CN110573276B - 制造铝合金零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造零件(20)的方法，该方法包括形成彼此叠置的连续的金属层(201…20n)，每一层描绘出由一种数值模型定义的图案，每一层通过以下方式形成：沉积称为填充金属的金属(15，25)，对所述填充金属在大于大气压力0.5倍的压力下进行能量输入以熔化并构成所述层，所述方法的特征在于填充金属为2xxx系铝合金，所述2xxx系铝合金包含以下合金元素：‑Cu，其质量分数为3％至7％；‑Mg，其质量分数为0.1％至0.8％；‑选自以下的至少一种元素或至少两种元素或甚至至少三种元素：·Mn，其质量分数为0.1％至2％，优选至多1％且最优选至多0.8％；·Ti，其质量分数为0.01％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；·V，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；·Zr，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；·Cr，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；和‑任选地选自以下的至少一种元素或至少两种元素或甚至至少三种元素：·Ag，其质量分数为0.1％至0.8％；·Li，其质量分数为0.1％至2％，优选0.5％至1.5％；·Zn，其质量分数为0.1％至0.8％。

Description

制造铝合金零件的方法
技术领域
本发明的技术领域为一种实施增材制造(fabrication additive)技术来制造铝合金零件的方法。
背景技术
自20世纪80年代以来，增材制造技术得到发展。与旨在移除材料的机械加工技术不同，这些技术包括通过添加材料来形成零件。增材制造以前局限于原型设计(prototypage)，目前可用于制造一系列工业产品，包括金属零件。
根据法国标准XP E67-001，术语“增材制造”被定义为“可通过添加材料来逐层由数字对象制造物理对象的一组方法”。标准ASTM F2792(2012年1月)也定义了增材制造。不同的增材制造方法在标准ISO/ASTM 17296-1中也有定义和记载。使用增材制造来制备具有低孔隙率的铝零件记载于专利文件WO2015/006447中。通常通过施加所谓的填充材料，然后使用激光束、电子束、等离子炬或电弧型的能量源来熔化或烧结填充材料来进行连续层的施加。无论应用何种增材制造方法，每次增加的层的厚度等于约几十或几百微米。
其他出版物记载了使用粉末或丝材形式的铝合金作为填充材料。Gu J.的出版物“Wire-Arc Additive Manufacturing of Aluminium”Proc.25th Int.Solid FreeformFabrication Symp.,2014年8月,University of Texas,451-458记载了一种称为WAAM(“Wire+Arc Additive Manufacturing(丝材+电弧增材制造)”的首字母缩写)的增材制造方法的应用实例，所述实例使用铝合金制备用于航空领域的低孔隙率零件。WAAM方法基于电弧焊。其包括在一层之上依次堆叠不同的层，每一层对应于由丝材形成的焊缝。该方法可获得最高达3kg/h的相对大累积重量的沉积材料。当使用铝合金进行该方法时，铝合金通常为2319型合金。Fixter出版物“Preliminary Investigation into the Suitability of2xxx Alloys for Wire-Arc Additive Manufacturing”研究了使用WAAM方法由多种铝合金制造的零件的机械性能。更特别地，在铜含量保持为以质量计4％至6％的情况下，作者改变了镁含量并在WAAM方法中数字模拟了2xxx合金的热开裂敏感性(经常被称为“hotcracking susceptibility”)。作者得出结论，最佳镁含量为1.5％，并且铝合金2024是特别适合的。作者不推荐在增材制造方法中使用2139型铝合金。
其他出版物记载了使用特定的铝合金作为填充材料。Alcoa提交的专利文件WO2016/145382公开了一种基于铝的材料，所述基于铝的材料具有高体积百分比(1至30体积％)的至少一个陶瓷相。由此公开的材料特别是含有大量的钛(约3％)。此外，Microturbo提交的专利文件WO2016/142631公开了一种用于制备压缩机的材料，该材料具有特别是包含3.17％钛的A20XTM合金基材。最后，Ind.Tech.Res.Inst.提交的专利文件EP3026135公开了一种使用主要包含硅的合金通过增材制造来制造零件的方法。
