一种增材制造用的铝合金丝材及其应用的制作方法

1.本发明涉及增材制造材料技术领域，尤其涉及一种金属增材制造用的铝合金丝材及其应用。


背景技术：

2.增材制造技术可以实现自由设计和绿色制造，缩短加工周期，具有广阔的应用前景。以金属丝材作为原材料的增材制造是近年来发展起来的新型制造成形工艺，尤其适用于大尺寸结构件的快速高效制造。但是目前增材制造成形的大部分铝合金丝材材料的力学性能，尚不能达到传统加工态相同成分合金的性能，这成为制约增材制造铝合金丝材技术成熟和应用的关键。
3.目前能够实现稳定成形的铝合金丝材原材料都是传统的焊丝，由传统变形铝合金或铸造铝合金的成分演化而来。这包括大部分的1系铝合金丝材，以2319合金为代表的2系铝合金丝材，以及5087和5356等5系铝合金丝材。这些材料的铸造性能一般较好，因此增材制造工艺成形性较好。但是，其成形合金的抗拉强度一般很难超过280mpa，这并不能满足工业上尤其航空航天领域对很多高强部件的要求。而在工业上广泛应用的传统高强铝合金丝材，比如以2024和7075为代表的2系和7系铝合金丝材，在增材制造过程中由于收缩应力的影响，在构件内部会形成大量的热裂纹，导致其力学性能非常差。
4.这种形势不利于我国增材制造行业的发展。因此，针对增材制造的工艺特点，开发新型的增材制造用的铝合金丝材，解决制约增材制造构件内部质量和力学性能的瓶颈难题，是决定能否充分发挥增材制造技术优势并走向工程应用的基础。


技术实现要素：

5.本发明针对以上现有技术问题，提供一种增材制造用的铝合金丝材，其在增材制造的过程中，能够充分利用增材制造的极端冶金条件和短时高峰循环的热流条件，实现细密亚稳相的原位析出，从而制备出具有较高强度、较好塑性以及热裂倾向低的铝合金结构件。
6.为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明第一方面提供一种增材制造用的铝合金丝材，按照质量百分比计，包括：
8.4.0％～7.0％的cu，1.0％～2.5％的mg，且cu和mg的质量比为2.6～6，0.4％～0.8％的mn，0.1％～0.8％的细化元素，余量为al和不可避免的杂质元素。
9.作为优选地实施方式，所述细化元素选自ti、zr、sc和v中的一种或多种；
10.基于所述铝合金丝材的总质量，ti的含量为0.1％～0.4％；
11.优选地，zr的含量为0.1％～0.4％；
12.优选地，sc的含量为0.1％～0.4％；
13.优选地，v的含量为0.1％～0.2％。v可以形成难熔化合物，细化晶粒，试验证明如果与ti、zr复合添加，则细化再结晶组织，提高再结晶温度的作用更明显。因此可以单独添
加也可复合添加。
14.在本发明的技术方案中，细化元素选自ti、zr、sc和v中的一种或多种，基于各种元素在al中的最大固溶度，每种细化元素在铝合金丝材中的含量存在上限。如果添加多种细化元素时，其总量不超过铝合金丝材的0.8％。
15.作为优选地实施方式，所述不可避免的杂质元素为fe、si和zn中的一种或几种；基于所述铝合金丝材的总质量，所述不可避免的杂质元素中的单个杂质元素的含量≤0.15％。
16.作为优选地实施方式，基于所述铝合金丝材的总质量，cu的质量百分比为6％～7％。
17.作为优选地实施方式，所述铝合金丝材中，cu和mg的质量比为3～5。
18.作为优选地实施方式，基于所述铝合金丝材的总质量，ti的含量为0.15％～0.3％。
19.作为优选地实施方式，基于所述铝合金丝材的总质量，zr的含量为0.15％～0.3％。
20.作为优选地实施方式，所述不可避免的杂质元素中，基于所述铝合金丝材的总质量，fe的含量≤0.1％；
21.优选地，si的含量≤0.08％；
22.优选地，zn的含量≤0.05％。
23.本发明第二方面提供上述铝合金丝材在增材制造领域中的应用，进一步地，在以电弧、等离子束、激光、电子束或感应熔融作为热源的增材制造中的应用。
