CN110480124B - 一种钛/铝异种材料的增材制造方法 - Google Patents

一种钛/铝异种材料的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钛/铝异种材料的增材制造方法，采用钛下铝上的方法分别进行增材制造，构件界面层厚度低于10μm，堆焊过程，使用直流CMT焊，对钛/铝合金进行增材制造，可以得到表面没有缺陷的构件。

Description

一种钛/铝异种材料的增材制造方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造领域，更具体地说，尤其涉及异种金属增材制造的方法。
背景技术
钛/铝合金的连接具有轻量化的优势，已经在汽车行业以及航空航天方向广泛应用。但是，由于钛/铝合金的物理化学性质具有较大差异，导致钛合金与铝合金连接比较困难。使用传统的熔化焊，在钛/铝界面层产生一定厚度的金属间化合物，严重恶化了接头力学性能。冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)技术是奥地利福尼斯公司在异种金属焊接、无飞溅引弧技术以及微连接技术基础之上开发成功的一种低热输入量焊接工艺。CMT技术的创新之处在于将熔滴过渡与送丝过程相结合，真正实现了无飞溅焊接；由于对熔滴过渡过程的有效控制，降低焊接热输入，同时可以实现金属构件电弧增材制造的成形控制。增材制造(additive manufacturing,AM)技术是通过采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的切削加工技术，是一种自下而上材料累加的制造方法。目前，增材制造主要集中在同种材料，异种金属增材制造的报道极少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用CMT焊，钛/铝合金异种金属增材制造的方法。堆焊过程，使用直流CMT焊，对钛/铝合金进行增材制造，可以得到表面没有缺陷的构件。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种钛/铝异种材料的增材制造方法，在钛合金基板上使用钛焊丝进行CMT增材制造形成钛合金构件，之后在钛合金构件表面使用铝焊丝进行CMT增材制造，以形成铝合金构件，最终得到钛下铝上的钛/铝异种材料。
而且，钛合金基板为TC4钛合金基板，钛焊丝为TC4，铝焊丝选用ER4043。
而且，利用CMT钛合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，冷金属过渡焊(CMT)采用钛合金程序，峰值电流为130—150A，平均电流为70—80A，平均电压为13—18V，送丝速度为5—7m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
而且，利用CMT铝合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，CMT冷金属过渡焊采用铝合金程序，平均电流为80—90A，平均电压为20—25V，送丝速度为4—6m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
而且，钛合金增材制造层数为10—20层，铝合金增材制造层数为20—30层。
利用上述的增材制造方法实现钛下铝上的增材制造，得到钛下铝上的钛/铝异种材料，钛/铝界面出现平均8—12微米的反应层，拉伸强度平均为110—120MPa，应变平均为3—3.5％，且拉伸断裂位置位于铝钛界面层。
本发明采用钛下铝上的方法进行增材制造，可以得到性能良好的构件，构件界面层厚度在10μm左右，在构件界面层中，铝合金侧钛含量较高，钛合金侧铝含量稳定，说明堆焊过程中，钛合金表面微熔，少量的钛原子向液态铝合金扩散，构件拉伸断口均断于界面层。
附图说明
图1为本发明制备的钛/铝合金构件照片。
图2为利用本发明技术方案得到的钛/铝构件组织形貌照片，其中(a)构件横截面；(b)铝合金；(c)界面层；(d)钛合金。
图3为利用本发明技术方案得到的钛/铝构件的界面层的元素线扫图。
图4为本发明构件拉伸试样结构图，其中上部为试样尺寸示意图，单位为度、mm；下侧为试样照片，深色区域为钛合金，浅色区域为铝合金。
图5为本发明构件拉伸试样的拉伸曲线图，横坐标为应变(％)，纵坐标为应力(MPa)。
图6为利用本发明拉伸试样进行拉伸试验后断口位置照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
本发明涉及的钛/铝合金电弧增材制造试验基板为TC4钛合金，基板尺寸为200×150×4mm，钛焊丝选用TC4，铝焊丝选用ER4043。采用直流冷金属过渡技术(cold metaltransfer,CMT)进行钛/铝合金电弧增材制造试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMT Advanced 4000型焊机。
表1钛焊丝和钛基板的化学成分(wt％)
