再生航空用铝合金熔体质量控制技术研究进展

再生航空用铝合金熔体质量控制技术研究进展

刘君

肇庆市大正铝业有限公司  广东  肇庆  526000

摘要：随着航空工业的发展，大量的航空飞机将处于报废阶段，其铝材的保级循环再生利用技术将至关重要。再生铝合金材料由于具有资源节约型、低成本、环境污染小等优点，越来越受到关注。然而，再生铝合金中的杂质和气孔等问题严重影响了其熔体质量。因此，本文旨在探讨再生航空用铝合金熔体质量控制的关键技术研究进展，为提高再生航空铝合金的性能和可靠性提供参考。

关键词：航空铝材；再生铝合金；铝熔体质量；控制技术；航空工业

引言

铝合金材料由于具有低密度、高强度和良好的耐腐蚀性等特点，被广泛应用于航空工业领域。然而，铝合金材料的生产需要消耗大量的资源和能源，同时产生大量的废弃物，对环境造成污染。因此，再生铝合金材料的研究和应用具有重要的意义。本文综述了再生航空用铝合金熔体质量控制的关键技术，为相关研究提供参考。

一、再生航空用铝合金熔体的制备

1.1 废铝合金的分类和预处理

废铝合金是再生航空用铝合金熔体制备的重要原料。废铝合金的预处理是再生航空用铝合金熔体制备的关键步骤之一。预处理的目的是将废铝合金进行分选、清洁和粉碎等处理，以便后续的熔炼生产。首先，废铝合金需要进行分选，将不同类型的废铝合金进行分类，以便后续的处理和利用。其次，废铝合金需要进行清洁，去除表面的油污、涂层和附着物等，以提高废铝合金的纯净度。最后，废铝合金需要进行粉碎，将废铝合金破碎成适当的粒度，以便后续的熔炼生产。废铝合金的预处理可以通过物理方法和化学方法来实现，如水洗筛分、浮选、色选、涡流分选、热解脱漆等。预处理的合理选择和实施可以有效提高再生航空用铝合金熔体的质量[1,2,3]。

1.2 熔炼设备的选择和优化

熔炼设备是再生航空用铝合金熔体制备的重要工具。熔炼设备的选择和优化对于提高熔体质量具有重要意义。常用的熔炼设备包括电阻炉、感应炉和气体炉等。电阻炉是通过电阻加热来熔化废铝合金，具有加热速度快、温度控制精准等优点[4]。感应炉是通过感应加热来熔化废铝合金，具有加热效率高、能耗低等优点。气体炉是通过燃烧气体来熔化废铝合金，具有熔炼温度高、熔化效果好等优点。熔炼设备的优化可以通过改进设备结构和控制系统来实现[5]。 

1.3 熔炼工艺参数的控制

熔炼工艺参数的控制是再生航空用铝合金熔体制备的重要环节。熔炼工艺参数包括熔炼温度、保温时间、熔炼气氛、精炼时长、精炼气体和精炼剂等。熔炼温度是指废铝合金在熔炼过程中所达到的温度，直接影响熔体的流动性和凝固性能。保温时间是指废铝合金在熔炼温度下保持一定时间的时间，用于保证熔体的充分熔化和混合。熔炼气氛是指废铝合金在熔炼过程中所处的气氛环境，如氧气、氮气或惰性气体等，对熔体的氧化和脱气具有重要影响。精炼气体是指通入铝合金熔体内进行精炼除气除渣的气体，如氮气、氩气、氯气等，熔炼工艺参数的控制可以通过合理选择和调整来实现[6]。 

二、再生航空用铝合金熔体净化技术

2.1 熔体过滤技术

熔体过滤技术是再生航空用铝合金熔体净化的重要技术之一。在铝合金熔炼过程中，熔体中会存在着各种杂质，如氧化物、夹杂物、气泡等。这些杂质会对合金的性能和加工性能产生不良影响。熔体过滤技术通过使用过滤器来去除熔体中的杂质，使熔体得到净化。常用的过滤器包括陶瓷过滤器、陶瓷泡沫过滤器、管式过滤、箱式过滤等。这些过滤器具有不同的孔径和过滤效果，可以根据需要选择合适的过滤器[7]。

