CN109266926A - 一种Al-Cu合金丝及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Al‑Cu合金丝及其制备方法和应用,属于Al‑Cu合金丝技术领域,主要用于熔丝增材制造方法成形航天高强铝合金构件。采用本发明丝材成形的Al‑Cu合金构件具有更高的强度。成形构件水平方向抗拉强度达到450MPa以上,垂直方向抗拉强度达到440MPa以上。而同样成形参数条件下,现有商用焊丝成形构件水平方向抗拉强度为430MPa,垂直方向抗拉强度为370MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种Al-Cu合金丝及其制备方法和应用,属于Al-Cu合金丝技术领域,主要用于熔丝增材制造方法成形航天高强铝合金构件。
背景技术
铝合金壳段是航天装备中的一类关键承力结构,为满足型号轻量化、高承载效率等要求,新一代航天装备的铝合金壳段广泛采用结构功能一体化的设计方法,壳段与侧壁支架由原来的分体式变成整体式,零件结构越来越复杂,力学性能要求越来越高,一般选用Al-Cu合金。采用铸造Al-Cu合金ZL205A,由于壁厚差大,容易出现缩孔、缩松、裂纹、偏析等缺陷,铸造成品率低;采用锻造Al-Cu合金2219,材料利用率低、加工周期长、制造成本高。
采用熔丝增材制造方法可以快速成形出零件毛坯,是一种高效率低成本的制造方法,在航天铝合金壳体结构上具有广泛的应用前景。但目前所采用的Al-Cu合金丝材主要为焊接用丝,成形结构力学性能难以达到要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种Al-Cu合金丝及其制备方法和应用。
本发明的技术解决方案是:
一种Al-Cu合金丝,该Al-Cu合金丝元素组成包括铜、铁、硅、锰、镁、锌、钛、锆、钒、铍,余量为Al;
其中,以该Al-Cu合金丝的总质量为100%计算,铜元素的质量百分含量为5.2%~6.2%,铁元素的质量百分含量小于等于0.15%,硅元素的质量百分含量小于等于0.10%,锰元素的质量百分含量为0.2%~0.3%,镁元素的质量百分含量小于等于0.02%,锌元素的质量百分含量小于等于0.10%,钛元素的质量百分含量为0.1%~0.2%,锆元素的质量百分含量为0.10%~0.25%,钒元素的质量百分含量为0.05%~0.15%,铍元素的质量百分含量小于等于0.0003%,余量为Al。
一种Al-Cu合金丝的制备方法,该方法的步骤包括:
(1)配料:选取工业纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金,按成分比例进行配比;
(2)合金熔炼:将配好的料加入坩埚炉内进行熔炼,熔炼温度在700-800℃范围内,熔炼时间1-2h,熔炼完成后进行精炼,精炼温度在700-750℃,精炼时间10-15min,得到精炼料;
(3)半连续铸造:将步骤(2)得到的精炼料采用半连续铸造方法制备铸锭,铸造速度100-200mm/min;
(4)均匀化处理:将步骤(3)得到的铸锭进行均匀化处理,均匀化制度为首先在450-460℃温度保温18-22h,然后升温至530-540℃保温18-22h;
(5)热挤压:将步骤(4)均匀化处理后的铸锭进行挤压,挤压成直径为φ10-15mm的棒材;
(6)拉拔成丝:将步骤(5)得到的棒材在拔丝机上进行拉拔,并进行多次退火,最终得到Al-Cu合金丝的直径为1.0mm、1.2mm或1.6mm。
一种Al-Cu合金丝的应用,将该Al-Cu合金丝采用电弧熔丝增材的方式制备铝合金壳段、框梁、支架等结构,并对制备的结构进行热处理;电弧熔丝增材的参数为:电流波形CMT1369,送丝速度7-10m/min,扫描速度6-9mm/s,摆弧频率2-4Hz,摆弧幅度3-8mm;热处理的参数为:首先在535-540℃温度下保温1-2h,保温结束后进行水淬,然后再在170-190℃温度下保温2-5h,炉冷至室温。
本发明的Al-Cu合金丝与商用的ER2319焊丝成分相比,主要改进体现在以下几方面:
(1)减少了Cu元素含量,其含量控制为5.2-6.2wt%之间。Cu含量减少,可以减少丝材熔化凝固时枝晶间偏析的α(Al)+θ(Al2Cu)共晶含量。在随后的固溶处理中,θ(Al2Cu)向α(Al)基体内溶解,增材制造构件热处理后的成形组织会残留更少的脆性θ(Al2Cu)相,从而提高构件塑性;