Brice C.的题为“Precipitation behavior of aluminum alloy 2139fabricated using additive manufacturing”Material Science and Engineering 648(2015)9-14(以下称为Brice 2015)的文件公开了使用增材制造方法，其中填充金属是通过在真空室内暴露于电子束的丝材形成的。在该文件中，零件形成为壁的形状。为了补偿由于低压导致的镁蒸发，形成填充金属的合金含有过量的镁。由此形成的零件具有可接受的硬度。然而，由于其镁含量的变化太大，机械性能水平可由零件的一个点变化到另一个点，并且特别是根据所形成的壁的高度而变化。这种异质性与某些技术领域(例如航空学)的要求不相适应。
可使用其他增材制造方法。例如以非限制性方式可提及熔化或烧结粉末形式的填充材料。这可涉及激光烧结或熔化。专利申请US2017/0016096公开了一种通过局部熔化来制造零件的方法，所述熔化通过将粉末暴露于电子束或激光束类型的能量束而获得。该方法也称为“Selective Laser Melting(选择性激光熔化)”的缩写词SLM或“Electron BeamMelting(电子束熔化)”的缩写词“EBM”。该粉末由一种铝合金形成，所述铝合金的铜含量以重量计为5％至6％，其镁含量以重量计为2.5％至3.5％。
通过增材制造获得的铝零件的机械性能取决于形成填充金属的合金，并且更确切地取决于其组成，以及所应用的热处理。发明人已确定了一种合金组成，当该合金组成用于增材制造方法时，能够获得具有优异的机械性能水平的零件。
发明内容
本发明的第一个目的是一种制造零件的方法，该方法包括形成彼此叠置的连续的固体金属层，每一层描绘出由一种数值模型定义的图案，每一层通过以下步骤形成：沉积称为填充金属的金属，对所述填充金属进行能量输入以熔化和通过固化而构成所述层，该方法在大于大气压力0.5倍的压力下实施，所述方法的特征在于填充金属为2xxx系铝合金，所述2xxx系铝合金至少包含以下合金元素：
-Cu，其质量分数为3％至7％；
-Mg，其质量分数为0.1％至0.8％；
-选自以下的至少一种元素或至少两种元素或甚至至少三种元素：
·Mn，其质量分数为0.1％至2％，优选至多1％且最优选至多0.8％；
·Ti，其质量分数为0.01％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；
·V，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；
·Zr，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；
·Cr，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；和
-任选地选自以下的至少一种元素或至少两种元素或甚至至少三种元素：
·Ag，其质量分数为0.1％至0.8％；
·Li，其质量分数为0.1％至2％，优选0.5％至1.5％；
·Zn，其质量分数为0.1％至0.8％。
这样的镁含量能够限制开裂风险。应注意，镁含量特别是小于专利申请US2017/0016096中公开的含量。发明人预计，镁含量太高会导致开裂风险，这与某些应用(例如在航空工业中)的要求不相适应。这是镁含量以重量分数计优选不超过0.8％且优选不超过0.6％的原因。
Mn、Ti、V、Zr和Cr元素可导致形成弥散相或薄金属间相，从而使所得材料的硬度提高。
Cu、Mg、Zn和Li元素可通过沉淀硬化或通过其对固溶体性能的影响而对材料的强度产生作用。
所述合金还可包括至少一种以下元素：
-Fe，其质量分数为至多0.8％；
-Si，其质量分数为至多1％。
当根据常规制造方法由通过浇铸获得的合金制造零件时，这两种元素通常被认为是杂质。通常认为，这两种元素能够劣化以此方式制造的零件的机械性能、特别是其延展性或强度。使用增材制造类型的制造方法可容许这些元素的含量更高，而不会劣化所制造零件的机械性能。在一个实施方案中，Fe和Si的最小质量分数为0.05％，且优选0.1％。
任选地，可添加至少一种选自Co、Ni、W、Nb、Ta、Y、Yb、Nd、Er、Hf、La和Ce的元素，其含量为至多2重量％，以形成额外的弥散相。
该材料包括质量分数小于0.05％(即500ppm)的其他元素或杂质。其他元素或杂质的累积质量分数小于0.15％。
在本发明的一个实施方案中，所述2xxx系合金选自AA2022、AA2050、AA2055、AA2065、AA2075、AA2094、AA2095、AA2195、AA2295、AA2395、AA2098、AA2039和AA2139，并且优选选自AA2075、AA2094、AA2095、AA2195、AA2295、AA2395、AA2039和AA2139。
