CN111020319A

CN111020319A - 一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材及其制备方法和应用

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Publication number: CN111020319A
Application number: CN201911213384.4A
Authority: CN
Inventors: 杨成刚; 程裕杰; 吴集思; 钱文; 管仲达
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: CN111020319B

Abstract

本发明属于铝合金增材制造材料技术领域，尤其涉及一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材及其制备方法和应用。本发明提供的高强铝铜系合金增材制造专用丝材，按质量百分比计，包括以下化学组分：Cu 6.3％～6.8％，Mn 0.3％～0.4％，Ti 0.3％～0.4％，Zr 0.3％～0.4％，Si≤0.10％，Fe≤0.15％，Al余量。实施例表明，使用本发明所述专用丝材制备的增材制造成型件层间组织与传统丝材相比层间组织均匀，差异性更小，具有良好的力学性能。

Description

一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及铝合金增材制造材料技术领域，尤其涉及一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材及其制备方法和应用。

背景技术

航空科技的迅速发展，带来的是更高要求的航空制造标准。而新型航空设备要求具有低成本、高可靠性，因此需要其零部件向大型化、整体化发展。增材制造技术不受制于模具，可直接成型一体化复杂的零部件，进一步优化现阶段航空设备零部件结构，实现零部件结构简单却高性能化。

铝铜合金属于2xxx系列合金，由于Cu起固溶强化的作用而使该系列的合金具有极高的室温力学性能和高温力学性能，是各类铝合金中强度最高的一类，因此铝铜合金广泛应用于航空领域，如运载火箭的液体燃料贮箱、飞机的机身、航空发动机压气机轮、轮盘等。目前，使用增材制造技术制备的铝铜合金存在成型件晶粒组织粗大、力学性能无法满足航空设备零部件要求的问题，导致铝铜合金增材制造技术发展受限。

目前，高强铝铜系合金电弧增材制造的丝材主要是使用焊接过程中所使用的ER2319商品化丝材和按照国标GB/T10858-1989制定的SAlCu丝材。它们的化学成分范围如下：(重量百分比)Cu 5.8％～6.5％，Mn 0.2％～0.4％，Ti 0.1％～0.2％，Zr 0.1％～0.25％，V0.05％～0.15％，Si≤0.20，Fe≤0.30，Al余量。JYBai等采用ER2319焊丝对2219铝合金进行GTA电弧增材制造，分析了增材试样组织和性能。结果表明，沉积层内部组织不均匀，晶粒沿沉积高度方向逐渐细小，沉积态2219铝合金的抗拉强度仅为239MPa。Zewu Qi等指出单丝电弧增材制造Al-6.3Cu合金的性能不能满足使用要求，建立了双丝+电弧添加剂制造系统，采用ER2319和ER5087两种焊丝为成型材料，通过调整送丝速度制备不同成分的沉积态Al-Cu-Mg合金。结果表明，Al-Cu-Mg合金显微组织主要由粗大的柱状晶粒和细小等轴晶粒组成，晶粒尺寸分布不均匀，增材试样抗拉强度为280±5MPa。美国NASA的CraigABrice等人采用2139焊丝进行电子束熔丝沉积增材制造试验，通过控制电子束工艺参数获得了致密性能良好的增材样品，沉积态试样抗拉强度不到290MPa。Gu J L等人采用ER2319焊丝对CMT增材制造2219铝合金进行研究，并对比沉积态、沉积-时效态和沉积-碾压-时效态的组织与力学性能，发现沉积态的晶粒粗大，组织不均匀,沉积态试样性能为280MPa；沉积-时效态的晶粒尺寸没有变化，但强度显著提高；沉积-碾压-时效态的晶粒得到显著细化，强度与沉积-时效态接近，同时塑性得到进一步提高。由此可见，现有焊丝制备的沉积态铝铜合金的组织不均匀，晶粒组织较粗大，增材试样的性能较低，因此有必要采取措施提高铝铜合金沉积态增材试样的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材及其制备方法和应用，由该丝材制备的增材制造铝铜合金成型件具有高强度和高塑性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材，按质量百分比计，包括以下化学组分：Cu 6.3％～6.8％，Mn 0.3％～0.4％，Ti 0.3％～0.4％，Zr 0.3％～0.4％，Si≤0.10％，Fe≤0.15％，Al余量。