熔体过滤技术的原理是通过过滤器的孔径和表面吸附特性，将熔体中的杂质截留在过滤器上，实现熔体的净化。过滤器的孔径大小决定了能够通过的杂质的大小，而过滤器的表面吸附特性可以吸附和吸收熔体中的杂质。熔体经过过滤器后，可以得到更加纯净的熔体，减少夹杂物和气泡的存在，提高合金成分的均匀性。熔体过滤技术的应用可以在铝合金熔炼的不同阶段进行。例如，在熔炼炉放水时加入过滤器，可以在熔化过程中去除熔体中的杂质。在浇注过程中，也可以使用过滤器来过滤熔体，减少夹杂物和气泡进入铸件。熔体过滤技术的选择和优化可以根据不同的熔炼工艺和合金要求来进行。例如，对于要求较高的航空用铝合金，可以选择孔径较小的管式过滤过滤器，以提高过滤效果。同时，还可以根据熔体的温度和流动性等参数，调整过滤器的位置和布置，以实现最佳的过滤效果[8]。

2.2 熔体精炼技术

熔体精炼技术是再生航空用铝合金熔体净化的另一个重要技术。在铝合金熔炼过程中，熔体中常存在着一些有害元素和杂质，如氧化物、氢气、铁等。这些有害元素和杂质会对合金的性能和加工性能产生不良影响。熔体精炼技术通过添加精炼剂来吸附和吸收熔体中的有害元素和杂质，从而净化熔体。常用的精炼剂包括氧化剂、还原剂、氟化剂等。熔体精炼技术的原理是精炼剂与熔体中的有害元素和杂质发生反应，形成易于分离的化合物或溶解于熔体中，从而实现熔体的精炼。熔体精炼技术的具体操作方法可以根据不同的精炼剂和合金要求来进行。例如，在熔炼过程中，可以将精炼剂添加到熔体中，通过搅拌和混合来实现精炼剂与有害元素和杂质的反应。精炼剂可以吸附和吸收熔体中的有害元素和杂质，形成易于分离的固体颗粒或

气泡。然后，通过过滤或离心等方法，将精炼剂与吸附的有害元素和杂质分离，从而实现熔体的净化。 

2.3 熔体脱气技术

熔体脱气技术是再生航空用铝合金熔体净化的另一个重要技术。在铝合金熔炼过程中，熔体中常存在着气体，如氧气、氢气等。这些气体会对合金的性能和加工性能产生不良影响，如降低铝合金的强度和韧性。熔体脱气技术是通过去除熔体中的气体，提高合金的强度和韧性，从而实现熔体的净化。熔体脱气技术的原理是利用气体的溶解度和扩散性质，将熔体中的气体从熔体中移除。常用的脱气方法包括真空脱气、惰性气体脱气和气体吹扫脱气等。真空脱气是通过在熔炼过程中建立真空环境，使熔体中的气体通过扩散进入真空中，从而实现熔体的脱气。惰性气体脱气是通过在熔炼过程中通入惰性气体，将熔体中的气体带出，从而实现熔体的脱气。气体吹扫脱气是通过在熔炼过程中通过气体吹扫，将熔体中的气体带出，从而实现熔体的脱气。熔体脱气技术的应用可以在铝合金熔炼的不同阶段进行。例如，在熔炼炉中建立真空环境，可以在熔化过程中去除熔体中的气体。在浇注过程中，也可以通过惰性气体脱气技术来减少熔体中的气体含量。熔体脱气技术的选择和优化可以根据不同的熔炼工艺和合金要求来进行。例如，对于要求较高的航空用铝合金，可以选择真空脱气技术，以实现更彻底的脱气效果。同时，还可以根据熔体的温度和流动性等参数，调整脱气的时间和条件，以实现最佳的脱气效果。