(2)进一步减少Fe、Si杂质含量,其中Fe≤0.15wt%,Si≤0.10wt%。Fe、Si元素是Al-Cu合金中的有害元素,丝材熔化凝固后以块状α(Fe)-Al15(FeMn)3(CuSi)2和针状β(Fe)-Al7Cu2Fe形式存在。这两种脆性杂质相在随后的固溶处理中,很难向基体内溶解,其含量越高,强度和塑性下降越多。因此,减少Fe、Si杂质含量可以提高增材制造Al-Cu合金构件的强度和塑性。
(3)其他合金元素Mn、Ti、Zr、V等在ER2319规定范围内,其含量对熔丝增材制造构件力学性能影响较小,与ER2319的保持一致。
(4)本发明的丝材增材制造Al-Cu合金构件,采用热处理制度:535-540℃保温1.5h,水淬,175℃保温3h,炉冷,力学性能可以进一步得到提高。相比常规的Al-Cu合金构热处理固溶温度,本发明将固溶温度提高,可使增材制造构件沉积态中α(Al)+θ(Al2Cu)共晶尽可能充分溶解,以减少热处理后θ(Al2Cu)残留,提高热处理后构件的延伸率。
(5)采用本发明丝材成形的Al-Cu合金构件具有更高的强度。成形构件水平方向抗拉强度达到450MPa以上,垂直方向抗拉强度达到440MPa以上。而同样成形参数条件下,现有商用焊丝成形构件水平方向抗拉强度为430MPa,垂直方向抗拉强度为370MPa。
(6)采用本发明的丝材成形的Al-Cu合金构件具有更高的塑性,尤其在垂直方向上。成形构件水平方向和垂直方向的延伸率可以达到8%以上。而同样成形参数条件下,现有商用焊丝成形构件的垂直方向延伸率仅在4.0%左右。
(7)采用熔丝增材制造方法可以快速成形出零件毛坯,是一种高效率低成本的制造方法,在航天铝合金壳体结构上具有广泛的应用前景。但目前所采用的Al-Cu合金丝材主要为焊接用丝,成形结构力学性能难以达到要求。
(8)一种熔丝增材制造用Al-Cu合金丝,按质量百分比计,其化学成分为:Cu:5.2%~6.2%,Fe≤0.15%,Si≤0.10%,Mn:0.2~0.3%,Mg≤0.02%,Zn≤0.10%,Ti:0.1~0.2%,Zr:0.10~0.25%,V:0.05~0.15%,Be≤0.0003%,其他单个元素≤0.05%,杂质总量≤0.15%。
具体实施方式
一种Al-Cu合金丝的制备方法,该方法的步骤包括:
(1)配料:选取工业纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金等,按上述成分计算配比。
(2)合金熔炼:将配好的料依次加入坩埚炉内进行熔炼,熔炼温度在700-800℃范围内;对完全熔化的金属进行精炼,精炼温度在700-750℃。
(3)半连续铸造:采用半连续铸造方法制备铸锭,铸造速度100-200mm/min。
(4)均匀化处理:将铸锭进行均匀化处理,均匀化制度为455℃×20h+530℃×20h。
(5)热挤压:将均匀化的铸锭切段进行挤压,挤压后直径为φ10-15mm的棒材。
(6)拉拔成丝:将φ10-15mm的棒材在拔丝机上进行拉拔,并进行多次退火,最终得到Al-Cu合金丝的直径为1.0mm、1.2mm或1.6mm。
一种Al-Cu合金丝的应用,将该Al-Cu合金丝采用电弧熔丝增材的方式应用到铝合金壳段、框梁、支架等结构,对制备的结构进行热处理。电弧熔丝增材的参数为:电流波形CMT1369,送丝速度7-10m/min,扫描速度6-9mm/s,摆弧频率2-4Hz,摆弧幅度3-8mm。热处理的参数为:首先在535-540℃温度下保温1-2h,保温结束后进行水淬,然后再在170-190℃温度下保温2-5h,炉冷至室温。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种Al-Cu合金丝,该Al-Cu合金丝元素组成包括铜、铁、硅、锰、镁、锌、钛、锆、钒、铍,余量为Al;
其中,以该Al-Cu合金丝的总质量为100%计算,铜元素的质量百分含量为6.0%,铁元素的质量百分含量为0.11%,硅元素的质量百分含量为0.05%,锰元素的质量百分含量为0.3%,镁元素的质量百分含量为0.02%,锌元素的质量百分含量为0.01%,钛元素的质量百分含量为0.1%,锆元素的质量百分含量为0.15%,钒元素的质量百分含量为0.1%,余量为Al。
(按质量百分比计,其化学成分为:Cu:6.0%,Fe:0.11%,Si:0.05%,Mn:0.3%,Mg:0.02%,Zn:0.01%,Ti:0.1%,Zr:0.15%,V:0.1%)
一种Al-Cu合金丝的制备方法,该方法的步骤包括:
(1)配料:选取工业纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金,按成分比例进行配比;
