能够大幅度降低铸锭底部微裂纹扩展的倾向，提升铸锭的成型率，降低生产工艺的制备成本。
7.本发明中，术语“超大规格”如果没有特别的说明，均指520mm（厚度）
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1620mm（宽度）的7000系铝合金扁铸锭和/或直径1000mm的7000系铝合金圆铸锭。
8.本发明目的是通过如下技术方案实现的：一种7000系超大规格铝合金铸锭的铸造方法，所述方法包括如下步骤：（1）备料：按照7000系铝合金铸锭的配方成分进行配料，分别称取铝锭、锌锭、铝钛中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、镁锭作为原料；（2）熔炼：将步骤（1）中的铝锭、锌锭、铝钛中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、镁锭和氧化铝颗粒压入熔炼炉内熔炼，得到铝合金熔体；（3）炉内除气精炼：在搅拌条件下，通过导管将干燥的氩气和精炼剂喷入铝合金熔
体内进行炉内除气精炼；（4）在线过滤除渣：使用泡沫陶瓷过滤板对步骤（3）的熔体进行在线过滤除渣；（5）晶粒细化：通过喂丝机向步骤（4）的铝合金熔体中添加al-ti-b丝晶粒细化剂进行晶粒细化处理，同时对铝合金熔体施加超声波；（6）半连续铸造：将步骤（5）的熔体经铝液流槽注入结晶器与引锭头形成的腔体里进行半连续直冷铸造，同时通过喂丝机向充满铝合金熔体的铝液流槽中添加al-ti-b丝晶粒细化剂，制备得到所述铸锭。
9.根据本发明的实施方式，步骤（1）中，所述7000系铝合金铸锭的配方成分所含元素的重量百分比为：zn：5.0~10.0%；mg：1.5~6.5%；cu：1.3~6.5%；zr：0.08~0.25%；ti：0.02~0.06%；v：0.05~0.8%；fe≤0.08%；si≤0.06%；mn≤0.05%；cr≤0.05%；杂质总量≤0.15%；余量为al。
10.根据本发明的实施方式，步骤（2）中，将步骤（1）中的铝锭、锌锭、铝钛中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金和氧化铝颗粒压入熔炼炉内，以2~5℃/min的升温速率加热至720~750℃进行熔炼20~30min，随后以2~5℃/min的降温速率将熔体温度降至685℃~700℃，压入镁锭，继续熔炼20min~30min，得到铝合金熔体。
11.根据本发明的实施方式，步骤（2）中，所述氧化铝颗粒的加入可以快速填充到熔体表面，阻隔熔体与空气的接触，避免熔体在缓慢升温过程中产生大量的氧化夹渣。
12.根据本发明的实施方式，步骤（2）中，所述氧化铝颗粒的平均粒径为30~50nm，例如为30nm、40nm或50nm。
13.根据本发明的实施方式，步骤（2）中，所述氧化铝纳米颗粒为α-al2o3。相较于其他构型的氧化铝，α-al2o3纳米颗粒能够快速填充到熔体表面的保护膜缝隙中。
14.根据本发明的实施方式，步骤（2）中，采用慢速的升温方式（如以2~5℃/min的升温速率，如2℃/min、3℃/min、4℃/min或5℃/min）对合金原料进行熔炼，不仅可以使合金组分充分混合，且由于制备原料中包括ti、v、zr等元素，其可以细化晶粒，避免铸锭在退火时产生严重的元素偏析而导致出现不均匀的粗大的晶粒现象。研究发现，采用慢速的升温方式还有利于合金元素在铸造时形成更小粒径的初生的晶相粒子，并保证这些初生的晶相粒子能够在铝合金熔体凝固过程中快速形成新的粒径更小的形核质点，均匀地分布在位错线周围，起到细化晶粒和抑制位错运动的作用，阻止再结晶的形核和长大。同时，该初生的晶相粒子在均匀化处理和热变形过程中也能更快速地以共格二次晶相粒子的形式再次析出，实现强烈钉扎变形组织，抑制合金内部的再结晶，能够更好地细化晶粒，提高铝合金强度和韧性，减少铸锭热裂倾向。同时由于熔体中还含有氧化铝颗粒，其可以填充到熔体表面的保护膜缝隙中，避免过长的熔炼时间导致熔体氧化产生夹渣。
15.根据本发明的实施方式，步骤（2）中，所述氧化铝颗粒的加入量为所述熔体总质量的0.01~0.03%，例如为0.01%、0.015%、0.02%、0.025%或0.03%。