Cu的质量分数可有利地为4％至6％。
根据本发明，可理解，填充金属用于排除任何陶瓷相。因此，优选地，填充金属不包括任何陶瓷相。
根据本发明，术语“2xxx系铝合金”应理解为意指如文件
“Registration Record Series–Teal Sheets–International Alloydesignations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and WroughtAluminum Alloys”,The Aluminum Association,2009年2月(2015年1月修订)中记载的合金。该文件为铝合金领域的参考文件，并且是本领域技术人员已知的。其在第28页中特别指出，2xxx系铝合金的主要合金元素为铜。另一方面，该文件的第2至4页给出了这类合金的不同元素的限制，并规定了该合金的其余组成为铝。更具体地，在铝合金领域中习惯上仅给出非铝元素的量，应理解，铝的量构成组成的其余部分。此外，铝合金可含有杂质，通常杂质的存在量为以质量计各自最高达0.05％，且以质量计总共最高达0.15％。
根据一个实施方案，该方法在形成层之后，可包括以下步骤：
-固溶热处理，然后淬火和时效处理，或
-通常在至少100℃且至多400℃的温度下进行热处理，
-和/或热等静压(HIP)。
热处理特别是可使得残余应力能够被度量，和/或额外沉淀硬化相。
HIP处理特别是能够改善伸长性能和疲劳性能。热等静压可在热处理之前、之后进行，或代替热处理进行。
根据一个实施方案，该方法包括在形成层之后，热等静压处理，然后时效处理，或然后固溶热处理、淬火然后时效处理。
有利地，热等静压在250℃至550℃、优选300℃至450℃的温度下，在500巴至3,000巴的压力下进行，并持续1至10小时。
根据一个实施方案，该方法包括淬火、固溶热处理和时效处理，其中在淬火和时效步骤之间进行冷变形。
有利地，在400至550℃的温度下进行固溶热处理，并且用含水液体进行淬火。优选地，在130℃至170℃的温度下进行时效处理。
任选地，零件的机械变形可在制造方法的阶段进行，例如在增材制造之后和/或热处理之前。
根据适于结构硬化合金的另一个实施方案，可进行固溶热处理，然后对所形成的零件进行淬火和时效处理，和/或热等静压处理。在这种情况下，热等静压可有利地代替固溶热处理。然而，本发明的方法是有利的，因为其优选地不需要任何固溶热处理然后淬火。在某些情况下，固溶热处理可通过促进弥散相或薄金属间相的放大，而不利于机械强度。
根据一个实施方案，本发明的方法任选地还包括机械加工处理，和/或化学、电化学或机械表面处理，和/或摩擦抛光。可特别是进行这些处理以降低粗糙度和/或改善耐腐蚀性和/或改善耐疲劳裂纹扩展的能力。
任选地，零件的机械变形可在制造方法的阶段进行，例如在增材制造之后和/或热处理之前。
根据一个实施方案，填充金属呈丝材的形式，将其暴露于电弧导致合金局部熔化，然后固化，以形成固体合金层。根据另一个实施方案，填充金属呈粉末的形式，将其暴露于激光束导致合金局部熔化，然后固化，以形成固体层。
根据一个实施方案，该方法在环境大气压下实施。
本发明的第二个目的是一种金属零件，所述金属零件是在应用本发明的第一个目的的方法之后获得的。
本发明的第三个目的是一种金属丝材或粉末，所述金属丝材或粉末包含2xxx系铝合金，优选由2xxx系铝合金组成，所述2xxx系铝合金至少包含以下合金元素：
-Cu，其质量分数为3％至7％；
-Mg，其质量分数为0.1％至0.8％；
-选自以下的至少一种元素或至少两种元素或甚至至少三种元素：
·Mn，其质量分数为0.1％至2％，优选至多1％且最优选至多0.8％；
·Ti，其质量分数为0.01％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；
·V，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；
·Zr，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；
·Cr，其质量分数为0.05％至2％，优选至多1％且最优选至多0.3％；和
-任选地选自以下的至少一种元素或至少两种元素或甚至至少三种元素：
·Ag，其质量分数为0.1％至0.8％；
·Li，其质量分数为0.1％至2％，优选0.5％至1.5％；
·Zn，其质量分数为0.1％至0.8％。
优选地，本发明的第三目的的丝材或粉末的特征在于，其为用于焊接或增材制造的填充金属。
其他优点和特征将在说明书下文和下列附图中所示的非限制性实例中更加清楚地体现。