(2)合金熔炼:将配好的料加入坩埚炉内进行熔炼,熔炼温度为780℃,熔炼时间为1h,熔炼完成后进行精炼,精炼温度在720℃,精炼时间10min,得到精炼料;
(3)半连续铸造:将步骤(2)得到的精炼料采用半连续铸造方法制备铸锭,铸造速度150mm/min;
(4)均匀化处理:将步骤(3)得到的铸锭进行均匀化处理,均匀化制度为首先在455℃温度保温20h,然后升温至535℃保温20h;
(5)热挤压:将步骤(4)均匀化处理后的铸锭进行挤压,挤压后直径为φ10mm的棒材;
(6)拉拔成丝:将步骤(5)得到的棒材在拔丝机上进行拉拔,并进行多次退火,最终得到Al-Cu合金丝的直径为1.2mm。
一种Al-Cu合金丝的应用,将该Al-Cu合金丝采用CMT Advance 4000R型焊接电源成形方式制备180mm×90mm×20mm的单壁墙试样结构,并对制备的结构进行热处理;电弧熔丝增材的参数为:电流波形CMT1369,送丝速度9m/min,扫描速度7mm/s,摆弧频率3Hz,摆弧幅度5mm;热处理的参数为:首先在540℃温度下保温1.5h,保温结束后进行水淬,然后再在175℃温度下保温3h,炉冷至室温。
对得到的成形单壁墙按国标GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法测试热处理后试样力学性能,其水平方向力学性能为:抗拉强度460MPa,屈服强度299MPa,延伸率14.6%;垂直方向力学性能为:抗拉强度450MPa,屈服强度300MPa,延伸率13.9%。
实施例2
一种Al-Cu合金丝,该Al-Cu合金丝元素组成包括铜、铁、硅、锰、镁、锌、钛、锆、钒、铍,余量为Al;
其中,以该Al-Cu合金丝的总质量为100%计算,铜元素的质量百分含量为6.1%,铁元素的质量百分含量为0.13%,硅元素的质量百分含量为0.10%,锰元素的质量百分含量为0.3%,镁元素的质量百分含量为0.01%,锌元素的质量百分含量为0.01%,钛元素的质量百分含量为0.1%,锆元素的质量百分含量为0.13%,钒元素的质量百分含量为0.1%,余量为Al。
(按质量百分比计,其化学成分为:Cu:6.1%,Fe:0.13%,Si:0.10%,Mn:0.3%,Mg:0.01%,Zn:0.01%,Ti:0.1%,Zr:0.13%,V:0.1%)
一种Al-Cu合金丝的制备方法,该方法的步骤包括:
(1)配料:选取工业纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金,按成分比例进行配比;
(2)合金熔炼:将配好的料加入坩埚炉内进行熔炼,熔炼温度为780℃,熔炼时间为1h,熔炼完成后进行精炼,精炼温度在720℃,精炼时间10min,得到精炼料;
(3)半连续铸造:将步骤(2)得到的精炼料采用半连续铸造方法制备铸锭,铸造速度150mm/min;
(4)均匀化处理:将步骤(3)得到的铸锭进行均匀化处理,均匀化制度为首先在455℃温度保温20h,然后升温至535℃保温20h;
(5)热挤压:将步骤(4)均匀化处理后的铸锭进行挤压,挤压后直径为φ10mm的棒材;
(6)拉拔成丝:将步骤(5)得到的棒材在拔丝机上进行拉拔,并进行多次退火,最终得到Al-Cu合金丝的直径为1.2mm。
一种Al-Cu合金丝的应用,将该Al-Cu合金丝采用CMT Advance 4000R型焊接电源成形方式制备180mm×90mm×20mm的单壁墙试样结构,并对制备的结构进行热处理;电弧熔丝增材的参数为:电流波形CMT1369,送丝速度9m/min,扫描速度7mm/s,摆弧频率3Hz,摆弧幅度5mm;热处理的参数为:首先在540℃温度下保温1.5h,保温结束后进行水淬,然后再在175℃温度下保温3h,炉冷至室温。
对得到的成形单壁墙按国标GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法测试热处理后试样力学性能,其水平方向力学性能为:抗拉强度456MPa,屈服强度308MPa,延伸率11.8%;垂直方向力学性能为:抗拉强度442MPa,屈服强度302MPa,延伸率8.9%。
对比例
按质量百分比计,其化学成分为:Cu:6.3%,Fe:0.17%,Si:0.20%,Mn:0.2%,Mg:0.01%,Zn:0.01%,Ti:0.1%,Zr:0.12%,V:0.1%,余量为Al。
一种Al-Cu合金丝的制备方法,该方法的步骤包括:
(1)配料:选取工业纯Al、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金,按成分比例进行配比;