16.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，所述搅拌的转速为20~40rpm，例如为20rpm、25rpm、30rpm、35rpm或40rpm。
17.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，所述精炼剂包括六氯乙烷和碳酸钠。
18.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，以精炼剂的总重量计，所述精炼剂包括六氯乙烷60wt%~80wt%，碳酸钠20wt%~40wt%。
19.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，所述精炼剂的添加量为0.5~1.0kg/t（熔体质量），例如为0.5kg/t、0.6kg/t、0.7kg/t、0.8kg/t、0.9kg/t或1kg/t。
20.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，所述导管为设置多个开孔的导管。
21.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，所述导管的孔径为3~6mm，孔密度为1~5孔/cm2。
22.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，所述氩气的纯度级别为99.999%。
23.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，所述氩气的压力为0.20~0.60mpa，例如为0.20mpa、0.30mpa、0.40mpa、0.50mpa或0.60mpa，气体流量20~100l/min，例如为20l/min、30l/min、40l/min、50l/min、60l/min、70l/min、80l/min、90l/min或100l/min。
24.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，通过导管将氩气和精炼剂喷入铝合金熔体后获得的气体气泡平均大小为0.5~20.0mm。
25.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，除气的时间为30~90min。
26.根据本发明的实施方式，步骤（3）中，通入的氩气携带na2co3与六氯乙烷均匀的分散在铝合金熔体中，同时在高温条件下精炼剂分解产生的co
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与cl2能够润湿和溶解部分氧化物，增大铝合金熔体对氧化物的粘滞力，经由氩气吹送调整体系平衡状态，并与铝合金熔体中的h结合使得氢固定在氧化物中，由较小的颗粒聚集，形成较大的氧化夹杂，再经由过滤去除，从而降低铝合金熔体中氢含量，同时显著降低铝合金铸锭显微疏松尺寸，提高冶金质量，避免铸锭开裂。
27.根据本发明的实施方式，步骤（4）中，使用30~60ppi的泡沫陶瓷过滤板对步骤（3）的熔体进行在线过滤除渣。
28.根据本发明的实施方式，步骤（5）中，所述晶粒细化处理是在保温炉内进行的。
29.根据本发明的实施方式，步骤（5）中，所述晶粒细化处理的时间为10~20min。
30.根据本发明的实施方式，步骤（5）中，所述超声波的频率为80~100khz，例如为80khz、85khz、90khz、95khz或100khz。
31.根据本发明的实施方式，步骤（5）中，所述喂丝机的喂丝速度为40cm/min-80cm/min。
32.根据本发明的实施方式，步骤（5）中，所述al-ti-b丝晶粒细化剂的直径为3~6mm，例如为3mm、4mm、5mm或6mm。