附图
图1A为示出WAAM类型的增材制造方法的示意图。图1B为根据参照图1A所示的方法制备的壁的照片。图1C为示出图1B所示的壁的示意图。
图2A示出对通过WAAM方法由不同合金制造的壁状零件进行的硬度比较测试，所述零件在增材制造步骤之后进行了不同的处理。
图2B示出通过WAAM方法由铝2139型合金分别进行和不进行产生T6冶金状态的热处理而获得的壁状零件的硬度沿横轴Z的变化。
图2C示出来自通过WAAM由不同合金形成的壁状零件的测试件的屈服强度和拉伸强度的变化，所述零件在增材制造步骤之后进行了不同的处理。
图2D示出通过WAAM由不同合金形成的零件的断裂伸长率的变化，所述零件在增材制造步骤之后进行了不同的处理。
图2E示出在疲劳测试期间对来自通过WAAM方法由不同合金获得的壁状零件的测试件测定的疲劳强度，所述零件在增材制造步骤之后进行了不同的处理。
图2F示出对通过WAAM方法由不同合金制造的壁状零件进行的硬度比较测试。
图2G示出通过WAAM方法由铝2295合金获得的壁状零件的硬度沿横轴Z的变化。
图2H示出由铝2295合金制备并经过不同热处理的壁的横截面。
图3A和3B示出分别用于拉伸和疲劳测试的测试件。
图4A为示出SLM类型的增材制造方法的示意图。
图4B示出通过SLM制备的不同立方体形零件的硬度测量值，所述零件在增材制造步骤之后进行了不同的热处理。
具体实施方式
在本说明书中，除非另有说明，否则：
-铝合金的名称符合The Aluminum Association制定的命名法；
-冶金状态的名称符合2017年4月生效的标准NF EN 515；
-化学元素含量表示为百分比，并表示质量分数。
图1A示出WAAM类型(“Wire+Arc Additive Manufacturing(丝材+电弧增材制造)”的首字母缩写)的增材制造装置。能量源11，在该情况下为焊炬，形成电弧12。在该装置中，焊炬11由惰性气体焊接电源提供。焊炬11由焊接机械手13维持。将待制造的零件20放置于支撑件10上。在图1A中描述的实施方案中，所制造的零件为沿横轴Z延伸的壁，所述横轴Z垂直于由支撑件10确定的纵向平面XY。在电弧12的作用下，填料丝材15——在该情况下形成焊炬11的电极——熔化，以通过固化形成焊缝。焊接机械手由数值模型M控制，并移动以形成彼此叠置的不同的层201…20n，从而形成壁20，每一层对应一个焊缝。每一层201…20n按照由数值模型M定义的图案在纵向平面XY上延伸。图1B为以此方式形成的壁的照片。图1C为壁20的示意图，壁20相对于支撑件10沿纵向平面XY以厚度e和长度l延伸，并且沿横轴Z以高度h延伸。
本发明的方法在大于大气压的0.5倍的压力下实施。因此，与在Brice2015中记载的方法不同，Mg含量保持较高并且可控，这解释了在由合金2139制造的壁测得的高硬度。此外，在实施T6处理期间，发明人认为由于致密平面{111}中Ω相的沉淀，合金2139的可控的Mg和Ag含量使得获得最佳的机械性能。此外，在大于大气压的0.5倍的压力下并且有利地在大气压左右进行处理，使零件能够通过增材制造而获得，这些零件的机械性能是均匀的。根据本发明，术语“大气压左右”应理解为优选意指80％至120％大气压。
发明人将特别是在机械强度、伸长率和疲劳特性方面的优异性能归因于Mg含量的均匀性。在大气压下操作能够更好地控制Mg含量，以及通过增材制造而制造的零件中Mg的均匀性。对于诸如航空领域的应用而言，这是特别重要的一点。
有利地，本发明的方法包括在形成层之后，进行固溶热处理，然后淬火和时效处理，以特别是获得T6冶金状态。特别地，T6处理使硬度能够显著增加，这种增加有利地为至少50％且优选至少60％。
根据一个实施方案，HIP处理可在固溶热处理之前进行，或代替固溶热处理进行。特别地，HIP处理使伸长性能和疲劳性能得到改善。
根据一个实施方案，该方法包括在淬火和时效处理之间的冷变形，冷变形包括例如修正零件的尺寸为0.5％至2％，或甚至0.5％至5％。发明人预计，这能够例如增加时效处理后的硬度，这特别是可对应于T8冶金状态和/或减少时效时间。
图4A示出另一个实施方案，其中所实施的增材制造方法为SLM型方法(选择性激光熔化(Selective Laser Melting))。根据该方法，填充材料25以粉末形式存在。能量源，在该情况下为激光源31，发射激光束32。激光源通过光学系统33耦合至填充材料，所述激光系统33的移动随数值模型M的变化来确定。激光束32跟随沿纵向平面XY的运动，描绘出依赖于数值模型的图案。激光束32与粉末25的相互作用会导致粉末25的选择性熔化，然后固化，从而形成层201…20n。当层已经形成时，将其使用填充金属的粉末25涂覆，并形成叠置在先前形成的层上的另一层。形成层的粉末的厚度可例如为10至100μm。
