CN110732807A - 增材再制造用铝硅丝材的制备方法 - Google Patents

增材再制造用铝硅丝材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增材再制造用铝硅丝材的制备方法，包括以下步骤：①熔炼得到均匀合金液；②精炼处理；③浇铸得到合金毛坯铸锭；④除皮处理；⑤将步骤④所得铸锭经保温处理后进行锻造，得到直径为45～55mm的铝棒；⑥将步骤⑤得到的铝棒保温进行人工时效处理，热挤压得到直径为5.5～6.5mm的铝杆；⑦对步骤⑥得到的铝杆先进行退火处理，然后分步拉拔得到直径为1～1.5mm的铝硅合金丝材。本发明通过浇铸—锻造—挤压—拉拔多个工序进行丝材制备，高温锻造和热挤压工艺的结合能够充分消除内部缺陷，同时还经过多次热处理，使得材料均匀致密，综合力学性能有较大提高，在同等焊接条件下制备得到的成型层性能更优。

Description

增材再制造用铝硅丝材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种增材再制造用铝硅丝材的制备方法。
背景技术
铝合金具有密度低、比强度比刚度高、导电导热性好等一系列优点，在航空、航天、机械制造及汽车等领域得到了广泛的应用。
对于铝合金零（构）件在应用中出现的缺损、掉块等结构缺陷，通常采用电弧熔覆增材修复的方法恢复其性能，因此成型所用丝材对于修复性能的好坏起着决定性的作用。
目前国内对于传统铝合金丝材的制备常采用轧制、冷拉拔的方法进行制备，制得丝材性能在使用中常出现断丝现象，难以满足使用需求。
中国专利文献CN 108531788 A（申请号 201810532500.8）公开了一种航天用含硅铝合金焊丝线材的制造方法，它是按以下步骤完成的：一、熔炼；二、铸造，铸造成直径为172mm±2mm的铸锭；三、锯切：将步骤二得到的直径为172mm±2mm的铸锭锯切，得到长度为500mm～510mm的铸锭；四、车皮：将步骤三得到的长度为500mm～510mm的铸锭进行车皮，去除铸锭表面氧化 皮，得到直径为162mm±2mm的铸锭；五、预热：将步骤四得到的直径为162mm±2mm的铸锭放入电阻加热炉，加热至温度为 400℃～430℃，得到预热后铸锭；六、挤压：将步骤五得到的预热后铸锭经过铝合金线材专用模具挤压至直径12mm，挤压温度为390℃～420℃，得到直径为12mm的线材；七、退火：将步骤六得到的直径为12mm的线材进行退火，退火温度为360℃～400℃，退火时间为1.5h～2h，然后以不大于30℃/h的速度冷却至250℃以下，然后出炉空冷，得到退火后线材；八、第一次拉伸：将步骤七得到的退火后线材进行第一次拉伸，从直径为12mm拉伸减径至直径为10mm～10.5mm，得到第一次拉伸线材；九、中间退火：将步骤八得到的第一次拉伸线材进行中间退火，中间退火温度为360℃ ～380℃，中间退火时间为1.5h～2h，然后以不大于30℃/h的速度冷却至250℃以下，然后出炉空冷，得到中间退火后线材；十、第二次拉伸：将步骤九得到的中间退火后线材进行第二次拉伸，拉伸减径至直径为 5mm～5.05mm，得到航天用含硅铝合金焊丝线材。
上述方法是先将铸锭热挤压得到12mm的线材，退火后经两次拉伸得到航天用含硅铝合金焊丝线材。该法获得铝硅合金中共晶硅呈粗大条片状，局部出现偏析形成块状初晶硅，硅富集区域严重的割裂基体的连续性，引起局部应力集中，从而降低合金的力学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种增材再制造用铝硅丝材的制备方法。
实现本发明目的的技术方案是一种增材再制造用铝硅丝材的制备方法，包括以下步骤：
①按照铝硅丝材的化学成分称取所需量的原料，加入坩埚中，在750℃～800℃下熔炼，得到均匀合金液。
②将精炼剂C2Cl6加入合金液中精炼处理。
③将步骤②的精炼后的合金液浇铸得到合金毛坯铸锭。
④用铣床对步骤③得到的毛坯铸锭进行除皮处理，得到光亮铸锭。
⑤将步骤④所得铸锭经保温处理后进行锻造，锻造后得到直径为45～55mm的铝棒。
⑥将步骤⑤得到的铝棒保温进行人工时效处理，模具在同等温度条件下保温，铝棒经热挤压得到直径为5.5～6.5mm的铝杆。
⑦对步骤⑥得到的铝杆先进行退火处理，然后分步拉拔得到直径为1～1.5mm的铝硅合金丝材。
步骤①中按照铝块、其他金属+稀土元素、硅粉的先后顺序加入坩埚中。
步骤②中精炼剂的添加量为合金液重量的0.15%～0.3%。
步骤③中浇铸温度为700℃～750℃，浇铸速度为10～20mm/s。
步骤⑤保温温度为450℃～500℃，时间为50～60min。
步骤④中光亮铸锭直径100mm，步骤⑤中锻造步骤为100mm—75mm—60mm—45～55mm。
步骤⑥中人工时效温度为450～500℃，时效时间为25～30min。
步骤⑦中退火温度为380～400℃，保温时间为1.5～2h。
步骤⑦拉拔速度为1.5m/min。
步骤⑦每一次拉拔后进行退火，退火温度为380～400℃，保温时间为1.5～2h。
本发明具有积极的效果：本发明通过浇铸—锻造—挤压—拉拔多个工序进行丝材制备，高温锻造和热挤压工艺的结合能够充分消除内部缺陷，同时还经过多次热处理，使得材料均匀致密，综合力学性能有较大提高，在同等焊接条件下制备得到的成型层性能更优。
附图说明
图1为采用实施例1、实施例2的方法制得的铝硅丝材焊接得到的熔覆层的拉伸曲线图。
图2为采用实施例1、实施例2的方法制得的铝硅丝材焊接得到的熔覆层的硬度曲线图。
具体实施方式
（实施例1）