33.根据本发明的实施方式，步骤（5）中，所述al-ti-b丝晶粒细化剂的加入能够对铝合金熔体进行晶粒细化处理，以提高合金强度和韧性，减少铸锭热裂倾向。进一步地，配合超声波的施加，能够协同增进晶粒细化的作用，将al-ti-b丝晶粒细化剂的细化作用最大化。具体地，al-ti-b丝在铝合金熔体中会分解成tib2粒子和tial3粒子，二者能够实现晶粒细化的目的。但是，铝合金熔体中合金元素zr会包覆在tib2粒子表面形成zrb2或zr的包覆层，抑制了tib2粒子的晶粒细化作用，zr还会与tial3粒子反应，改变其晶格常数和形核特性，使晶粒粗化，即zr元素引起的晶粒细化剂“中毒”现象。研究发现，在晶粒细化过程中，施加超高频率的超声波，能够破坏铝合金熔体中合金元素zr在tib2粒子表面的附着，充分发挥晶粒细化剂的细化作用，仅添加少量的al-ti-b丝就能发挥其作用。
34.根据本发明的实施方式，步骤（6）中，所述引锭头设置在结晶器的底部。
35.根据本发明的实施方式，步骤（6）中，所述结晶器的底部四周设置加热元件，所述
加热元件的加热功率为2~10kw，加热温度为200~800℃。所述加热元件用于对引锭头及结晶器底部的腔体进行加热，以减少引锭头和铝合金熔体之间的温度差，避免由于温度差引起的靠近引锭头部分的铸坯产生冷裂冷隔、结疤、中心裂纹、夹杂等缺陷。
36.根据本发明的实施方式，步骤（6）中，所述引锭头的内部设置加热元件，所述加热元件的加热功率为2~10kw，加热温度为200~800℃。所述加热元件用于减少引锭头和铝合金熔体之间的温度差，避免由于温度差引起的靠近引锭头部分的铸坯产生冷裂冷隔、结疤、中心裂纹、夹杂等缺陷。
37.相比传统的底部纯铝铺底工艺，本发明通过在结晶器的底部设置加热元件，和/或在引锭头的内部设置加热元件的方式，对引锭头进行加热，以减少引锭头和铝合金熔体之间的温度差，避免由于温度差引起的引锭头部段产生冷裂冷隔、结疤、中心裂纹、夹杂等缺陷。进一步地，在引锭头表面设置隔热层，能够使与引锭头接触的铸锭底部均匀冷却，使得铸锭的内应力均匀，避免底部开裂的可能。
38.根据本发明的实施方式，步骤（6）中，铝液流槽的一端与铝合金熔体相连，另一端与结晶器与引锭头形成的腔体连通。
39.根据本发明的实施方式，步骤（6）中，将铝合金熔体注入铝液流槽的同时通过喂丝机向充满铝合金熔体的铝液流槽中添加al-ti-b丝晶粒细化剂，所述喂丝机的喂丝速度为1cm/min-10cm/min。此处引入的al-ti-b丝晶粒细化剂能够实现二次细化的目的，且由于铝合金熔体在铝液流槽内流经的时间较短，合金元素zr来不及附着，因此能够有效避免zr元素引起的晶粒细化剂“中毒”现象。
40.根据本发明的实施方式，步骤（6）中，所述半连续直冷铸造分为铸造开始阶段、铸造稳定过程阶段和铸造收尾阶段；在铸造开始阶段中，铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间为90~120s；在铸造稳定过程阶段中，铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间为120~180s；在铸造收尾阶段中，铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间为180~240s。其中，所述铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间是指单位质量（1吨）铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间。
41.根据本发明的实施方式，步骤（6）中，在铸造开始阶段中，半连续铸造冷却水压为0.03~0.06mpa，冷却水流量20~30m3/h，铸造速度为5~10mm/min；当铸造长度大于100mm后，进入铸造稳定过程阶段，此时半连续铸造冷却水压为0.06~0.09mpa，冷却水流量30~40m3/h，铸造速度为15~20mm/min；当铸造长度大于300mm后，进入铸造收尾阶段，此时半连续铸造冷却水压为0.09~0.12mpa，冷却水流量40~50m3/h，铸造速度为15~30mm/min。
42.通过控制铝合金熔体流经铝液流槽的时间，可以降低铝合金熔体的温度，减少与引锭头的温差，避免由于温度差引起的冷裂冷隔、结疤、中心裂纹、夹杂等缺陷。同时预留更多的时间以便二次加入的al-ti-b丝发挥其晶粒细化的作用，提高合金强度和韧性，减少铸锭热裂倾向。