优选的，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材的直径为0.8～1.6mm。

本发明提供了上述技术方案所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材的制备方法，包括以下步骤：

将对应化学组分的原料混合，依次进行熔炼和浇铸，得到铸锭；

将所述铸锭依次进行均匀化处理和热挤压，得到挤压材；

将所述挤压材进行拉拔，得到高强铝铜系合金增材制造专用丝材。

优选的，所述原料包括铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和纯铝配制合金。

优选的，所述熔炼包括依次进行的初级熔炼和精炼，所述初级熔炼的温度为750～760℃，时间为30～35min；所述精炼的温度为760～780℃，时间为10～20min。

优选的，所述浇铸的温度为720～740℃。

优选的，所述均匀化处理的温度为520～550℃，保温时间为14～17h。

优选的，所述热挤压的温度为380～430℃，时间为1～2h；

所述挤压材的直径为6～8mm，所述挤压材的变形系数为10～50。

优选的，所述拉拔的方式为多道次拉拔，所述拉拔的次数为10～20次。

本发明提供了上述技术方案所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材在电弧增材制造高强铝铜合金中的应用。

本发明提供了一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材，按质量百分比计，包括以下化学组分：Cu 6.3％～6.8％，Mn 0.3％～0.4％，Ti 0.3％～0.4％，Zr 0.3％～0.4％，Si≤0.10％，Fe≤0.15％，Al余量。本发明在丝材中同时添加Ti、Zr等晶粒细化元素，在沉积态铝铜合金中Ti、Zr分别与Al形成Al₃Ti、Al₃Zr等高熔点粒子，这些粒子在增材金属的凝固过程中，作为非均质形核的核心，促进了等轴晶的形成，细化了沉积态铝铜合金组织，进而能够提高铝铜合金增材试样的力学性能。实施例表明，使用本发明所述专用丝材制备的增材制造成型件层间组织与传统丝材相比层间组织均匀，差异性更小，具有良好的力学性能。

附图说明

图1为实施例1～3和对比例制备的增材成型件的拉伸试样取样示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材，按质量百分比计，包括以下化学组分：Cu 6.3～6.8％，Mn 0.3～0.4％，Ti 0.3～0.4％，Zr0.3～0.4％，Si≤0.10％，Fe≤0.15％，Al余量。

在本发明中，按质量百分比计，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材包括Cu6.3～6.8％，优选为6.4～6.6％，更优选为6.5％。在本发明中，Cu元素在铝铜合金占比中控制为上述含量时，时效析出的CuA1₂有着明显的强化效果且强化效果好。

在本发明中，按质量百分比计，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材包括Mn0.3～0.4％，优选为0.32～0.36％，更优选为0.33～0.35％。在本发明中，Mn元素能阻止铝铜合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。

在本发明中，按质量百分比计，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材包括Ti0.3～0.4％，优选为0.32～0.35％，更优选为0.33～0.34％。

在本发明中，按质量百分比计，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材包括Zr0.3～0.4％，优选为0.32～0.36％，更优选为0.33～0.35％。

本发明在丝材中同时添加Ti、Zr等晶粒细化元素，在沉积态铝铜合金中分别与Al形成Al₃Ti、Al₃Zr等高熔点粒子，这些粒子在增材金属的凝固过程中，作为非均质形核的核心，促进了等轴晶的形成，细化了沉积态铝铜合金组织，提高了铝铜合金增材试样的力学性能。

在本发明中，按质量百分比计，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材包括Si≤0.1％，Fe≤0.15％，Si，Fe元素为常见铝铜合金熔炼过程中的不可避免的杂质元素。

在本发明中，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材的直径优选为0.8～1.6mm，更优选为0.8mm、1.0mm、1.2mm或1.6mm，最优选为1.2mm。

将所述铸锭依次进行均匀化处理和热挤压，得到挤压材；

在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明将对应化学组分的原料混合，依次进行熔炼和浇铸，得到铸锭。在本发明中，所述原料优选包括铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和纯铝配制合金；所述铝铜中间合金优选包括Al-50Cu合金，所述铝锰中间合金优选包括Al-10Mn合金，所述铝锆中间合金优选包括Al-10Zr合金，所述铝钛中间合金优选包括Al-10Ti合金；所述纯铝配制合金优选为纯度≥99.99％的市售产品。在本发明的制备过程中，原料合金中金属元素的损耗忽略不计。本发明对所述原料混合的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式能够将原料混合均匀即可。