本实施例所制备的增材再制造用铝硅丝材，丝材中各成分的质量百分比为：硅12%，其他金属0.3%，稀土元素 0.2%，总量不超过 0.05％的杂质，其余为铝。本实施例中其他金属为铬。本实施例中稀土元素为Er。
上述增材再制造用铝硅丝材的制备方法包括以下步骤：
①按照上述铝硅丝材的化学成分用电子天平称取所需量的高纯铝块（纯度为99.999%）、高纯硅粉、纯铬、稀土元素，按铝块、纯铬+稀土元素、硅粉的先后顺序加入坩埚中，在750℃～800℃下熔炼，得到均匀合金液。
②用氮气将精炼剂C2Cl6加入合金液中精炼处理；精炼剂的添加量为合金液重量的0.15%～0.3%。
③将步骤②的精炼后的合金液浇铸得到重为7.5Kg的合金毛坯铸锭，浇铸温度控制在700℃～750℃，浇铸速度控制在10～20mm/s（本实施例中为15mm/s)。
④用铣床对步骤③得到的毛坯铸锭进行除皮处理，得到直径为100mm的光亮铸锭，重为5Kg。
⑤将步骤④所得铸锭经保温处理后进行锻造。
其中，保温温度为450℃～500℃(本实施例中为480℃），时间为50～60min（本实施例中为55min）。
锻造步骤为100mm—75mm—60mm—50mm，最后得到直径为50mm的铝棒，锻造后除去表面，铝棒重3.5Kg。
⑥将步骤⑤得到的铝棒保温进行人工时效处理，时效温度为450～500℃(本实施例中为480℃），时效时间为25～30min（本实施例中为30min）。将挤压模具在同等温度条件下保温，人工时效处理后的铝棒经热挤压得到直径为6mm的铝杆。
⑦对步骤⑥得到的铝杆先进行退火处理，退火温度为380～400℃(本实施例中为400℃），保温时间为1.5～2h（本实施例中为2h）。
然后分步拉拔得到直径为1.2mm的铝硅合金丝材：
第一次拉拔将6mm铝杆拉伸减经至3mm，得到第一次拉拔线材，拉拔速度为1.5m/min。
对第一次拉拔线材进行退火，退火温度为380～400℃(本实施例中为400℃），保温时间为1.5～2h（本实施例中为2h）。
将退火后的线材进行第二次拉拔，拉伸减径至1.2mm，拉拔速度为1.5m/min。
对1.2mm的丝材进行退火后得到增材再制造用铝硅丝材，退火温度为380～400℃(本实施例中为400℃），保温时间为1.5～2h（本实施例中为2h）。
（实施例2）
本实施例所制备的增材再制造用铝硅丝材，丝材中各成分的质量百分比为：硅7%，铬0.2%，稀土元素Er 0.3%，总量不超过 0.05％的杂质，其余为铝。
上述增材再制造用铝硅丝材的制备方法包括以下步骤：
①按照上述铝硅丝材的化学成分用电子天平称取所需量的高纯铝块（纯度为99.999%）、高纯硅粉、纯铬、Al-Er合金，按铝块、纯铬+稀土元素、硅粉的先后顺序加入坩埚中，在750℃～800℃下熔炼，得到均匀合金液。
②用氮气将精炼剂C2Cl6加入合金液中精炼处理；精炼剂的添加量为合金液重量的0.15%。
③将步骤②的精炼后的合金液浇铸得到重为7.5Kg的合金毛坯铸锭，浇铸温度控制在700℃℃，浇铸速度控制在10mm/s。
④用铣床对步骤③得到的毛坯铸锭进行除皮处理，得到直径为100mm的光亮铸锭，重为5Kg。
⑤将步骤④所得铸锭经保温处理后进行锻造。
其中，保温温度为450℃，时间为60min。
锻造步骤为100mm—75mm—60mm—45mm，最后得到直径为45mm的铝棒，锻造后除去表面，铝棒重3.5Kg。
⑥将步骤⑤得到的铝棒保温进行人工时效处理，时效温度为450℃，时效时间为30min。将挤压模具在同等温度条件下保温，人工时效处理后的铝棒经热挤压得到直径为5.5mm的铝杆。
⑦对步骤⑥得到的铝杆先进行退火处理，退火温度为380℃，保温时间为1.5h。
然后分步拉拔得到直径为1.5mm的铝硅合金丝材：
第一次拉拔将6mm铝杆拉伸减经至3mm，得到第一次拉拔线材，拉拔速度为1.5m/min。
对第一次拉拔线材进行退火，退火温度为380℃，保温时间为1.5h。
将退火后的线材进行第二次拉拔，拉伸减径至1.5mm，拉拔速度为1.5m/min。
对1.5mm的丝材进行退火后得到增材再制造用铝硅丝材，退火温度为380℃，保温时间为1.5h。
（试验例1）铝硅丝材力学性能检测
按照GB2651-89对实施例1和实施例2制得的铝硅丝材的性能进行测试，测试结果如下。
实施例1的铝硅丝材：抗拉强度256.3MPa，延伸率3.07%，显微硬度为97.3HV，基体为树枝状α固溶体和不规则条片状共晶硅组成的共晶体，共晶硅尺寸波动较大，长度在70-120μm不等。
实施例2的铝硅丝材：抗拉强度198MPa，延伸率2.31%，显微硬度为87.7HV，块状共晶硅的尺寸大幅下降。在晶界处析出少量共晶化合物，以大小约为3-5μm的粒子形式弥散分布。
（试验例2）熔覆层力学性能检测
测试对象：采用实施例1、实施例2的方法制得的铝硅丝材焊接得到的熔覆层。
试样准备：利用线切割将熔覆层试样分别切割为尺寸分别为10mm×5mm×5mm试样、Φ3mm×6mm的试样及标准拉伸试样，之后分别进行超声清洗、磨抛。
测试方法和结果：
采用万能力学试验机对拉伸试样进行拉伸试验，得到的拉伸曲线如图1所示；硬度曲线图如图2所示。图1和图2中，曲线1对应实施例1的铝硅丝材焊接得到的熔覆层，曲线2对应实施例2的铝硅丝材焊接得到的熔覆层。
测得采用实施例1丝材焊接得到的熔覆层试样抗拉强度Rm为227MPa，延伸率9.47%，显微硬度89.7HV，综合力学性能优异。
测得采用实施例2丝材焊接得到的熔覆层试样抗拉强度Rm为213MPa，延伸率7.38%，显微硬度83.1HV，综合力学性能优异。

