CN110306083B - 高强韧铝硅基复合材料焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强韧铝硅基复合材料焊丝及其制备方法，所述铝硅复合材料焊丝的增强相为原位自生TiB2陶瓷颗粒；所述基体合金为Al‑Si(6.5％～7.5％)‑Mg(0.4％～1％)。所述制备方法包括以纯铝、Al‑Si中间合金、Al‑Cu中间合金、Al‑Mg中间合金等为原料，制得中间熔体，均匀化热处理后，将中间熔体经过热挤压、拉制和表面处理，即得。本发明制备的铝硅基复合材料焊丝适用于电弧增材制造技术。

Description

高强韧铝硅基复合材料焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强韧铝硅基复合材料焊丝及其制备方法，尤其涉及一种应用于电弧增材制造的高强高模纳米颗粒增强铝硅基复合材料焊丝及其制备方法。
背景技术
铝合金具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀性，同时还具有良好的成形工艺性和焊接性，加之成本比较低，因此，成为航空、航天、船舶、汽车、列车、化工、军事等领域应用最广泛的一类有色金属结构材料。其中铝硅合金具有良好铸造性能和耐磨性能，在铸造铝合金中用量最大。通过原位自生法添加TiB2颗粒进一步增强其模量刚度等力学性能，得到了广泛的关注和应用。
航空航天、国防军工等领域的飞速发展，对材料力学性能以及结构复杂程度提出了新的要求。电弧增材制造的出现可以很好地解决了上述难题，电弧增材制造相比激光增材制造沉积效率高，更适合打印大型零部件。在兼顾解决大型结构的同时，由于冷却速度快，可以细化晶粒，改善颗粒及合金元素分布，优化组织均匀性，提高材料的塑性、强度及耐腐蚀性能。目前，电弧增材制造在不锈钢、钛合金和高温合金等方面的研究和应用已经日益成熟，然而铝及其合金由于其容易产生气孔、易氧化等特点，可供使用的铝合金焊丝种类有限，极大的限制了铝材在增材制造领域的发展。
铝合金在电弧增材制造过程中容易产生气孔，排除工艺因素本身限制及不合适的工艺参数引起气孔，还包括铝合金中所含的低蒸发元素的含量，都会。而铝硅合金的主要强化元素为Mg元素，通过Mg元素的添加在热处理过程中析出弥散的Mg2Si相强化基体。研究发现Mg元素在电弧增材的过程有一定的损耗，而在损耗过程中容易引起气孔，因而虽然Mg元素对于铝硅合金有强化作用，但仍不能作为电弧打印铝硅合金的主要强化元素。开发可替代Mg元素的强化元素为发展电弧增材应用铝硅基焊丝为目前的重要发展方向。
原位自生法添加的TiB2颗粒有着细化晶粒，强化基体，在电弧打印过程中能稳定存在等优点。由这种工艺制得的铝基复合材料能获得较好的综合性能，兼具铝基体的延展性和陶瓷颗粒的高强度高模量。在铸态条件下，即使是原位自生法添加的TiB2颗粒都会出现一定程度的团聚，而在电弧对熔池的搅拌作用下颗粒分布均匀弥散，最大程度地提升了铝硅基复合材料的性能。在基体中加入TiB2颗粒后使得打印过程中基体的耐高温和稳定性有所提高，一定程度上降低Mg的损耗，从各种方向强化打印样件的性能。因此原位自生法添加的TiB2颗粒可作为铝硅合金中Mg元素的协同强化元素及替代性元素。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高强韧铝硅基复合材料焊丝及其制备方法，尤其是提供一种高强高模纳米颗粒增强铝硅基复合材料焊丝及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明提供一种铝硅基复合材料焊丝，所述焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；所述基体合金由如下重量百分比含量的各组分组成：Al-Si(6.5％～7.5％)-Mg(0.4％～1％)；所述增强相为TiB2颗粒。
优选地，所述TiB2颗粒的质量为1-2％；所述TiB2颗粒的尺寸为30～500nm。
优选地，所述焊丝的直径为1.0、1.2、1.6或2.0mm。
第二方面，本发明提供一种所述的铝硅基复合材料焊丝的制备方法，包括如下步骤：
S1、铸造：将纯铝、Al-Si中间合金熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后得母料；将母料熔融后加入Mg粒，然后添加精炼剂进行除气精炼，将精炼所得的熔体静置后得到铸锭；
S2、均匀化：将步骤S1所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；
S3、挤压：将步骤S2所得的铸坯挤压成铝合金线坯；
S4、拉制：将步骤S3所得的铝合金线坯经过多道次拉制，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，最后将所述铝基合金线坯拉制成各种规格的焊丝。
优选地，步骤S1中，所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；所述升温为升温至700～800℃；
所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂；所述除气精炼的条件为：温度为650～750℃；
所述静置的时间为45-60min。
优选地，步骤S2中，所述均匀化退火的步骤为：在500-525℃温度下保温24-36h。
优选地，步骤S3中，所述挤压的条件为：挤压比为7-8，挤压速度为1.0-2.0m/min。
优选地，步骤S4中，所述去应力退火的温度为450-520℃，所述去应力退火的时间为3h-6h，且所述去应力退火的温度和时间随道次递增。
优选地，步骤S4中，将所述铝基合金线坯拉制成直径为1.0、1.2、1.6或2.0mm规格的焊丝。
优选地，还包括如下步骤：
S5、表面处理：对步骤S4所得的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
优选地，所述酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，所述酸洗的温度为50-60℃，所述酸洗的时间为60-90s；
所述抛光所用混合酸液组分为：H3PO4：50wt％；H2SO4:35wt％；HNO3:8wt％；H2O：7wt％；
所述钝化采用质量分数为10-15％的重铬酸钾，钝化时间为10-15s。
第三方面，本发明提供一种所述的铝硅基复合材料焊丝的在电弧增材制造中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明获得一种高强高模纳米颗粒增强铝硅基复合材料焊丝。
2、本发明配备的制丝工序中通过去应力退火温度和时间随道次递增逐步提升，焊丝的强度硬度逐步提高，而韧性也能保持。具有这种性质的焊丝才能实现连续生产，与电弧丝打印所匹配。
3、本发明的焊丝所添加的TiB2颗粒与电弧增材制造技术匹配应用，颗粒弥散分布在基体中，性能显著提升。
