CN111975188A - 一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法 - Google Patents

一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法 Download PDF

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Abstract

一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法。本发明属于铝合金制造领域。本发明的目的在于解决现有增材制造方法所制备的高强铝合金强度低和组织不致密的技术问题。本发明的方法：将用于制造7075铝合金的合金母材加热熔化，然后加入KAlF4粉体和TiC纳米颗粒，挤压成丝材后进行超声清洗，去除表面的杂质，然后进行电子束熔丝增材制造，打印得到铝合金薄璧墙，打印后进行T6热处理，得到高强铝合金。本发明的方法中复合粉体的加入，在防止熔体表面形成氧化膜的同时使得TiC纳米颗粒更容易分散在熔体中，纳米TiC颗粒的添加量即能保证分散均匀，又能保证晶界强度。本发明的方法对于解决大尺寸复杂结构铝合金构件的一体化成型具有重要的实用价值。

Description

一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法
技术领域
本发明属于铝合金制造领域；具体涉及一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成熟的制备流程，一般经历铸锭冶金制坯，轧制、锻造或挤压的方式进行成形，热处理性能优化等工序。制备流程简单易于控制，但存在晶粒粗大、偏析严重、组织疏松、第二相和基体界面结合差等问题。鉴于采用传统铸造、锻造结合机加工的制造模式制造工序复杂、材料浪费严重且制造成本高，难以满足型号研制和生产过程高效、低成本的制造需求。采用新兴成型方法简化制造流程，缩短制造周期，节约制造成本，对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的高效制备显得尤为迫切。
金属增材制造技术无需模具，可以根据零件三维模型直接成形，具备制造周期短、小批量零件生产成本低等特点，为解决大型带有薄壁局部翻边法兰特征的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金号研制阶段快速响应的难题提供了可能。最近激光选区熔化被用来制备7000系高强铝合金，表现出了巨大潜力。然而，由于铝合金固有的性质对激光高的反射率，导致激光选区熔化成型过程中使用的能量密度远超过铝合金的熔点，造成成型的零件气孔裂纹缺陷很难消除。另一种电弧增材制造方法也被广泛用来制备铝合金，电弧是一种低成本绿色的制备方法，然而电弧增材制造方法制备的铝合金一方面强度难以满足使用要求，另一方面电弧增材制造方法在气氛条件下进行所制备的零部件析氢气孔等缺陷难以避免。因此，开发一种新型制造方法以克服上述缺陷，进而制造出综合性能优异的7000系高强铝合金的方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有增材制造方法所制备的高强铝合金强度低和组织不致密的技术问题，而提供了一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法。
本发明的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法按以下步骤进行：
一、铝合金熔体的制备：将用于制造7075铝合金的合金母材加热熔化，得到铝合金熔体；
二、坯料的制备：将KAlF4粉体和TiC纳米颗粒加入到步骤一得到的铝合金熔体中，搅拌至混合均匀，然后铸模，得到坯料；
三、挤压成丝：将步骤二得到的坯料在530～570℃和110吨～130吨的挤压力下挤压成丝材；
四、高强铝合金的制备：用丙酮溶液对步骤三得到的铝合金丝材进行超声清洗，去除表面的杂质，然后进行电子束熔丝增材制造，打印得到铝合金薄璧墙，打印后进行T6热处理，得到高强铝合金；其中所述电子束熔丝增材制造的参数具体为：加速电压为60KeV，真空室真空度为10-3mbar，电子枪真空度为＜0.5×10-3mbar，打印层间温度为70～90℃，束流为12mA～33mA，送丝速度为1500mm/min～2400mm/min，打印速度为120mm/min～800mm/min。
进一步限定，步骤一中所述加热熔化的参数为：温度为750～830℃，保温时间为20min～40min。
进一步限定，步骤一中所述加热熔化的参数为：温度为790℃，保温时间为30min。
进一步限定，步骤二中所述TiC纳米颗粒的添加量为铝合金熔体体积的1％～5％。
进一步限定，步骤二中所述KAlF4粉体的添加量为铝合金熔体体积的16％～20％。
进一步限定，步骤二中所述KAlF4粉体的添加量为铝合金熔体体积的18％。
进一步限定，步骤二中所述搅拌的转速为150rpm～200rpm，时间为20min～40min。
进一步限定，步骤二中所述搅拌的转速为180rpm，时间为30min。
进一步限定，步骤三中在550℃和120吨的挤压力下挤压成丝材。
进一步限定，步骤三中得到丝材的直径为0.8mm～3.0mm。
进一步限定，步骤三中得到丝材的直径为2.0mm。
进一步限定，步骤四中所述超声清洗的频率为9KHz～11KHz，时间为0.8h～1.2h。
进一步限定，步骤四中所述超声清洗的频率为10KHz，时间为1h。
进一步限定，步骤四中所述电子束熔丝增材制造的参数具体为：加速电压为60KeV，真空室真空度为10-3mbar，电子枪真空度为＜0.5×10-3mbar，打印层间温度为80℃，束流为27mA，送丝速度为2000mm/min，打印速度为500mm/min。
本发明与现有技术相比具有的显著效果如下：
1)本发明的方法中复合粉体的加入，在防止熔体表面形成氧化膜的同时使得TiC纳米颗粒更容易分散在熔体中，纳米TiC颗粒的添加量即能保证分散均匀，又能保证晶界强度。
2)本发明通过使用一种纳米相处理的7075铝合金丝作为电子束熔丝的原材料，首次通过调控电子束熔丝增材的工艺实现了全等轴晶高强铝合金的制备，为进一步促进高强铝合金的增材制造应用提供参考。对于解决大尺寸复杂结构铝合金构件的一体化成型具有重要的实用价值。
附图说明
图1为具体实施方式一的电子束熔丝1.0vol.％nano-TiC/7075铝合金的构建方向单道组织特征图；
图2为具体实施方式一的电子束熔丝1.0vol.％nano-TiC/7075铝合金的水平截面的等轴晶显微组织图；
图3为具体实施方式一的电子束熔丝1.0vol.％nano-TiC/7075铝合金的拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法按以下步骤进行：
一、铝合金熔体的制备：按7075铝合金元素组成及其质量百分比将用于制造7075铝合金的合金母材置于高300mm、直径为160mm的石墨坩埚内，于790℃下加热熔化并保温30min，得到铝合金熔体；
二、坯料的制备：将18vol.％的KAlF4粉体和1vol.％的TiC纳米颗粒加入到步骤一得到的铝合金熔体中，于180rpm下搅拌30min，然后铸模，得到高120mm、直径为60mm的坯料；
三、挤压成丝：将步骤二得到的坯料在550℃和120吨的挤压力下挤压成直径为2mm的丝材；