24.上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
25.现有技术中，增材制造广泛使用的传统成分的铝合金丝材由于成分受限，很难在成形后原位形成亚稳强化相。尽管在文献zhou y,lin x,kang n,et al.mechanical properties and precipitation behavior of the heat-treated wire arc additively manufactured 2219aluminum alloy[j].materials characterization,2020,171:110735.中，林鑫等人在al-cu6.3％这一cu含量较高的电弧熔丝增材制造铝合金试件的底部也发现了θ'亚稳相析出，但是θ'相的形成焓较高，很难形成高密度的析出，因此对力学性能的改善有限。
[0026]
本发明提供的铝合金丝材含有较高的cu含量，以及适宜的cu/mg比例范围，可以充分利用增材制造的极端冶金条件和短时高峰循环的热流条件，在增材制造成形的沉积合金内原位形成大量细密分布的针状s'亚稳相，其纵向尺寸一般小于200nm，这些亚稳相可以有效的增加增材制造合金的强度。同时，高cu含量的铝合金丝材在增材制造时，小熔池的冷却速度接近淬火冷速，有效地限制了元素扩散，形成过饱和固溶体，为亚稳相形核提供驱动力，实现固溶处理效果。此外，亚稳s'相的形成焓和结合能都很低，容易形成并且稳定性更高，在60s甚至更短就可以完成析出过程。因此在增材制造的特殊热流条件下，容易在铝合金丝材中实现原位析出。适量的mn元素可以降低焊缝的裂纹倾向，增加耐腐蚀性。同时，还会在增材制造过程中形成t'亚稳相，会进一步提高合金强度。
[0027]
此外，zr、ti、sc等微合金元素会在丝材和增材制造合金中析出大量的al3zr、al3(ti,zr)或al3zr等粒子。这些粒子的尺寸非常细小，弥散程度高，与al基体共格性较好，可
以显著细化丝材和增材制造合金的晶粒组织，降低热裂倾向。此外，这些第二相粒子在高温下不易长大，对位错和晶界运动的钉扎作用强烈，可以进一步提升材料的强度和塑性。
[0028]
本发明的有益效果是：采用本发明的铝合金丝材作为原材料直接增材制造的铝合金丝材晶粒细小，晶内原位析出亚稳强化相，合金的热裂倾向非常低。此外，直接堆积态合金的抗拉强度可稳定达到300mpa左右，并且具有较好的塑性，很好地改善了铝合金丝材在增材制造过程中出现的热裂纹以及力学性能差的问题，可应用于以电弧、等离子束、激光、电子束和感应熔融等作为热源的增材制造领域。
附图说明
[0029]
图1为实施例1中的铝合金丝材制备的增材制造结构件的横剖面金相照片。
具体实施方式
[0030]
下述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0031]
本发明提供的增材制造用的铝合金丝材，按照质量百分比计，包括：cu为4.0％～7.0％，mg为1.0％～2.5％，且cu和mg的质量比为2.6～6，mn为0.4％～0.8％，细化元素为0.1％～0.8％，余量为al和不可避免的杂质元素。
[0032]
本发明提供的增材制造用的铝合金丝材为al-cu-mg合金，主要元素为al、cu和mg。
[0033]
作为必要元素之一，按照质量百分比计，本发明提供的铝合金丝材中的cu的含量为4.0％～7.0％，在某些具体的实施例中，cu的含量可以列举出4.0％、4.5％、5.0％、5.5％、6.0％、6.5％、7.0％或它们之间的任意含量。作为优选地实施例，cu的含量为6.0％～7.0％。cu含量过高，则会在增材制造合金中形成大量粗大的脆性共晶物组织，降低合金的强度和塑性。而如果cu含量过低，则无法利用增材制造的本征热处理析出亚稳相以实现强化的目的。
[0034]