附图说明
图1为使用实施例1制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图；
图2为使用实施例2制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图；
图3为使用实施例3制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图；
图4为使用实施例4制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
将纯铝299g、Al-Si中间合金680g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至700℃进行熔炼；将均匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔体中搅拌，反应结束扒渣后得母料；将母料放入坩埚中熔融后加入Mg粒11g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，将熔体静置45min后得到铸锭；将铸锭进行均匀化退火，即在505℃温度下保温28h。充分均匀化后的铝基复合材料铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在8，挤压速度为1.0-2.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，所述去应力退火的温度为450-520℃，所述去应力退火的时间为3h-6h。直至将铝基复合材料线坯拉制成直径为1.6mm规格的焊丝。采取多道次以及交替性提升温度延长去应力退火时间是基于材料拉伸过程中逐步硬化，保证拉制过程的工业化连续性。
将铝基复合材料焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为55℃，酸洗时间70s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为15％的重铬酸钾，钝化时间为15s。
铝硅基复合材料焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(6.8％)-Mg(0.98％)-TiB2(1.12％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al；TiB2颗粒的尺寸为30～500nm。
实施例2
将纯铝330g、Al-Si中间合金654g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至750℃进行熔炼；将均匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔体中搅拌，反应结束扒渣后得母料；将母料放入坩埚中熔融后依次加入Mg粒7g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，静置50min后得到熔体；将铸锭进行均匀化退火，即在510℃温度下保温30h。充分均匀化后的铝基复合材料铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在7.5，挤压速度为1.0-2.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减。所述去应力退火的温度为450-520℃，所述去应力退火的时间为3h-6h，且所述去应力退火的温度和时间随道次递增。直至将铝基复合材料线坯拉制成直径为1.2mm规格的焊丝。
将铝基复合材料焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为55℃，酸洗时间80s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为13％的重铬酸钾，钝化时间为12s。
铝硅基复合材料焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(6.54％)-Mg(0.68％)-TiB2(1.98％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al，其中TiB2颗粒的尺寸为30～500nm。
实施例3
将纯铝293.8g、Al-Si中间合金686g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至800℃进行熔炼；将均匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔体中搅拌，反应结束扒渣后得母料；将母料放入坩埚中熔融后依次加入Mg粒4.5g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，静置60min后得到熔体；将铸锭进行均匀化退火，即在500℃温度下保温24h。充分均匀化后的铝基复合材料铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在7，挤压速度为1.0-2.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，所述去应力退火的温度为450-520℃，所述去应力退火的时间为3h-6h。直至将铝基复合材料线坯拉制成直径为2.0mm规格的焊丝。
将铝基复合材料焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为50℃，酸洗时间60s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为15％的重铬酸钾，钝化时间为15s。
铝硅基复合材料焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(6.86％)-Mg(0.44％)-TiB2(1.58％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al；TiB2颗粒的尺寸为30～500nm。
实施例4
将纯铝234g、Al-Si中间合金745g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至780℃进行熔炼；将均匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔体中搅拌，反应结束扒渣后得母料；将母料放入坩埚中熔融后依次加入Mg粒5.5g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，静置50min后得到熔体；将铸锭进行均匀化退火，即在525℃温度下保温36h。充分均匀化后的铝基复合材料铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在7.2，挤压速度为1.0-2.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，所述去应力退火的温度为450-520℃，所述去应力退火的时间为3h-6h。直至将铝基复合材料线坯拉制成直径为1.0mm规格的焊丝。