三、再生航空用铝合金熔体的成分控制技术

3.1 合金成分的检测和调整

合金成分的检测和调整是再生航空用铝合金熔体成分控制的关键技术之一。合金成分包括主要元素和微量元素两部分。主要元素是指合金中含量较高的元素，如铝、铜、镁、锌等。微量元素是指合金中含量较低的元素，如锰、钒锆、铬等。合金成分的检测可以通过化学分析方法进行，如光谱分析、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和X射线荧光光谱法（XRF）等。这些方法可以准确测量合金中各元素的含量，从而了解合金的成分情况。合金成分的调整可以通过调整原料的配比和添加合金元素来实现。根据合金成分的检测结果，可以调整原料的配比，使合金中各元素的含量达到设计要求。 

3.2 微量元素的控制和技术

微量元素的控制和技术是再生航空用铝合金熔体成分控制的重要内容。微量元素对合金的性能和加工性能具有重要影响。例如，锰、锆、钒等微量元素可以提高合金的强度和硬度，硅可以改善合金的流动性和耐热性，铁可以提高合金的耐腐蚀性能。微量元素的控制可以通过合金配方和熔炼工艺来实现。合金配方的优化可以通过调整微量元素的含量和比例来实现。根据合金的特定需求，可以控制微量元素的含量在合适的范围内，以达到理想的性能要求。熔炼工艺的优化可以通过改变熔炼温度、保温时间和熔炼气氛等条件来控制微量元素的含量和分布。例如，通过调整熔炼温度和保温时间，可以促进微量元素的溶解和扩散，从而改善合金的均匀性和一致性。通过控制微量元素的含量和分布，可以实现再生航空用铝合金熔体的精确成分控制，提高材料的性能和质量。

四、再生航空用铝合金熔体的凝固组织控制技术

4.1 铸造工艺参数的控制

铸造工艺参数的控制对于再生航空用铝合金熔体的凝固组织具有重要影响。铸造工艺参数包括铸型温度、冷却速率和凝固时间等。铸型温度的选择应根据合金的凝固温度和熔体的流动性来确定，过高或过低的温度都会影响凝固组织的形成。冷却速率的控制应根据铸件的尺寸和形状来确定，过快或过慢的冷却速率都会影响凝固组织的均匀性和致密性。凝固时间的控制应根据合金的凝固特性和生产需求来确定，过长或过短的凝固时间都会影响凝固组织的形成和性能。通过合理控制铸造工艺参数，可以获得再生航空用铝合金熔体的理想凝固组织，提高材料的强度和耐久性。

4.2 凝固组织的检测和优化

凝固组织的检测和优化是再生航空用铝合金熔体凝固组织控制的重要环节。凝固组织的检测可以通过金相显微镜观察、扫描电镜、透射电镜等分析方法进行。金相显微镜可以观察凝固组织的晶粒结构、晶界分布和相组成等特征，从而评估凝固组织的均匀性和致密性。扫描电镜可以通过观察微观组织形貌以及成分，了解中间相的成分和形貌，从而对工艺加以控制得到更好的微观组织，进而控制铝合金熔体质量。图像分析可以通过对金相显微镜图像的处理和分析，提取凝固组织的相关参数，如晶粒尺寸、晶界面积和相分数等，从而定量评估凝固组织的特征和性能。 

4.3 显微组织的调控技术

显微组织的调控技术是再生航空用铝合金熔体凝固组织控制的关键技术之一。显微组织的调控可以通过合金成分的优化和热处理等方法来实现。合金成分的优化可以通过调整合金中的元素含量和相对比例来实现。不同的元素和相组合具有不同的凝固特性和显微组织形成机制，通过调整合金成分，可以控制凝固过程中的相转变和晶粒生长，从而调控显微组织的形成和性能。热处理是一种常用的显微组织调控技术，通过加热和冷却的方式，改变合金的晶粒尺寸、相分布和晶界特性等。常用的热处理方法包括固溶处理、时效处理和淬火处理等。固溶处理可以使合金中的溶质元素溶解到基体中，形成固溶体。时效处理可以通过固溶体的析出和再结晶，调控合金的显微组织和力学性能。