在应用本发明的方法之后获得的金属零件有利地在T6或T8状态中的维氏硬度Hv0.1为至少150，且优选至少170或甚至至少180。
有利地，在应用本发明的方法之后获得的金属零件在T6或T8冶金状态下的屈服强度Rp0.2为至少400Mpa，优选至少410MPa且优选至少420Mpa，和/或极限拉伸强度Rm为至少460Mpa且优选至少470MPa，和/或伸长率A％为至少6％且优选至少8％，和/或105次循环时的疲劳强度为至少240Mpa且优选至少290MPa。
实施例
实施例1
为制造不同的壁，使用多种填充丝材15：
-合金2319丝材，对应于工业焊接丝材；
-合金2219和2139丝材，由浇铸原型合金获得，所述丝材通过挤压和拉丝由直径为55mm且长度为150mm的坯料获得。
在该实施例中，填充丝线的直径为1.2mm。使用品牌Fronius的参考电源FK 4000-RFC提供的惰性气体焊接电源和Yaskawa提供的Motoman MA210焊接机械手。
壁的厚度e为4mm至6mm。壁的长度l为10cm，高度h为3cm。
WAAM方法的实施参数如下：
-焊炬移动速度：42cm/min；
-送丝速度：5至9m/min；
-测试在大气压下进行。
壁的化学组成通过ICP-OES型质谱(电感耦合高频等离子体-发射光谱法)测量。分析结果在表1中提供。每一结果对应于质量百分比。对每个壁进行分析。
合金 Si Fe Cu Mn Mg Ti Ag V Zr
2319 0.08 0.21 5.7 0.27 <0.01 0.12 <0.01 0.09 0.10
2219 0.04 0.10 6.3 0.29 <0.01 0.03 <0.01 0.12 0.17
2139 0.03 0.05 4.7 0.36 0.42 0.03 0.34 <0.01 <0.01
表1
所测试的用不同合金获得的WAAM壁没有显示出任何裂纹或微裂纹。
此外，还对填充丝材15进行了分析。填充丝材的组成与分别由各填充丝材获得的壁的组成之间，未检测到明显的变化。
2xxx系合金能够通过热处理而硬化，在壁20上进行所谓的T6处理以获得T6冶金状态。所述处理包括固溶热处理(持续时间为2h——2139的温度为529℃，2219和2319的温度为542℃——温度以40℃/h的增量升高)，淬火和时效处理(2219和2319的持续时间25h——温度175℃，2139的持续时间15h——温度175℃)。
首先表征壁20的维氏硬度Hv 0.1。根据标准NF EN ISO 6507-1进行测量。所得结果示于图2A。该图从左到右分别示出对每种合金的填充丝材15(bdf-1)、制造后原样的壁(bdf-2)、时效后的壁(R)和T6处理后的壁测量的硬度。该图中示出的每个值对应于5次测量的平均值。当进行时效而不进行固溶热处理和淬火时，参数(温度、持续时间)与上述段落中描述的参数相同。可以看出，使用合金2139获得的硬度总体上比由其他合金、特别是合金2319获得的壁的硬度更高，合金2319目前被视为实施WAAM方法的参考合金。此外，T6处理使硬度显著增加，该增加为约50％至60％。
此外，为了确保由合金2139获得的壁20的硬度在空间上的均匀性，在沿横轴Z的不同高度h上进行了多次维氏硬度Hv 0.1的测量。图2B示出分别对制造后原样的壁(bdf)(即不进行任何后处理)，以及进行固溶热处理、淬火和时效处理(T6处理)后的壁获得的结果。横坐标代表高度h，以mm表示，而纵坐标对应于所测量的维氏硬度。横坐标5mm对应于壁20与支撑件10之间的界面处(高度等于0)，由垂直虚线形成。小于5mm的横坐标对应于支撑件10。对于所分析的两个壁，检测到沿横轴Z的良好的硬度均匀性。在施加于墙壁的T6处理的作用下，还检测到硬度的显著增加，该增加为约50％至60％。与Brice 2015中记载的在低压下实施的方法相比，获得均匀的机械性能是一个特别令人关注的方面。
因此，在超过50％大气压的压力下并且理想地在大气压左右的压力下进行的处理，使零件能够通过增材制造而获得，这些零件的机械性能是均匀的。在本文中，术语“大气压左右”应理解为优选意指80％至120％大气压。
图2A和2B中示出的结果表明，合金2139有望用于在大气压下实施的增材制造技术。基于这种合金以及2319合金(被视为参考合金)通过WAAM制备了不同的壁。在每个壁上形成测试件，以进行拉伸和疲劳测试。沿横轴Z取测试样(测试件V)，或沿平行于每个壁的长度l的纵轴Y取测试样(测试件H)。测试件的几何特征取决于所进行的测试，并将在下文中描述。
在这些测试期间，每个壁20的厚度e、长度l和高度h分别等于约5mm、约440mm和约200mm。
对壁进行不同的热处理：