43.进一步地，通过调控铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间和不同铸造阶段的铸造参数，如在铸造开始阶段，缩短铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间，避免合金元素zr对al-ti-b丝晶粒细化剂的“毒化”，充分发挥晶粒细化剂的细化作用，细化靠近引锭头部分的铸坯内部的晶粒，减少铸锭热裂倾向。同时，采用不同的铸造阶段还可以获得具有结晶凝固阻断层的铸锭，该凝固阻断层能够阻碍起铸阶段萌生的内外部微裂纹进一步向铸锭上方扩
展，从而大幅度降低了铸锭发生热裂和冷裂的倾向，提升铸锭成型的成功率。
44.根据本发明的实施方式，所述方法还包括均匀化热处理步骤：将铸锭在炉内在460℃~470℃下进行第一次均匀化处理2~3h，随后升温至480℃~490℃下进行第二次均匀化处理5~6h，最后升温至500℃~510℃下进行第三次均匀化处理2~3h。
45.本发明的有益效果：本发明提供了一种7000系超大规格铝合金铸锭的铸造方法。所述方法包括备料、熔炼、炉内除气精炼、在线过滤除渣、晶粒细化和半连续铸造等步骤，通过上述步骤的组合可以克服7000系超大规格铝合金铸锭容易出现的底部开裂等问题，制备得到的铸锭经超声探伤检测无明显内部缺陷，晶粒细小均匀，无其他冶金缺陷，表面平整，成品率高。不仅如此，制备得到铸锭还具有较好的综合力学性能，可以用于航空航天领域。
46.附图说明
47.图1为本发明的铸造方法使用的铸造装置的结构示意图，附图标记：1为引锭头；2为结晶器；3为铝液流槽；4为冷却装置；5为铸坯（铸锭）；6为加热元件。
48.具体实施方式
49.下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
50.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
51.实施例1（1）备料：7000系铝合金成分所含元素的重量百分比为：zn：9.0%；mg：5.5%；cu：2.3%；zr：0.20%；ti：0.04%；v：0.6%；fe≤0.08%；si≤0.06%；mn≤0.05%；cr≤0.05%；杂质总量≤0.15%；余量为al；按照此配比分别称取铝锭、锌锭、铝钛中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、镁锭作为原料；（2）熔炼：将铝锭、锌锭、铝钛中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金和占熔体总质量的0.01%的氧化铝颗粒（平均粒径为50nm）压入熔炼炉内，以2℃/min的升温速率加热至725℃进行熔炼20min，随后以2℃/min的降温速率将熔体温度降至685℃，压入镁锭，继续熔炼20min，得到铝合金熔体；（3）炉内除气精炼：在搅拌（转速为20rpm）条件下，将通过导管将干燥的氩气按照100l/min的流量喷入铝合金熔体内，同时将精炼剂（70wt%的六氯乙烷和30wt%的碳酸钠）按照1.0kg/t的加入量喷入铝合金熔体内进行炉内除气精炼60min；（4）在线过滤除渣：使用30~60ppi的泡沫陶瓷过滤板对步骤（3）的熔体进行在线过滤除渣；（5）晶粒细化：将除渣后的铝合金熔体转入保温炉中，同时通过喂丝机向步骤（4）的铝合金熔体中添加al-ti-b丝晶粒细化剂（喂丝速度为40cm/min，al-ti-b丝晶粒细化剂
的直径为3mm）进行晶粒细化处理10min，同时对铝合金熔体施加频率为100khz的超声波；（6）半连续铸造：选取内部设置加热元件的引锭头，在铸造开始前将引锭头的温度加热至800℃，铸锭开始时，切断加热元件的电源，让引锭头自然降温。