Figure BDA0001661507580000031
表2铝焊丝的材料成分表
Figure BDA0001661507580000032
试验前用钢丝刷将钛合金基板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜；利用CMT铝合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，CMT冷金属过渡焊开始选择钛合金程序在钛合金基板上堆焊钛合金15层，送丝速度为7.2m/min，焊枪总体行走速度为0.3m/min，气体流量为20L/min，峰值电流为130A，平均电流为70A，平均电压为13V；之后选择铝合金程序，在第15层钛合金表面堆焊铝合金25层，设定焊接参数，平均电流为85A，平均电压为20V，送丝速度为4m/min，焊枪总体行走速度为30cm/s，气体流量为20L/min。
堆焊后，切取构件的横截面进行打磨和抛光，利用Keller试剂进行腐蚀，腐蚀时间1分钟，用金相显微镜、扫描电镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对构件的微观组织进行分析，在纵向方向截取拉伸试样(即沿着堆焊方向进行取样，一侧是钛合金，一侧是铝合金)。打磨拉伸试样厚度为2mm，拉伸试样表面光滑，不存在凹槽，在室温20—25摄氏度条件下，用电子万能材料试验机测试构件抗拉强度，拉伸速度为0.5mm/min(参考文献The strengtheningeffect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on theadditively manufactured Al–6.3Cu alloy，Materials Science&Engineering A651，2016，18–26)，具体详见附图所示。
图1中下侧深色区域为堆焊形成的钛合金，上层浅色区域为堆焊形成的铝合金，表面没有缺陷。如附图2所示，(a)构件横截面；(b)铝合金；(c)界面层；(d)钛合金，在铝侧有气孔存在，同时，在A区有长条状金属间化合物存在，在B区，钛/铝界面出现10微米左右的反应层(平均为8—12微米)，该反应层成为构件的薄弱区，C区成形网篮状组织，为典型的钛合金组织。从图3来看，构件界面层厚度在10μm左右，对构件界面层线扫分析发现，自铝合金A到钛合金B处，铝合金侧钛含量较高，钛合金侧铝含量稳定，说明堆焊过程中，钛合金表面微熔，少量的钛原子向液态铝合金扩散，形成较为稳定的界面层结构。以图4所示的试样进行拉伸试验，结果如图5和6所示，构件试样拉伸断口均断于界面层，且断裂时应力可达110MPa以上，应变为3％以上，说明利用本发明的钛下铝上的方法进行增材制造，可以得到性能良好的构件。
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现钛下铝上的增材制造，且钛/铝界面出现平均8—12微米的反应层，拉伸强度平均为110—120MPa，应变平均为3—3.5％，且拉伸断裂位置位于铝钛界面层。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种钛/铝异种材料的增材制造方法，其特征在于，在钛合金基板上使用钛焊丝进行CMT增材制造形成钛合金构件，之后在钛合金构件表面使用铝焊丝进行CMT增材制造，以形成铝合金构件，最终得到钛下铝上的钛/铝异种材料。
2.根据权利要求1所述的一种钛/铝异种材料的增材制造方法，其特征在于，钛合金基板为TC4钛合金基板，钛焊丝为TC4，铝焊丝选用ER4043。
3.根据权利要求1所述的一种钛/铝异种材料的增材制造方法，其特征在于，利用CMT钛合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，冷金属过渡焊(CMT)采用钛合金程序，峰值电流为130—150A，平均电流为70—80A，平均电压为13—18V，送丝速度为5—7m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
4.根据权利要求1所述的一种钛/铝异种材料的增材制造方法，其特征在于，利用CMT铝合金一元化程序进行增材制造，即通过设定送丝速度，焊接过程中，焊接电流，焊接电压根据一元化程序自动匹配，CMT冷金属过渡焊采用铝合金程序，平均电流为80—90A，平均电压为20—25V，送丝速度为4—6m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min。
5.根据权利要求1所述的一种钛/铝异种材料的增材制造方法，其特征在于，钛合金增材制造层数为10—20层，铝合金增材制造层数为20—30层。
6.如权利要求1—5之一所述的方法增材制造的钛/铝异种材料，其特征在于，钛/铝界面出现平均8—12微米的反应层，拉伸强度平均为110—120MPa，应变平均为3—3.5％，且拉伸断裂位置位于铝钛界面层。
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