在本发明中，所述熔炼优选包括依次进行的初级熔炼和精炼，所述初级熔炼的温度优选为750～760℃，更优选为752～758℃，最优选为755～758℃；所述初级熔炼的时间优选为30～35min，更优选为31～34min，最优选为32～33min。在本发明中，所述初级熔炼优选在井式电炉中进行，更优选为配套石墨坩埚的井式电炉。

完成所述初级熔炼后，得到熔炼液，本发明优选将所述熔炼液进行精炼，得到浇铸液。在本发明中，所述精炼的温度优选为760～780℃，更优选为768～772℃；所述精炼的时间优选为10～20min，更优选为12～15min。

在本发明中，所述精炼所用精炼剂优选为AJ系精炼剂，更优选为ZS-AJ01C；所述精炼剂的添加量优选占所述熔炼液质量的0.10～0.20％，更优选为0.13～0.16％。在本发明中，所述精炼优选在静置条件下进行。在本发明中，所述精炼所用打渣剂(除渣脱氢)优选为六氯乙烷；所述打渣剂的用量优选占所述熔炼液质量的0.20～0.30％，更优选为0.23～0.26％，最优选为0.25％。在本发明中，所述精炼的过程具体优选为先将精炼剂加入到所述熔炼液中进行精炼，然后将打渣剂加入到所得熔液中，进行打渣，得到浇铸液。

完成所述精炼后，本发明优选将精炼所得浇铸液进行浇铸，得到铸锭。在本发明中，所述浇铸的温度优选为720～740℃，更优选为725～735℃。进行所述浇铸前，本发明优选先将浇铸用模具进行预热，所述预热的温度优选为180～230℃，更优选为190～210℃。本发明对所述浇铸用模具和浇铸的过程没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的模具和过程即可。

得到铸锭后，本发明将所述铸锭依次进行均匀化处理和热挤压，得到挤压材。在本发明中，所述均匀化处理的温度优选为520～550℃，更优选为523～548℃，最优选为525～545℃；所述均匀化处理的保温时间优选为14～17h，更优选为15～17h，最优选为15～16h。本发明对所述均匀化处理的过程没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的过程即可。本发明对铸锭进行均匀化处理，能够消除或减小结晶条件下晶内成分不均匀的问题，提高材料的加工性能。

在本发明中，所述热挤压的温度优选为380～430℃，更优选为385～425℃，最优选为390～420℃；所述热挤压的时间优选为1～2h，更优选为1.2～1.8h，最优选为1.3～1.6h。在热挤压过程中，变形系数以挤压前断面积与挤压后断面积之比计，本发明所述挤压材的变形系数优选为10～50，更优选10～20，再优选为11～19，最优选为12～18。在本发明中，所述挤压材的直径优选为6～8mm，更优选为6.5～8mm，最优选为6.5～7.5mm。本发明对所述热挤压的仪器和过程没有任何特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的仪器和过程即可。

得到挤压材后，本发明将所述挤压材进行拉拔，得到高强铝铜系合金增材制造专用丝材。在本发明中，所述拉拔的方式优选为多道次拉拔，所述拉拔的次数优选为10～20次，更优选为12～18次，最优选为14～16次；本发明对所述拉拔的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的拉拔方式以能得到目标尺寸的丝材即可。在本发明所述拉拔过程中，每次拉拔后丝材断面直径优选减小15～20％，每进行两次拉拔后优选进行一次退火；每次退火的温度优选独立地为380～430℃，更优选为385～428℃，最优选为387～425℃；所述退火的保温时间优选独立地为1～2h，更优选为1.2～1.8h，最优选为1.3～1.7h。

完成所述拉拔后，本发明优选对所述拉拔后得到的材料进行机械刮削，以去除焊丝表面的毛刺，优化焊丝表面形貌；机械刮削后，本发明对所述机械刮削后的材料进行清洗和抛光，所述清洗的方式优选包括超声清洗；所述抛光的方法优选包括化学抛光。本发明对所述机械刮削、超声清洗和化学抛光的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

本发明提供了上述技术方案所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材在电弧增材制造高强铝铜合金中的应用。在本发明中，所述电弧增材制造的方法优选包括TIG增材制造、MIG增材制造或CMT增材制造。本发明对将所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材用于电弧增材制造高强铝铜合金的方法没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的方法即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1～3