-T6处理：固溶热处理、淬火和时效处理，以获得T6冶金状态。对于2319，首先进行以40℃/h的升温，然后在542℃下进行固溶热处理2h。对于2319，首先进行以40℃/h的升温，然后在529℃下进行固溶热处理2h。对于每种合金，首先进行以40℃/h的升温，在175℃下进行时效处理15h。
-首先进行热等静压(HIP)，然后进行T6处理。对于每种合金，HIP参数为起始于大气压和环境温度，在2小时内升高压力和温度，然后在497℃和1,000巴下2小时。
图2C示出屈服强度Rp0.2结果(也称为首字母缩写YS)和拉伸强度Rm结果(也称为Ultimate Tensile Stress(极限拉伸应力)的首字母缩写UTS)。屈服强度Rp0.2对应于测试件0.2％的相对伸长率。实施的测试件为根据标准NF EN ISO 6892-1定义的“TOP C1”测试件，如图3A所示。每次测量对应于3个测试件获得的结果的平均值。将对每种合金获得的结果与从由2139合金制成的经过T8处理的工业金属板材取样的测试件上进行的测量进行比较。横坐标对应于所使用的合金，纵坐标对应于以MPa为单位的屈服强度或拉伸强度。对于每种合金，左侧的柱量化屈服强度Rp0.2，而右侧的柱代表极限拉伸强度Rm。字母H和V表示测试件取样所遵循的轴。
可以看出，与使用合金2319相比，不管所进行的处理(T6或HIP+T6)，使用合金2139时的屈服强度和拉伸强度总体上更大，特别是对于屈服强度。使用合金2139获得的性能水平类似于使用工业金属板材(2139-T8)获得的性能水平。
相对于使用合金2319形成的壁，使用合金2139使屈服强度和拉伸强度分别增加约40％和10％。
参考合金2319 T6 Cranfield对应于来自Gu Jianglong等人的"Thestrengthening effect of inter-layer coldworking and post-deposition heattreatment on the additively manufactured Al-6.3Cu alloy",Journal of MaterialsProcessing Technology,2016,230,26-34的著录资料。
此外，产生壁的横截面图像，使用图像处理软件估计其表面孔隙率。可以看出，在T6处理之前进行的HIP处理能够获得小于0.05％的低孔隙率。不进行HIP处理的情况下，合金2139的孔隙率为约0.5％，合金2319的孔隙率为约1.5％，其中在每种情况下均进行T6处理。可以看出，T6处理能够保留通过实施HIP处理获得的低孔隙度。
使用HIP处理对于测定的屈服强度或拉伸强度没有显著影响。然而，如图2D所示，不管取样方向如何(测试件H或V)，这样的处理使合金2319的伸长率增加至约14.5％，合金2139的伸长率增加至约9％。在图2D中，纵坐标表示由拉伸强度测试得到的测试件的相对伸长率，用百分比表示。
根据标准NF EN ISO 6072，使用如图3B所示的FPE 10A测试件进行疲劳测试。图2E示出不同合金的105次循环时的疲劳强度。获得的每个值为7个测试件的平均值。在不进行HIP处理的情况下，合金2319的105次循环时的平均疲劳强度为约240Mpa，合金2139的平均疲劳强度为约245Mpa。实施HIP处理使平均疲劳强度显著提高，对于合金2319，该值达到310Mpa；对于合金2139，该值达到295Mpa。
参考图2D和2E提供的测试示出在T6处理之前进行的HIP处理的相关性。图2C和2D示出，与2319型合金相比，使用2139型合金在大气压下通过增材制造形成的零件在屈服强度或拉伸强度方面的性能水平显著更高。
实施例2
使用由2295合金形成的填充材料进行了另一系列的测试。通过在大气压下实施WAAM方法，再次制备出与上述壁类似的壁20。各壁的化学组成(以质量分数百分比计)如下：
Li Si Fe Cu Mn Mg Ti Ag V Zr
1.08 0.02 0.04 4.53 0.34 0.18 0.02 0.23 <0.01 0.15
表2
在填充丝材上进行的测量没有显示出填充丝材的组成与由其形成的壁的组成之间的任何显著偏差。
然后对壁20进行T6处理，或首先进行热等静压(HIP)步骤然后进行T6处理。在T6处理期间，在529℃的温度下进行固溶热处理2h，并在160℃的温度下进行时效处理100h。
图2F示出通过使用不同合金获得的壁20的维氏硬度Hv 0.1值，这些测量根据标准NF EN ISO 6507-1进行。计算出每个壁的5次测量的平均值。图3A示出计算出的平均值：
-使用合金2319作为填充材料，然后如上所述对壁进行T6处理；
-使用合金2139作为填充材料，然后如上所述对壁进行T6处理；
-使用合金2295作为填充材料，然后按照前面的段落规定的参数对壁进行T6处理；
-使用2295合金作为填充材料，然后对壁进行热等静压(在497℃-1000巴下，2小时)，然后进行T6处理。