将铝基复合材料焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为60℃，酸洗时间90s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为10％的重铬酸钾，钝化时间为10s。
铝硅基复合材料焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(7.45％)-Mg(0.53％)-TiB2(1.59％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al；TiB2颗粒的尺寸为30～500nm。
对比例1
本对比例与实施例4的制备方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例采用的合金原料含量不同，制得的铝硅基复合材料焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(8％)-Mg(0.53％)-TiB2(1.59％)。
对比例2
本对比例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例采用的合金原料含量不同，制得的铝硅基复合材料焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(6.8％)-Mg(1.53％)-TiB2(1.12％)。
对比例3
本对比例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例采用的合金原料含量不同，制得的铝硅基复合材料焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(6.8％)-Mg(1.53％)-TiB2(0.5％)。
对比例4
本对比例与实施例4的制备方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例进行拉制时，每一次去应力退火的参数相同，均为500℃，24h。
对比例5
本对比例与实施例4的制备方法基本相同，不同之处仅在于：本对比例进行拉制时，拉制与去应力退火不交替进行，直接在多道次拉制结束后进行去应力退火。
在本对比例的焊丝制备过程中，设备出现摩擦力大受阻的情况，无法成功连续制丝。
性能测试结果
1、应用MIG焊接热源，使用本实施例1-4制备的铝硅基复合材料焊丝进行电弧增材制造。如图1至图4可看出，电弧增材制造后的颗粒均匀弥散。可见，组织和性能都得到优化。
2、将实施例1-4和对比例1-4制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造，将制造所得试样件经T6处理后进行拉伸性能测试，试样测试标准采用ASTM E8金属拉伸试验标准，实验设备型号为Zwick Z-100；结果如下表1所示，性能数据结果均为三个样品取样后的平均值。
表1实施例1-4和对比例1-4的拉伸性能数据
Figure BDA0002142056490000071
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种铝硅基复合材料焊丝，其特征在于，所述焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；所述基体合金由如下重量百分比含量的各组分组成：Al-Si(6.5％～7.5％)-Mg(0.4％～1％)；所述增强相为TiB2颗粒，TiB2颗粒的质量为焊丝相对总重量的1％-2％；
所述铝硅基复合材料焊丝通过如下步骤制得：
S1、铸造：将纯铝、Al-Si中间合金熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，将均匀混合的KBF4、K2TiF6粉末烘干后加入熔炼所得的熔体中搅拌，反应结束扒渣后得母料；将母料熔融后加入Mg粒，然后添加精炼剂进行除气精炼，将精炼所得的熔体静置后得到铸锭；
S2、均匀化：将步骤S1所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；
S3、挤压：将步骤S2所得的铸坯挤压成铝合金线坯；
S4、拉制：将步骤S3所得的铝合金线坯经过多道次拉制，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，最后将所述铝基合金线坯拉制成各种规格的焊丝；
步骤S4中，所述去应力退火的温度为450-520℃，所述去应力退火的时间为3h-6h，且所述去应力退火的温度和时间随道次递增。
2.根据权利要求1所述的铝硅基复合材料焊丝，其特征在于，所述TiB2颗粒的尺寸为30～500nm。
3.根据权利要求1所述的铝硅基复合材料焊丝，其特征在于，步骤S1中，所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；所述升温为升温至700～800℃；
所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂；所述除气精炼的条件为：温度为650～750℃；
所述静置的时间为45-60min。
4.根据权利要求1所述的铝硅基复合材料焊丝，其特征在于，步骤S2中，所述均匀化退火的步骤为：在500-525℃温度下保温24-36h。
5.根据权利要求1所述的铝硅基复合材料焊丝，其特征在于，步骤S3中，所述挤压的条件为：挤压比为7-8，挤压速度为1.0-2.0m/min。
6.根据权利要求1所述的铝硅基复合材料焊丝，其特征在于，还包括如下步骤：
S5、表面处理：对步骤S4所得的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
7.根据权利要求6所述的铝硅基复合材料焊丝，其特征在于，所述酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，所述酸洗的温度为50-60℃，所述酸洗的时间为60-90s；
所述抛光所用混合酸液组分为：H3PO4：50wt％；H2SO4:35wt％；HNO3:8wt％；H2O：7wt％；
所述钝化采用质量分数为10-15％的重铬酸钾，钝化时间为10-15s。
8.一种根据权利要求1所述的铝硅基复合材料焊丝在电弧增材制造中的应用。
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