四、高强铝合金的制备：用丙酮溶液对步骤三得到的铝合金丝材于10KHz下超声清洗1h，去除表面的杂质，然后进行电子束熔丝增材制造，打印得到铝合金薄璧墙，打印后进行T6热处理，得到高强铝合金；其中所述电子束熔丝增材制造的参数具体为：加速电压为60KeV，真空室真空度为10-3mbar，电子枪真空度为＜0.5×10-3mbar，打印层间温度为80℃，束流为27mA，送丝速度为2000mm/min，打印速度为500mm/min。
图1为具体实施方式一的电子束熔丝1.0vol.％nano-TiC/7075铝合金的构建方向单道组织特征图；从图1可以看出，电子束熔丝增材制造的铝合金单道组织由基板的平面晶逐渐过渡到稳定区的细小等轴晶组织。
图2为具体实施方式一的电子束熔丝1.0vol.％nano-TiC/7075铝合金的水平截面的等轴晶显微组织图；从图2可以看出，电子束熔丝增材制造的铝合金水平截面的组织为全等轴晶组织。
图3为具体实施方式一的电子束熔丝1.0vol.％nano-TiC/7075铝合金的拉伸应力应变曲线。从图3可以看出，电子束熔丝增材制造的铝合金T6时效的抗拉强度达到496Mpa。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中TiC纳米颗粒的添加量为步骤一得到的铝合金熔体体积的1％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中TiC纳米颗粒的添加量为步骤一得到的铝合金熔体体积的3％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中TiC纳米颗粒的添加量为步骤一得到的铝合金熔体体积的4％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中TiC纳米颗粒的添加量为步骤一得到的铝合金熔体体积的5％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中挤压成直径为0.8mm的丝材。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中挤压成直径为1.2mm的丝材。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中挤压成直径为1.6mm的丝材。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中挤压成直径为3.0mm的丝材。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述束流为30mA。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述束流为33mA。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述送丝速度为1500mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述送丝速度为1800mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述送丝速度为2100mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述送丝速度为2400mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述打印速度为120mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述打印速度为290mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述打印速度为460mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述打印速度为630mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中所述打印速度为800mm/min。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1.一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
一、铝合金熔体的制备：将用于制造7075铝合金的合金母材加热熔化，得到铝合金熔体；
二、坯料的制备：将KAlF4粉体和TiC纳米颗粒加入到步骤一得到的铝合金熔体中，搅拌至混合均匀，然后铸模，得到坯料；
三、挤压成丝：将步骤二得到的坯料在530～570℃和110吨～130吨的挤压力下挤压成丝材；
四、高强铝合金的制备：用丙酮溶液对步骤三得到的铝合金丝材进行超声清洗，去除表面的杂质，然后进行电子束熔丝增材制造，打印得到铝合金薄璧墙，打印后进行T6热处理，得到高强铝合金；其中所述电子束熔丝增材制造的参数具体为：加速电压为60KeV，真空室真空度为10-3mbar，电子枪真空度为＜0.5×10-3mbar，打印层间温度为70～90℃，束流为12mA～33mA，送丝速度为1500mm/min～2400mm/min，打印速度为120mm/min～800mm/min。
2.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤一中所述加热熔化的参数为：温度为750～830℃，保温时间为20min～40min。
3.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤二中所述TiC纳米颗粒的添加量为铝合金熔体体积的1％～5％。
4.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤二中所述KAlF4粉体的添加量为铝合金熔体体积的16％～20％。
5.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤二中所述KAlF4粉体的添加量为铝合金熔体体积的18％。
6.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤二中所述搅拌的转速为150rpm～200rpm，时间为20min～40min。
7.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤三中在550℃和120吨的挤压力下挤压成丝材。
8.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤三中得到丝材的直径为0.8mm～3.0mm。
9.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤四中所述超声清洗的频率为9KHz～11KHz，时间为0.8h～1.2h。
10.根据权利要求1所述的一种电子束熔丝增材制造全等轴晶组织高强铝合金的方法，其特征在于，步骤四中所述电子束熔丝增材制造的参数具体为：加速电压为60KeV，真空室真空度为10-3mbar，电子枪真空度为＜0.5×10-3mbar，打印层间温度为80℃，束流为27mA，送丝速度为2000mm/min，打印速度为500mm/min。
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