可以看出，由合金2295形成的壁的硬度明显大于由合金2139获得的壁的硬度。还可以看出，在T6固溶热处理之前进行的热等静压能够获得187Hv的硬度，也就是说：
-相对于由合金2139并经过T6处理获得的壁的硬度，增加约20％；
-相对于由合金2319并经过T6处理获得的壁的硬度，增加约35％。
图2G示出合金2295制备的壁的硬度随着高度的变化曲线，对所述壁在T6处理之前进行HIP处理。纵坐标表示硬度，横坐标表示沿Z轴的高度。可以看出，硬度在空间上是均匀的。
图2H示出所制备的壁的三个横截面，以评估孔隙率水平，更具体地，评估表面孔隙率。图2H从左至右示出由合金2295获得的壁的横截面，所述壁分别为制造后原样的壁(bdf)、进行HIP处理的壁，以及进行HIP处理然后T6处理(固溶热处理、淬火和时效)的壁。对于制造后原样的壁，表面孔隙率估计为7％，这归因于由填充材料形成的丝材的不良表面状况。热等静压可使表面孔隙率降低至0.05％。HIP后实施T6处理对孔隙率没有显著影响。
这些测试表明，合金2295特别适合于通过增材制造、特别是通过实施WAAM方法来制造零件。HIP处理和/或T6处理的结合可获得优异的机械性能。
实施例3
在该实施例中，通过上文描述的SLM方法制备壁。在以下测试中，激光源31是功率为400MW的Nd/Yag激光器。
根据该方法通过堆叠所形成的不同层，制备尺寸为1cm×1cm×1cm的立方平行六面体，粉末25由铝合金2139获得。粉末的组成通过ICP-OES测定，并在下表中以质量分数百分比给出。
Si Fe Cu Mn Mg Ti Ag V Zr
0.04 0.09 4.8 0.29 0.39 0.05 0.34 <0.01 <0.01
表3
根据标准ISO 1332使用Malvern 2000粒度分析仪进行粒度分析。描绘出体积分数随构成粉末的颗粒的直径而变化的曲线描述了类似于高斯分布的分布。如果d10、d50和d90分别代表所获得分布的10％、50％(中位数)和90％处的分数，则可定义均匀度
Figure BDA0002232782030000151
和标准差
Figure BDA0002232782030000152
对于所考虑的粉末，测得σ＝4.1±0.1％，ε＝1.5±0.1％。d10、d50和d90值分别为18.9μm、38.7μm和78μm。
UTBM(Universitéde Technologie de Belfort Montbéliard)通过改变与激光源31的功率和撞击粉末25的光束32的扫描速度有关的实验参数，制备了不同的立方体。这些参数示于表4中。第一列对应于每个测试的参考电源。第二和第三列分别对应于激光束32耗散的体积能量和粉末表面处的光束32的扫描速度。
Figure BDA0002232782030000153
表4
对制备后未进行任何处理的所谓“制备后原样”的壁(Bdf)或根据上文描述的参数(温度和持续时间)进行T6处理(包括固溶热处理、淬火和时效)的壁，进行维氏硬度Hv 0.1测量。
图4B示出所获得的结果，以维氏硬度Hv 0.1为纵坐标。每个结果为4次测量的平均值。该图还示出对通过WAAM方法制造的壁测量的维氏硬度Hv 0.1测量值，所述壁分别为在制造后原样的壁、进行时效处理的壁和进行T6处理的壁。
对于制造后原样的壁(Bdf)，硬度达到100±10Hv，该硬度相当于通过WAAM方法制造的壁——制造后原样的壁或进行时效处理的壁——的硬度。T6处理使硬度显著提高约60％，这与参考图2B所进行的检测相一致。通过SLM在T6处理后获得的硬度与通过WAAM在T6处理后形成的壁所获得的硬度的数量级相同。

Claims (34)

1.一种制造零件（20）的方法，所述方法包括形成彼此叠置的连续的固体金属层（201…20n），每一层描绘出由一种数值模型（M）定义的图案，每一层通过以下方式形成：沉积称为填充金属的金属（15，25），对所述填充金属进行能量输入以熔化和通过固化而构成所述层，该方法在大于大气压力0.5倍的压力下实施，所述方法的特征在于填充金属（15，25）为2xxx系铝合金，所述2xxx系铝合金由以下合金元素组成：
-Cu，其质量分数为3%至7%；
-Mg，其质量分数为0.1%至0.8%；
-选自以下的至少一种元素：
•Mn，其质量分数为0.1%至2%；
•Ti，其质量分数为0.01%至2%；
•Zr，其质量分数为0.05%至2%；
•Cr，其质量分数为0.05%至2%；和
-任选地选自以下的至少一种元素：
•Ag，其质量分数为0.1%至0.8%；
•Li，其质量分数为0.1%至2%；
•Zn，其质量分数为0.1%至0.8%；
-任选地至少一种以下元素：
•Si，其质量分数为至多1%；
•Fe，其质量分数为至多0.8%；以及
