CN111215786B

CN111215786B - 一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝

Info

Publication number: CN111215786B
Application number: CN202010105755.3A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 李承德; 翟玉春
Original assignee: Northeastern Industrial Metallurgical And Materials Technology Co ltd
Current assignee: Northeastern Industrial Metallurgical And Materials Technology Co ltd
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: CN111215786A

Abstract

本发明公开一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，按质量百分比计：硅Si：6.50～7.50％，镁Mg：0.45～0.60％，钛Ti：0.05～0.15％，锶Sr+镧La：0.03～0.10％，铁Fe：≤0.15％，H含量低于0.18μg/g，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。制作方法包括配料、熔炼、一次精炼、二次精炼、连铸连挤成形、轧制和/或锻造和/或拉丝联合减径、退火、表面机械刮削及清洗、表面涂封等步骤。本发明所述焊丝具优良的内部质量及外观质量、良好的工艺性能；增材成形堆积体经T6热处理后组织均匀、具良好的室温性能及高温性能稳定性，且各向性能无差异。

Description

一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝。

技术背景

铝硅系铸造合金具有优良的铸造性能和良好的加工工艺性能，经过变质和热处理后具有良好的力学、物理、耐蚀性能，是用途最广的铸造铝合金，其用量占铝合金铸件总产量的80％以上，广泛应用于航空、航天、兵器领域。然而，随着航空、航天及兵器等现代化高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，致使其铝合金关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高，对制造技术的要求越来越高、挑战日益严峻。许多大型复杂壳体采用Al-Si-Mg合金(ZL101A、ZL114A)整体铸件，这些零件结构复杂，尺寸大，壁厚相差悬殊，铸件整体性能要求高，如何保证铸件整体性能的一致性、稳定性难度很大，且铸件产品合格率低。因此，铝合金大型复杂部件制造技术被公认为是航空、航天及兵器等重大高端装备制造业的基础和核心关键技术。

丝材增材制造技术是基于离散堆积的成形原理，利用热源(激光、电子束、电弧的一种或它们的组合)将金属丝熔化，机器人等自动化设备携带焊枪按既定路线行走，逐层堆积实现复杂结构件的整体化近净成形技术，能够很好适应对航空、航天关重结构件的“轻量化”和“高强度”的发展需求，成为航空、航天等领域关键重要铝合金部件重要成形方法之一。传统牌号的铝硅合金，如ZL101A、ZL114A、6061、6063等的成分是按照铸造或形变加工成形工艺设计，虽可采用丝材增材制造技术堆积成形，但丝材增材制造过程是金属丝材的快速熔化再冷却的过程，合金凝固过程中具有极大的冷却速率，合金中的异质形核元素(如Ti等)、杂质元素(如Fe)等所产生的有益或有害作用与传统成形方式有很大差异，无法充分发挥合金本身及丝材增材制造工艺特点。同时，丝材增材制造对铝合金焊丝的外观质量、内部杂质、氢含量、熔覆性能提出了更高的要求。另外，在一些特殊的焊接场合，例如300公里以上高铁列车关重部件枕粱是一种内部中空的Al-7Si-Mg合金铸件，铸造时留下多个工艺孔需要通过焊接进行封堵，要求焊缝组织无宏观缺陷、接头强度系数大于95％，对焊丝质量的要求进一步提高。因此，有必要开发一种适用于丝材增材制造和焊接专用的铝硅合金焊丝。

发明内容

本发明的目的之一是为丝材增材制造技术提供一种专用铝硅合金丝材，其特点在于焊丝具有优良的内部质量，较低的杂质及H含量；增材制造过程具有适宜的流动性、成形好、凝固时热烈倾向小，增材成形堆积体经T6热处理后组织均匀、具有良好的力学性能，且各向性能无差异。

本发明的铝硅合金焊丝还可作为高铁列车枕粱部件焊接时的填充材料，同时还可用于航空、航天、兵器、交通等领域铝合金铸件修复时的填充材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，按质量百分比计，成分为：硅Si：6.50～7.50％，镁Mg：0.45～0.60％，钛Ti：0.05～0.15％，锶Sr+镧La：0.03～0.10％，铁Fe：≤0.15％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。