作为另一必要元素，按照质量百分比计，本发明提供的铝合金丝材中的mg的含量为1.0％～2.5％，在某些具体的实施例中，mg的含量可以列举出1.0％、1.3％、1.5％、1.7％、2.3％、2.5％或它们之间的任意含量。
[0035]
本发明提供的铝合金丝材中的cu和mg的质量比为2～6，在某些具体的实施例中，cu和mg的质量比可以列举出2.6、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6或它们之间的任意数值，作为优选地实施例，cu和mg的质量比为3～5。比例适中的cu/mg，可以有效地实现亚稳相原位析出，比例过高或过低均无法形成大量的s'相。
[0036]
本发明提供的铝合金丝材还包括mn元素，按照质量百分比计，其含量为0.4％～0.8％，在某些具体的实施例中，mn的含量可以列举出0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％或它们之间的任意含量。
[0037]
本发明提供的铝合金丝材还添加了质量比为0.1％～0.8％的细化元素，以细化合金晶粒，改善增材制造合金组织，提高合金的抗拉强度和屈服强度，提高合金的塑性和疲劳性能。在某些具体的实施例中，按照质量百分比计，细化元素的含量为0.1％、0.2％、0.3％、
0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％或它们之间的任意含量。本发明提供的铝合金丝材中的的细化元素选自ti、zr、sc和v中的至少一种。
[0038]
在某些具体的实施例中，所述细化元素包括ti时，ti的含量为0.1％～0.4％，可以列举出0.1％、0.2％、0.3％、0.4％或它们之间的任意含量，优选为0.15％～0.3％。
[0039]
在某些具体的实施例中，所述细化元素包括zr时，zr的含量为0.1％～0.4％，可以列举出0.1％、0.2％、0.3％、0.4％或它们之间的任意含量，优选为0.15％～0.3％。
[0040]
在某些具体的实施例中，所述细化元素包括sc时，sc的含量为0.1％～0.4％，可以列举出0.1％、0.2％、0.3％、0.4％或它们之间的任意含量。
[0041]
在某些具体的实施例中，所述细化元素包括v时，v的含量为0.1％～0.2％，可以列举出0.1％、0.15％、0.2％或它们之间的任意含量。
[0042]
本发明提供的铝合金丝材还包含不可避免的杂质元素，在本领域中已知制备铝的过程几乎不可避免地导致杂质例如其他金属的存在。即使杂质的水平优选非常低，或者甚至不存在，在一些情况下杂质的存在也可能是不可避免的。
[0043]
在某些具体的实施例中，所述不可避免的杂质元素包括fe时，按照质量百分比计，其含量≤0.15％，优选为≤0.1％。
[0044]
在某些具体的实施例中，所述不可避免的杂质元素包括si时，按照质量百分比计，其含量≤0.15％，优选为≤0.08％。
[0045]
在某些具体的实施例中，所述不可避免的杂质元素包括zn时，按照质量百分比计，其含量≤0.15％，优选为≤0.05％。
[0046]
下述实施例中，铝合金丝材通过本领域中的常规技术手段制备得到，具体操作过程包括熔炼、精炼、浇注、拉拔、刮削和清洗等操作。
[0047]
实施例1：
[0048]
本实施例中的增材制造用的铝合金丝材，化学成分按质量百分比计，cu为6.46％，mg为2.05％，cu和mg的比例为3.2，mn为0.46％，ti为0.22％，zr为0.25％，v为0.14％，fe为0.10％，si为0.06％，zn为0.02％，余量为al。
[0049]
本实施例提供的铝合金丝材为实心丝材，直径为1.2mm，外表经机械刮削和清洗后，作为原材料，采用冷金属过渡电源技术的变极性脉冲模式cmt-pa进行增材制造成形相应成分的单道多层铝合金薄壁结构。所采用的参数为送丝速度6m/min，堆积速度0.6m/min，高纯氩保护气流量20l/min，层间冷却时间2min。
[0050]