五、再生航空用铝合金熔体质量的评价方法

5.1 力学性能测试

力学性能测试是评价再生航空用铝合金熔体质量的重要方法之一。常用的力学性能测试包括拉伸试验、硬度测试和冲击试验等。拉伸试验可以评估合金的强度和延展性，通过施加拉力来测量材料的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率等指标。硬度测试可以评估合金的硬度和强度，通过在材料表面施加压力来测量其抗压强度和硬度值。冲击试验可以评估合金的韧性和抗冲击性能，通过施加冲击力来测量材料的冲击韧性和断裂韧性等指标。通过力学性能测试，可以全面评估再生航空用铝合金熔体的力学性能，为其在航空领域的应用提供依据。

5.2 微观组织观察

微观组织观察是评价再生航空用铝合金熔体质量的另一个重要方法。通过金相显微镜、扫描电镜等仪器对合金的显微组织进行观察和分析，可以了解合金的晶粒尺寸、晶界分布、相组成和相分布等信息。合金的微观组织对其力学性能、耐腐蚀性能和疲劳性能等起着重要影响。例如，细小均匀的晶粒可以提高合金的强度和硬度，均匀分布的相可以提高合金的耐腐蚀性能。通过微观组织观察，可以评估再生航空用铝合金熔体的凝固组织质量，为优化合金配方和熔炼工艺提供参考。

5.3 耐腐蚀性能测试

耐腐蚀性能测试是评价再生航空用铝合金熔体质量的另一个重要方法。航空领域对材料的耐腐蚀性能有严格要求，因为航空器在复杂的环境中运行，经常接触到湿气、盐雾、酸雨等腐蚀介质。常用的耐腐蚀性能测试包括盐雾试验、酸碱腐蚀试验和电化学腐蚀试验等。盐雾试验可以模拟海洋环境中的腐蚀情况，通过暴露合金样品于盐雾环境中，观察其腐蚀程度和表面变化。酸碱腐蚀试验可以模拟工业环境中的腐蚀情况，通过浸泡合金样品于酸碱溶液中，评估其耐腐蚀性能。电化学腐蚀试验可以通过测量合金样品的电化学行为，了解其耐腐蚀性能。通过耐腐蚀性能测试，可以评估再生航空用铝合金熔体的抗腐蚀能力，为其在航空领域的应用提供保证。

 六、再生航空用铝合金熔体的应用性能数据分析

为了进一步评价再生航空用铝合金熔体的应用性能，我们进行了一系列的数据分析，分析结果如下：

从上表中可以看出，合金C的各项性能指标都优于合金A和合金B。特别是抗拉强度、屈服强度、断裂延伸率和硬度值，合金C的数据明显优于其他两种合金。同时，合金C的盐雾试验腐蚀速率和酸碱腐蚀试验腐蚀速率都较低，说明其在复杂环境中的耐腐蚀性能较好。因此，我们可以得出结论，合金C是最适合作为再生航空用铝合金熔体的材料。

通过这种数据分析方法，我们可以全面评估再生航空用铝合金熔体的性能，并找出最优的合金配方和熔炼工艺，为其在航空领域的应用提供科学依据。

结束语

本文综述了再生航空用铝合金熔体质量控制的关键技术，包括熔体的制备、净化、成分控制和凝固组织控制等方面。通过这些技术的研究和应用，可以提高再生铝合金熔体的质量，为航空工业提供可靠的材料保障。然而，再生铝合金熔体质量控制技术仍需进一步研究和改进，以满足航空工业不断发展的需求。

参考文献

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