在一种优选的实施方式中，一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，按质量百分比计，成分为：硅Si：6.50～7.50％，镁Mg：0.50～0.60％，钛Ti：0.05～0.15％，锶Sr+镧La：0.03～0.08％，铁Fe：≤0.15％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。

在一种优选的实施方式中，一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，按质量百分比计，成分为：硅Si：6.50～7.50％，镁Mg：0.50～0.60％，钛Ti：0.1～0.15％，锶Sr+镧La：0.03～0.08％，铁Fe：≤0.12％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。

在一种优选的实施方式中，一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，按质量百分比计，成分为：硅Si：6.90～7.10％，镁Mg：0.55～0.65％，钛Ti：0.10～0.13％，锶Sr+镧La：0.04～0.07％，铁Fe：≤0.12％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。

在一些实施例中，本发明所述的适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，H含量低于0.18μg/g。

本发明所述的丝材增材制造的铝硅合金焊丝中的锶Sr和镧La的含量均不为零；优选的，锶Sr和镧La各自的质量百分含量范围是0.02％～0.04％，优选为0.025％～0.030％；锶Sr和镧La的质量比为(1～1.1)：1，进一步优选的质量比为(1～1.05):1。

本发明所用的Si元素可以增加铝合金流动性，减少缩孔改善耐压性和焊接性，减小热膨胀系数，但是过量添加虽能提高耐磨性，但切削性会变差，本发明所述的范围可很好的兼具耐磨性和切削性。

本发明所用的Mg元素在时效过程中析出的Mg₂Si粒子弥散分布在基体中，提高合金的强度。然而，发明人发现过多的Mg会增加铝合金液体中的H含量，并降低了H在凝固铝合金中的溶解度，从而在凝固合金中形成大量气孔，本发明所述的Mg含量可以在保证堆积体强度的前提下，最大限度的降低H含量。

本发明所用的Ti元素在合金凝固时产生大量的非均质形核质点(Al₃Ti)，在铝合金凝固时起到细化晶粒作用，但发明人发现过高的Ti含量将会造成堆积体内的二次枝晶臂间距增大，不利于后续固溶过程第二相粒子的迁移及共晶硅的熔断、球化过程；另外，由于Ti的引入使得合金的初始过冷度显著减小，Ti含量越高，则在丝材增材制造快熔快冷过程中初生的Al₃Ti的析出倾向越大，其表现出的非均质形核作用越强，则合金的过冷度减小，随着Ti含量的增加，在凝固过程中产生具有非均质形核中心作用的初生Al₃Ti相，不利于丝材增材制造大过冷度条件下凝固过程。本发明所述的Ti元素的含量，在细化晶粒的同时，可以有效避免上述问题的产生。

本发明所用的Sr和La元素起联合变质作用，可以改善合金共晶硅形貌，Sr和La复合变质具有叠加作用，发明人研究发现在丝材增材制造快熔快冷条件下，只需少量联合添加Sr与La，即可获得良好的变质效果。

Fe作为杂质元素，在Al-Si-Mg合金溶解度很低，在合金凝固过程中形成有害的富Fe金属间化合物，发明人研究发现，丝材增材制造堆积体中将形成π-Fe相，随着Fe含量的增加，π-Fe相的数量增加、尺寸增大，导致堆积体的延伸率下降，本发明所述的Fe的含量，可以很好的保证丝材增材制造堆积体的延展性。

本发明所述焊丝可以采用本领域常规方法加工而成，在本发明的一种具体的实施方式中，本发明提供了一种所述的丝材增材制造专用铝硅合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)原料配置：按照原料比将铝(Al)、硅(Si)、镁(Mg)以纯金属的形式加入中频感应炉，合金元素钛(Ti)、锶(Sr)、镧(La)均以铝基中间合金的形式加入中频感应炉；

(2)合金熔炼及精炼：采用中频感应炉进行快速熔炼及合金化；熔炼后的铝合金熔体进行惰性气体旋转喷吹精炼和二次真空精炼；

(3)连铸连挤形：精炼后的铝合金熔体在惰性气体保护的电阻炉内720℃±10℃保温并进行连续浇铸，通过连铸连挤机连续挤压出铝合金盘圆；在惰性气氛保护下可以避免浇铸过程炉内铝合金熔体的氧化吸H；

