CN109266926A - 一种Al-Cu合金丝及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Al-Cu合金丝及其制备方法和应用 Download PDF

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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

一种Al-Cu合金丝及其制备方法和应用
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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