-任选地至少一种选自Co、Ni、W、Nb、Ta、Y、Yb、Nd、Er、Hf、La和Ce的元素，其含量为至多2重量%；
其余为铝。
2.根据权利要求1的方法，其中Mn的质量分数为至多1%。
3.根据权利要求2的方法，其中Mn的质量分数为至多0.8%。
4.根据权利要求1的方法，其中Ti的质量分数为至多1%。
5.根据权利要求4的方法，其中Ti的其质量分数为至多0.3%。
6.根据权利要求1的方法，其中Zr的质量分数为至多1%。
7.根据权利要求6的方法，其中Zr的质量分数为至多0.3%。
8.根据权利要求1的方法，其中Cr的质量分数为至多1%。
9.根据权利要求8的方法，其中Cr的质量分数为至多0.3%。
10.根据权利要求1的方法，其中Li的质量分数为0.5%至1.5%。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中所述2xxx系合金选自AA2022、AA2050、AA2055、AA2065、AA2075、AA2094、AA2095、AA2195、AA2295、AA2395、AA2098、AA2039和AA2139。
12.根据权利要求11的方法，其中所述2xxx系合金选自AA2075、AA2094、AA2095、AA2195、AA2295、AA2395、AA2039和AA2139。
13.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中Cu的质量分数为4%至6%。
14.根据权利要求1-10中任一项的方法，其包括在形成所述层（201…20n）后，进行固溶热处理，然后淬火和时效处理。
15.根据权利要求14的方法，其包括在淬火和时效步骤之间的冷变形。
16.根据权利要求1-10中任一项的方法，其包括在形成所述层（201…20n）后，进行热等静压。
17.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中所述填充金属呈丝材（15）的形式，将其暴露于电弧（12）导致局部熔化，然后固化，以形成固体层（201…20n）。
18.根据权利要求1至10中任一项的方法，其中所述填充金属呈粉末（25）的形式，将其暴露于激光束（32）导致局部熔化，然后固化，以形成固体层（201…20n）。
19.通过权利要求1-18中任一项的方法获得的金属零件。
20.根据权利要求19的金属零件，其特征在于，其在T6或T8状态下的维氏硬度Hv 0.1为至少150。
21.根据权利要求20的金属零件，其特征在于，其在T6或T8状态下的维氏硬度Hv 0.1为至少170。
22.根据权利要求21的金属零件，其特征在于，其在T6或T8状态下的维氏硬度Hv 0.1为至少180。
23.金属丝材或粉末，其包含2xxx系铝合金，所述2xxx系铝合金由以下合金元素组成：
-Cu，其质量分数为3%至7%；
-Mg，其质量分数为0.1%至0.8%；
-选自以下的至少一种元素：
•Mn，其质量分数为0.1%至2%；
•Ti，其质量分数为0.01%至2%；
•Zr，其质量分数为0.05%至2%；
•Cr，其质量分数为0.05%至2%；和
-任选地选自以下的至少一种元素：
•Ag，其质量分数为0.1%至0.8%；
•Li，其质量分数为0.1%至2%；
•Zn，其质量分数为0.1%至0.8%；
-任选地至少一种以下元素：
•Si，其质量分数为至多1%；
•Fe，其质量分数为至多0.8%；以及
-任选地至少一种选自Co、Ni、W、Nb、Ta、Y、Yb、Nd、Er、Hf、La和Ce的元素，其含量为至多2重量%；
其余为铝。
24.根据权利要求23的金属丝材或粉末，其中Mn的质量分数为至多1%。
25.根据权利要求24的金属丝材或粉末，其中Mn的质量分数为至多0.8%。
26.根据权利要求23的金属丝材或粉末，其中Ti的质量分数为至多1%。
27.根据权利要求26的金属丝材或粉末，其中Ti的其质量分数为至多0.3%。
28.根据权利要求23的金属丝材或粉末，其中Zr的质量分数为至多1%。
29.根据权利要求28的金属丝材或粉末，其中Zr的质量分数为至多0.3%。
30.根据权利要求23的金属丝材或粉末，其中Cr的质量分数为至多1%。
31.根据权利要求30的金属丝材或粉末，其中Cr的质量分数为至多0.3%。
32.根据权利要求23的金属丝材或粉末，其中Li的质量分数为0.5%至1.5%。
33.根据权利要求23至32中任一项的金属丝材或粉末，其中所述金属丝材或粉末由所述2xxx系铝合金组成。
34.根据权利要求23至32中任一项的金属丝材或粉末，其特征在于，其为用于焊接或增材制造的填充金属。
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