(4)轧制和/或旋锻和/或拉拔联合减径：将步骤(3)制得的铝合金盘圆通过轧制和/或旋锻和/或拉拔的联合加工方法，经过多道次减径处理、中间去应力退火，将丝材加工至所需规格尺寸的连续盘状丝材；

(5)表面机械刮削及清洗：将步骤(4)所制得的丝材经过机械刮削方法去除表面氧化层和油污层，并对丝材进行表面清洗处理；

(6)表面涂封：将经过清洗的丝材进行表面涂封，形成一层薄层氧化膜，即得本发明所述适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝。

本发明步骤(2)所述的采用中频感应炉进行快速熔炼及合金化、惰性气体旋转喷吹精炼和二次真空精炼等均为本领域的常规方法。

本发明所述方法中的惰性气体是指99.999％Ar。

本发明步骤(3)的连续浇铸、通过连铸连挤机连续挤压出铝合金的方法均为本领域的常规方法。

本发明步骤(3)的铝合金盘圆可以为常规尺寸，例如规格尺寸为

本发明步骤(4)中的轧制和/或旋锻和/或拉拔联合减径方法，步骤(5)的机械刮削方法、清洗处理，步骤(6)的表面涂封方法均为本领域的常规方法。

本发明所述方法制备的适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝可以按照焊丝的规格分类，进行分盘包装。

在一些优选的实施例中，本发明所述焊丝规格为

的盘丝、

的直丝、横截面积≥0.72mm²的扁平盘丝或横截面积≥0.72mm²的直丝。

本发明还提供本发明所述焊丝在丝材增材制造中的应用。

本发明还提供本发明所述焊丝在军工或航空航天领域中的应用。

本发明还提供本发明所述焊丝在高铁列车枕梁中的应用。

本发明的增益效果是：

(1)本发明所述的铝硅合金焊丝，通过控制Mg的含量及加工工艺过程，确保了铝合金合金焊丝中的H含量低于0.18μg/g；

(2)焊丝具有组织均匀、优良的外观质量、洁净的内部质量等特点，适用于丝材增材制造技术；

(3)增材制造过程中，合金的流动性适宜、成形好、凝固时热裂倾向小，形成气孔的倾向低；直接成形的堆积体组织具有较小的一次枝晶间距(DAS)及二次枝晶臂间距(SDAS)，通过控制合金中的Ti含量使得堆积体内的二次枝晶臂间距进一步减小，在固溶处理时，更有利于共晶硅球化过程及第二相粒子迁移、扩散过程，且使得铸造组织的枝晶全部消除，且小的二次枝晶臂间距有利于提高合金的高温稳定性；

(4)通过控制Fe含量，使得成形合金具有良好的韧性；

(5)经T6热处理后的堆积体室温力学性能可以达到：抗拉强度：370MPa，屈服强度：320MPa，延伸率8.0％，且横纵向性能均匀。在200℃恒温30min的力学性能可达到：抗拉强度：265MPa，屈服强度：248MPa，延伸率6.0％，且横纵向性能无差异。

附图说明

图1为焊丝的微观组织。

图2为堆积体外观图片。

图3为堆积体(直接堆积态)的微观组织。

图4为堆积体(T6)态的微观组织。

具体实施方法

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于本实施例，本发明所述的方法若无特别说明，则为本领域常规方法，所用材料，若无特别说明，则为常规购买。

实施例1：

本发明提供一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，其制备步骤如下：

(1)原材料配置：将Al：118kg、Si：9.10kg、Mg：0.78kg、AlTi10：1.56、AlLa30：0.13kg、AlSr10：0.39kg在中频炉内进行熔炼及合金化，熔炼温度控制在750±10℃，加料顺序为：Al—Si—AlLa30—AlSr10—AlTi10—Mg，每两种合金料的间隙不得少于3分钟；