(2)合金熔炼:将配好的料加入坩埚炉内进行熔炼,熔炼温度为780℃,熔炼时间为1h,熔炼完成后进行精炼,精炼温度在720℃,精炼时间10min,得到精炼料;
(3)半连续铸造:将步骤(2)得到的精炼料采用半连续铸造方法制备铸锭,铸造速度150mm/min;
(4)均匀化处理:将步骤(3)得到的铸锭进行均匀化处理,均匀化制度为首先在455℃温度保温20h,然后升温至535℃保温20h;
(5)热挤压:将步骤(4)均匀化处理后的铸锭进行挤压,挤压后直径为φ10mm的棒材;
(6)拉拔成丝:将步骤(5)得到的棒材在拔丝机上进行拉拔,并进行多次退火,最终得到Al-Cu合金丝的直径为1.2mm。
采用CMT Advance 4000R型焊接电源成形180mm×90mm×20mm的单壁墙试样。成形参数为:电流波形CMT1369,送丝速度9m/min,扫描速度7mm/s,摆弧频率3Hz,摆弧幅度5mm。成形单壁墙进行如下热处理:540保温1.5h,水淬,175℃保温3h,炉冷。按国标GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法测试热处理后试样力学性能,其水平方向力学性能为:抗拉强度433MPa,屈服强度298MPa,延伸率7%;垂直方向力学性能为:抗拉强度371MPa,屈服强度297MPa,延伸率4.5%。
Claims (10)
1.一种Al-Cu合金丝,其特征在于:该Al-Cu合金丝元素组成包括铜、铁、硅、锰、镁、锌、钛、锆、钒、铍和Al;
其中,以该Al-Cu合金丝的总质量为100%计算,铜元素的质量百分含量为5.2%~6.2%。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Cu合金丝,其特征在于:以该Al-Cu合金丝的总质量为100%计算,铁元素的质量百分含量小于等于0.15%。
3.根据权利要求1或2所述的一种Al-Cu合金丝,其特征在于:以该Al-Cu合金丝的总质量为100%计算,硅元素的质量百分含量小于等于0.10%。
4.根据权利要求1所述的一种Al-Cu合金丝,其特征在于:以该Al-Cu合金丝的总质量为100%计算,锰元素的质量百分含量为0.2%~0.3%,镁元素的质量百分含量小于等于0.02%,锌元素的质量百分含量小于等于0.10%,钛元素的质量百分含量为0.1%~0.2%,锆元素的质量百分含量为0.10%~0.25%,钒元素的质量百分含量为0.05%~0.15%,铍元素的质量百分含量小于等于0.0003%,余量为Al。
5.一种Al-Cu合金丝的制备方法,其特征在于该方法的步骤包括:
(1)选取工业纯Al及中间合金按成分比例进行配比,得到配料;
(2)将步骤(1)得到的配料加入到坩埚炉内进行熔炼,熔炼温度在700-800℃范围内,熔炼时间1-2h;熔炼完成后进行精炼,精炼温度在700-750℃,精炼时间15-20min,得到精炼料;
(3)半连续铸造:将步骤(2)得到的精炼料采用半连续铸造方法制备铸锭,铸造速度100-200mm/min;
(4)均匀化处理:将步骤(3)得到的铸锭进行均匀化处理,均匀化制度为首先在450-460℃温度保温18-22h,然后升温至530-540℃保温18-22h;
(5)热挤压:将步骤(4)均匀化处理后的铸锭进行挤压,得到棒材;
(6)拉拔成丝:将步骤(5)得到的棒材在拔丝机上进行拉拔,并进行退火,得到Al-Cu合金丝。
6.根据权利要求5所述的一种Al-Cu合金丝的制备方法,其特征在于:所述的步骤(5)中,棒材直径为φ10-15mm,所述的步骤(6)中,得到Al-Cu合金丝的直径为1.0mm、1.2mm或1.6mm。
7.一种Al-Cu合金丝的应用,其特征在于:将该Al-Cu合金丝采用电弧熔丝增材的方式制备构件,并对制备的构件进行热处理。
8.根据权利要求7所述的一种Al-Cu合金丝的应用,其特征在于:所述的构件为铝合金壳段、框梁或支架。
9.根据权利要求7所述的一种Al-Cu合金丝的应用,其特征在于:电弧熔丝增材的参数为:电流波形CMT1369,送丝速度7-10m/min,扫描速度6-9mm/s,摆弧频率2-4Hz,摆弧幅度3-8mm。
10.根据权利要求7所述的一种Al-Cu合金丝的应用,其特征在于:热处理的参数为:首先在535-540℃温度下保温1-2h,保温结束后进行水淬,然后再在170-190℃温度下保温2-5h,炉冷至室温。
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