经过在先晶粒细化后的熔体流经铝液流槽，同时通过喂丝机向充满铝合金熔体的铝液流槽中再次添加al-ti-b丝晶粒细化剂（喂丝机的喂丝速度为3cm/min，al-ti-b丝晶粒细化剂的直径为3mm），将二次注入al-ti-b丝晶粒细化剂的铝合金熔体注入结晶器与引锭头形成的腔体里，进行半连续直冷铸造；其中，所述半连续直冷铸造分为铸造开始阶段、稳定铸造过程阶段和铸造收尾阶段；在铸造开始阶段中，铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间为100s，半连续铸造冷却水压为0.04mpa，冷却水流量25m3/h，铸造速度为8mm/min；当铸造长度大于100mm后，进入稳定铸造过程阶段，此时调整铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间为150s，半连续铸造冷却水压为0.08mpa，冷却水流量35m3/h，铸造速度为16mm/min；当铸造长度大于300mm后，进入铸造收尾阶段，此时调整铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间为200s，半连续铸造冷却水压为0.10mpa，冷却水流量45m3/h，铸造速度为20mm/min，获得520mm（厚度）
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1620mm（宽度）
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4000mm（长度）的7000系铝合金扁铸锭。
52.（7）均匀化处理：将铸锭在炉内在460℃下进行第一次均匀化处理2h，随后升温至480℃下进行第二次均匀化处理5h，最后升温至500℃下进行第三次均匀化处理2h。
53.实施例2其他操作同实施例1，区别在于步骤（2）中以20℃/min的升温速率将熔体加热至725℃进行熔炼20min，随后以20℃/min的降温速率将熔体温度降至685℃，压入镁锭，继续熔炼20min，得到铝合金熔体。
54.对比例1其他操作同实施例1，区别在于步骤（2）中不添加氧化铝颗粒。
55.对比例2其他操作同实施例1，区别在于步骤（5）中不对铝合金熔体施加超声波。
56.对比例3其他操作同实施例1，区别在于步骤（6）中不再次注入al-ti-b丝晶粒细化剂。
57.对比例4其他操作同实施例1，区别在于步骤（6）中所述半连续直冷铸造工艺参数为：铝合金熔体流经所述铝液流槽的时间为150s，半连续铸造冷却水压为0.08mpa，冷却水流量35m3/h，铸造速度为16mm/min。
58.测试例选取精炼过滤后的铝合金熔体进行在线测氢，测氧化夹杂含量。具体地，在线液态含氢量是采用abb在线测氢仪测试得到的，氧化夹杂除净率是采用统计方法测试得到的，具体为将精炼前和精炼过滤后所取样品进行显微组织观察制样，在200倍视野内随机选取20个位置进行观察计算，氧化夹杂除净率=（精炼前样品统计氧化夹渣数量-精炼后样品统计氧化夹渣数量）
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精炼前样品统计氧化夹渣数量
×
100%。具体测试结果详见表1。
59.对本发明的铝合金铸锭，按gb/t 3264-2000的方法进行低倍检测分析晶粒度。
60.成型率是指不开裂的铸锭数量在铸锭总数量中的百分比。
61.表1 实施例和对比例的铝合金熔体及其制备得到的铸锭的性能测试结果
ꢀ
含氢量ml/100gal氧化夹杂除净率晶粒度成型率实施例10.0299.2%1级92%实施例20.0398.9%2级89%对比例10.4590.4%1级82%对比例20.0299.2%3级76%对比例30.0299.2%2级80%对比例40.0299.2%3级72%对比例1中没有加入氧化铝颗粒，导致在缓慢的熔体熔炼过程中产生了较多的氧化夹杂而导致晶粒度的增加。对比例2中没有引入超声波，无法破坏铝合金熔体中合金元素zr在tib2粒子表面的附着，晶粒细化剂的细化作用无法得到更好的发挥。对比例3中引入的al-ti-b丝晶粒细化剂的含量少，同样无法发挥晶粒细化剂的细化作用。对比例4中由于采用常规的半连续直冷铸造工艺对铝合金熔体进行浇铸，无法避免合金元素zr对al-ti-b丝晶粒细化剂的“毒化”，使得获得的铸锭的晶粒度为3级，并显著恶化铸锭的成型率。
62.以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。