(2)熔炼后的铝合金熔体进行惰性气体旋转喷吹精炼和二次真空精炼，精炼过程控制铝熔体温度750℃±10℃，选用惰性气体为99.999％Ar。

(3)精炼后的铝合金熔体在惰性气体保护的电阻炉内720℃±10℃保温并进行连续浇铸成直径为12mm±1mm的盘圆，控制浇铸速度55～65kg/h；

(4)利用轧制及拉拔联合减径方式将盘圆加工至Φ1.3mm，加工过程中分别在Φ8.0mm、Φ4.0mm、Φ2.0mm时进行去应力退火，制度为350℃+2h；

(5)将Φ1.3mm的丝材通过机械刮削至Φ1.2mm，并进行表面清洗；

(6)将经过清洗的丝材进行表面涂封，并进行分盘包装。

所制备的焊丝成分按质量百分比计：硅Si：7.03％，镁Mg：0.59％，钛Ti：0.11％，锶Sr：0.028％，镧La：0.026％，铁Fe：0.11％，余量为铝Al。氢含量为0.15μg/g。

焊丝加工过程顺畅，成品率达到90％，所制得的铝硅合金焊丝晶粒细小，组织均匀，如图1所示。根据合金组织的遗传效应，保证了增材产品良好的内部组织。

实施例2：

以实施例1所制备的焊丝作为原材料，在室温下，用CMT的增材工艺进行堆积。堆积过程成形良好，堆积体外观如图2所示。直接成形的堆积体组织具有较小的一次枝晶间距(DAS)及二次枝晶臂间距(SDAS)，共晶硅等第二相粒子分布于枝晶臂间，如图3所示。经T6热处理后，共晶硅充分球化，第二相粒子均匀分布在基体中，枝晶全部消除，如图4所示。

并对经过T6热处理后的堆积体进行了室温及200℃/30min的力学性能进行了测试，结果如表1所示。

表1本发明堆积体与对比试样的力学性能

实施例3

本发明一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，合金成分按质量百分比计：硅Si：6.98，镁Mg：0.61，钛Ti：0.12％，锶Sr：0.030％，镧La：0.028％，铁Fe：0.08，余量为铝Al。

按照发明中所述的加工方法制备出

的盘丝，加工过程顺畅，成品率达92％。以该焊丝作为填充料进行焊接，焊缝等级达到了Ⅰ级，焊接强度系数＞95％。

Claims

1.一种适用于丝材增材制造的铝硅合金焊丝，其特征在于：按质量百分比计：硅Si：6.50～7.50％，镁Mg：0.55～0.65％，钛Ti：0.05～0.15％，锶Sr+镧La：0.03～0.10％，铁Fe：≤0.15％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al，锶Sr和镧La的含量均不为零。

2.根据权利要求1所述的铝硅合金焊丝，其特征在于：按质量百分比计：硅Si：6.50～7.50％，镁Mg：0.55～0.65％，钛Ti：0.05～0.15％，锶Sr+镧La：0.03～0.08％，铁Fe：≤0.15％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al，锶Sr和镧La的含量均不为零。

3.根据权利要求1所述的铝硅合金焊丝，其特征在于：按质量百分比计：硅Si：6.50～7.50％，镁Mg：0.55～0.65％，钛Ti：0.1～0.15％，锶Sr+镧La：0.03～0.08％，铁Fe：≤0.12％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al，锶Sr和镧La的含量均不为零。

4.根据权利要求1所述的铝硅合金焊丝，其特征在于：按质量百分比计：硅Si：6.90～7.10％，镁Mg：0.55～0.65％，钛Ti：0.10～0.13％，锶Sr+镧La：0.04～0.07％，铁Fe：≤0.12％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al，锶Sr和镧La的含量均不为零。

5.根据权利要求1所述的铝硅合金焊丝，其特征在于：H含量低于0.18μg/g。

6.根据权利要求1所述的铝硅合金焊丝，其特征在于：锶Sr和镧La各自的质量百分含量范围是0.02％～0.04％；锶Sr和镧La的质量比为(1～1.1)：1。

7.根据权利要求6所述的铝硅合金焊丝，其特征在于：锶Sr和镧La各自的质量百分含量范围是0.025％～0.030％，锶Sr和镧La的质量比为(1～1.05):1。

8.权利要求1～7任一项所述的铝硅合金焊丝在军工或航空航天领域中的应用。

9.权利要求1～7任一项所述的铝硅合金焊丝在高铁列车枕梁中的应用。

10.权利要求1～7任一项所述的铝硅合金焊丝在丝材增材制造中的应用。