上述增材制造所制备的结构件的剖面上未见明显的裂纹(见图1)，其横向抗拉强度为324mpa，屈服强度为212mpa，断后伸长率为12％。
[0051]
实施例2：
[0052]
本实施例中的增材制造用的铝合金丝材，化学成分按质量百分比计，cu为4.33％，mg为1.56％，cu和mg的比例为2.8，mn为0.68％，ti为0.13％，fe为0.14％，si为0.11％，zn为0.02％，余量为al。
[0053]
本实施例提供的铝合金丝材为实心丝材，直径为1.2mm，外表经机械刮削和清洗后，作为原材料，采用cmt-pa电弧进行增材制造成形相应成分的单道多层铝合金薄壁结构。所采用的参数为送丝速度6m/min，堆积速度0.6m/min，高纯氩保护气流量20l/min，层间冷却时间2min。
[0054]
上述增材制造所制备的结构件的横纵剖面上均未见明显的裂纹，横向抗拉强度为307mpa，屈服强度为188mpa，断后伸长率为11.2％。
[0055]
实施例3：
[0056]
本实施例中的增材制造用的铝合金丝材的化学成分按质量百分比计，cu为6.11％，mg为1.30％，cu和mg的比例为4.7，mn为0.52％，ti为0.18％，sc为0.22％，fe为0.11％，si为0.04％，zn为0.05％，余量为al。
[0057]
本实施例提供的铝合金丝材为实心丝材，直径为1.2mm，外表经机械刮削和清洗后，作为原材料，采用cmt-pa电弧进行增材制造成形相应成分的单道多层铝合金薄壁结构。所采用的参数为送丝速度6m/min，堆积速度0.6m/min，高纯氩保护气流量20l/min，层间冷却时间2min。
[0058]
上述增材制造所制备的结构件的横纵剖面上均未见明显的裂纹，横向抗拉强度为338mpa，屈服强度为220mpa，断后伸长率为13.7％。
[0059]
实施例4：
[0060]
本实施例中的增材制造用的铝合金丝材，化学成分按质量百分比计，cu为6.80％，mg为1.22％，cu和mg的比例为5.6，mn为0.56％，ti为0.18％，zr为0.22％，fe为0.09％，si为0.04％，zn为0.02％，余量为al。
[0061]
本实施例提供的铝合金丝材为实心丝材，直径为1.2mm，外表经机械刮削和清洗后，作为原材料，采用cmt-pa电弧进行增材制造成形相应成分的单道多层铝合金薄壁结构。所采用的参数为送丝速度6m/min，堆积速度0.6m/min，高纯氩保护气流量20l/min，层间冷却时间2min。
[0062]
上述增材制造所制备的结构件的横纵剖面上均未见明显的裂纹，横向抗拉强度为292mpa，屈服强度为188mpa，断后伸长率为14.8％。
[0063]
对比例：
[0064]
目前市场上广泛应用的er2319铝合金丝材的化学成分按质量百分比计，cu为6.25％，mg为0.01％，mn为0.36％，ti为0.11％，zr为0.17％，v为0.06％，fe为0.11％，si为0.13％，zn为0.02％，余量为al。
[0065]
此实心丝材的直径为1.2mm，外表经机械刮削和清洗后作为原材料，采用cmt-pa电弧进行增材制造成形相应成分的单道多层铝合金丝材薄壁结构。所采用的参数为送丝速度6m/min，堆积速度0.6m/min，高纯氩保护气流量20l/min，层间冷却时间2min。
[0066]
上述增材制造所制备的结构件的横纵剖面上均未见明显的裂纹，横向抗拉强度为262mpa，屈服强度为112mpa，断后伸长率为13.8％。
[0067]
综上所述，通过上述实施例和对比例可知，采用本发明提供的铝合金丝材作为增材制造的原材料成形的铝合金结构件能够达到现有的er2319铝合金的同等水平，其表面无裂纹产生，并且具有较好的力学性能，其横向抗拉强度可达到290～340mpa，屈服强度可达到180～220mpa，断后伸长率为11％～15％。
[0068]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。