Claims (10)

1.一种增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①按照铝硅丝材的化学成分称取所需量的原料，加入坩埚中，在750℃～800℃下熔炼，得到均匀合金液；
②将精炼剂C2Cl6加入合金液中精炼处理；
③将步骤②的精炼后的合金液浇铸得到合金毛坯铸锭；
④用铣床对步骤③得到的毛坯铸锭进行除皮处理，得到光亮铸锭；
⑤将步骤④所得铸锭经保温处理后进行锻造，锻造后得到直径为45～55mm的铝棒；
⑥将步骤⑤得到的铝棒保温进行人工时效处理，模具在同等温度条件下保温，铝棒经热挤压得到直径为5.5～6.5mm的铝杆；
⑦对步骤⑥得到的铝杆先进行退火处理，然后分步拉拔得到直径为1～1.5mm的铝硅合金丝材。
2.根据权利要求1所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：步骤①中按照铝块、其他金属+稀土元素、硅粉的先后顺序加入坩埚中。
3.根据权利要求1所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：步骤②中精炼剂的添加量为合金液重量的0.15%～0.3%。
4.根据权利要求1所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：步骤③中浇铸温度为700℃～750℃，浇铸速度为10～20mm/s。
5.根据权利要求1所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：步骤⑤保温温度为450℃～500℃，时间为50～60min。
6.根据权利要求5所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：步骤④中光亮铸锭直径100mm，步骤⑤中锻造步骤为100mm—75mm—60mm—45～55mm。
7.根据权利要求1所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：步骤⑥中人工时效温度为450～500℃，时效时间为25～30min。
8.根据权利要求1所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：步骤⑦中退火温度为380～400℃，保温时间为1.5～2h。
9.根据权利要求8所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：拉拔速度为1.5m/min。
10.根据权利要求9所述的增材再制造用铝硅丝材的制备方法，其特征在于：每一次拉拔后进行退火，退火温度为380～400℃，保温时间为1.5～2h。
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