按照表1所记载的化学成分，分别制备三种不同成分含量的丝材，具体制备步骤为：

采用Al-50Cu、Al-10Mn、Al-10Zr、Al-10Ti中间合金以及纯度均为99.99％的纯铝配制合金，用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼，初级熔炼温度为755℃，保温35min，得到熔炼液；向所述熔炼液中加入ZS-AJ01C精炼剂，所述精炼剂的添加量占所述熔炼液质量的0.15％，在770℃条件下进行精炼16min，然后向所得熔液中加入六氯乙烷进行打渣(所述打渣剂的用量占所述熔炼液质量的0.25％)，得到浇铸液；将所述浇铸液于720℃浇入预热的铁模中形成铸锭，铁模的预热温度为200℃；将所述铸锭在535℃条件下进行均匀化处理16h，将所得材料在400℃条件下进行热挤压1.5h，得到直径为

的挤压材，然后将所述挤压材经过16次拉拔和机械刮削，所述拉拔过程中，每次拉拔后丝材断面直径减小15％，每进行两次拉拔后进行一次退火；每次退火的温度独立地为400℃，每次退火的保温时间独立地为1.5h，得到直径为

的丝材，最后再经过超声清洗和化学抛光，得到高强铝铜系合金增材制造专用丝材。

对比例

以传统丝材ER2319丝材作为对比，所述ER2319丝材的具体化学成分见表1。

表1实施例1～3制备的丝材、对比例的传统丝材和基板的化学成分(重量百分比％)

性能测试

将实施例1～3制备的三种高强铝铜系合金增材制造专用丝材和对比例的传统丝材ER2319进行TIG增材制造，保护气体为纯度为99.99％的氩气，其中所用基板的化学成分如表1所示。其中，进行TIG增材时，基层所用电流为150A，随后使用120A电流进行增材，焊接速度为0.12m/min，送丝速度为0.58m/min，气体流量为20L/min。钨极直径为2mm，焊接时钨极伸出长度2～3mm，距基板2.5～3.5mm。

拉伸试验按GB2651-89《焊接接头拉伸试验方法》记载的方法进行测试，其中，拉伸速率为1.2mm/min，拉伸试样取样位置如图1所示，增材成型件各个方向的力学性能如表2和表3所示。

表2实施例1～3制备的专用丝材与对比例的传统丝材增材成型件在高度方向的力学性能

表3实施例1～3制备的专用丝材与对比例的传统丝材增材成型件在平行方向的力学性能

根据表2和表3可知，使用本发明的专用丝材进行增材制造得到的增材成型件的力学性能和塑形明显优于传统对比丝材ER2319。同时，采用本发明丝材制备的增材制造成型件各个方向的力学性能差异性明显优于传统丝材ER2319。

由以上实施例可知，本发明提供了一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材及其制备方法和应用，使用本发明所述专用丝材制备的增材制造成型件层间组织与传统丝材相比层间组织均匀，差异性更小，具有良好的力学性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强铝铜系合金增材制造专用丝材，其特征在于，按质量百分比计，包括以下化学组分：Cu 6.3％～6.8％，Mn 0.3％～0.4％，Ti 0.3％～0.4％，Zr 0.3％～0.4％，Si≤0.10％，Fe≤0.15％，Al余量。

2.根据权利要求1所述的高强铝铜系合金增材制造专用丝材，其特征在于，所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材的直径为0.8～1.6mm。

3.权利要求1或2所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述铸锭依次进行均匀化处理和热挤压，得到挤压材；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述原料包括铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和纯铝配制合金。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼包括依次进行的初级熔炼和精炼，所述初级熔炼的温度为750～760℃，时间为30～35min；所述精炼的温度为760～780℃，时间为10～20min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述浇铸的温度为720～740℃。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为520～550℃，保温时间为14～17h。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热挤压的温度为380～430℃，时间为1～2h；

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述拉拔的方式为多道次拉拔，所述拉拔的次数为10～20次。

10.权利要求1或2所述高强铝铜系合金增材制造专用丝材或权利要求3～9任一项所述制备方法制备得到的高强铝铜系合金增材制造专用丝材在电弧增材制造高强铝铜合金中的应用。