CN112048646A - 一种用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材及其制备方法 - Google Patents

一种用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域,涉及用于电弧熔丝增材制造的Al‑Si‑Mg‑Sc‑Zr丝材及其制备方法，该丝材的材料成分和质量百分比含量为：Si：6.0～8.0％，Mg：0.6～0.8％，Ti：0.1～0.2％，Sc：0.1～0.6％，Zr：0.1～0.4％，Fe<0.1，Cu<0.1，Zn<0.1，其余为Al；所述制备方法为：将均匀化处理后的Al‑Si‑Mg‑Sc‑Zr铸锭切头去尾并铣面，再经热挤压获得合金盘条；将Al‑Si‑Mg‑Sc‑Zr盘条经拉拔、去应力退火、表面精刮、在线清洗、打轴包装等工序获得直径1.2～1.6mm、Al‑Si‑Mg‑Sc‑Zr丝材。本发明制备的直径

Description

一种用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材及其制备 方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材及其制备方法。
背景技术
高强铝合金由于其比重小、强度高、硬度大、加工性能好等特点，被广泛地应用于航空航天领域，尤其是作承力较大的结构材料，在航空航天领域中占有十分重要的地位，是航空航天领域的主要结构材料之一。
高强铝合金主要包括以Al-Cu-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系为基的两类合金，随着增材制造技术的迅猛发展，以电弧+丝材的熔丝沉积成形为代表的增材制造技术越来越多的应用于航空构件。相比于传统的减法式制造，电弧熔丝增材制造这种新兴的加工制造方法能实现金属件的高效、近净成形，前期无需模具投入、可突破尺寸规格限制，制备小批量且复杂几何形状的构件，具有材料利用率高、制备周期短、快速响应等优点。目前电弧熔丝增材制造高强铝合金存在很强的热烈倾向，成形难度极大。为解决该技术问题，本发明设计开发出一种新型的、电弧熔丝增材制造用Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材。
发明内容
本发明的目的是：提供一种用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材及其制备方法。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材，所述的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的材料成分和质量百分比含量为：Si：6.0～8.0％，Mg：0.6～0.8％，Ti：0.1～0.2％，Sc：0.1～0.6％，Zr：0.1～0.4％，Fe<0.1％，Cu<0.1％，Zn<0.1％，其余为Al。
所述丝材直径为1.2～1.6mm。
另一方面，提供一种制备用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的方法，包含以下步骤：
步骤一、均匀化退火：将Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭在400～450℃保温8h-20h后，随炉冷却至室温；
步骤二、将均匀化处理后的Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭切头去尾并铣面，获得表面光亮、无缺陷的铸锭；
步骤三、热挤压：将Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭在420～470℃保温2h-4h后，快速放入挤压筒进行连续挤压，得到直径8.0～12.5mm的盘条；
步骤四、去应力退火：将挤压后的Al-Si-Mg-Sc-Zr盘条在400～420℃保温1～3h后取出空冷至室温；
步骤五、拉拔：将步骤四所述盘条拉拔至直径
Figure BDA0002662720910000021
的半成品丝材；控制拉拔过程中变形量如下：
直径大于5.5mm的丝材单道次拉拔变形量不大于19％，总变形量不大于35％；直径2.0～5.5mm的丝材单道次拉拔变形量不大于27％，总变形量不大于48％；
步骤六、精刮：将步骤五所述半成品丝材去除表面氧化膜，获得待清洗丝材。
步骤一中Al-Si-Mg-Sc-Zr铝锭尺寸为：
Figure BDA0002662720910000022
步骤三中挤压温度为400～420℃，挤压速度为0.4～0.5m/min，挤压比为72～90。
优选地，步骤三中，放入挤压筒时间在15s之内
优选地，步骤五中所述盘条采用聚晶模在单道立式拉拔机拉拔。
优选地，步骤六中，丝材表面精刮量为0.03～0.05mm，精刮丝材经压缩后直径为
Figure BDA0002662720910000031
优选地，所述的制备方法在步骤六后还包括：
在线清洗：将步骤六所述丝材进行在线清洗，除去丝材表面油污，获得表面光亮、尺寸合格的成品丝材
本发明的有益效果是：
本发明设计开发出一种新型的、电弧熔丝增材制造用Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材，该丝材在Al-Si-Mg系铸造铝合金的基础上添加Sc、Zr元素，能够细化晶粒组织、抑制热裂纹倾向性、改善力学性能。具有以下优点：
1、可批量化生产电弧熔丝增材制造用直径
Figure BDA0002662720910000032
Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材；并可根据市场需求提供
Figure BDA0002662720910000033
范围内任意直径的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材；
2、该工艺方法是一种生产效率高，材料利用率高，表面质量高的电弧熔丝增材制造用
Figure BDA0002662720910000034
Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的生产方法。
3、将本发明制备的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材能够细化晶粒组织、抑制热裂纹倾向性、改善力学性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
实施例一
一种用于电弧熔丝增材制造的直径1.6mm、Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材，制造时丝材各元素的重量百分含量为：Si：6.92，Mg：0.68，Ti：0.11，Sc：0.105，Zr：0.104，Fe<0.1，Cu<0.1，Zn<0.1，其余为Al。
上述Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材按以下步骤方法制备获得：
a)均匀化退火：将规格
Figure BDA0002662720910000041
的Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭在400℃入炉保温12h后炉冷至室温出炉；
b)将均匀化处理后的Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭头部切除50mm、尾部切除5mm并单边扒皮3mm，获得表面光亮、无缺陷的铸锭；
c)热挤压：将光亮的Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭在420℃入炉，保温3h后在2500吨挤压机上进行挤压，挤压温度为410℃，挤压速度为0.5m/min，获得直径
Figure BDA0002662720910000042
的盘条；
d)去应力退火：将直径9.0mm的盘条在420℃保温3h后、空冷至室温；
e)拉拔：将去应力退火后的直径
Figure BDA0002662720910000043
盘条采用聚晶模在单道立式拉拔机按
Figure BDA0002662720910000044
(退火：420℃保温3h后，空冷)
Figure BDA00026627209100000411
(退火：420℃保温3h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000045
(退火：420℃保温3h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000046
(退火：420℃保温3h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000048
(退火：420℃保温3h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000047
(退火：420℃保温3h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000049
(退火：420℃保温3h后，空冷)
Figure BDA00026627209100000410
进行拉拔减径；
f)表面精刮：将直径1.8mm半成品丝材在精刮机上进行精刮，单边精刮尺寸为0.04mm，压缩后获得直径1.6mm的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材；
g)在线清洗：将精刮后的直径1.6mm的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材在线清洗去除表面油污，获得表面光亮的成品丝材；
h)打轴包装：将成品丝材在打轴机上以每轴不大于7kg进行真空包装；
实施例二
一种用于电弧熔丝增材制造的直径1.2mm、Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材，制造时丝材各元素的重量百分含量为：Si：6.3，Mg：0.6，Ti：0.12，Sc：0.42，Zr：0.28，Fe<0.1，Cu<0.1，Zn<0.1，其余为Al。
上述Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材按以下步骤方法制备获得：
a)均匀化退火：将规格
Figure BDA00026627209100000510
的Al-Si-Mg-Sc-Zr在450℃入炉保温14h后炉冷至室温出炉；
b)将均匀化处理后的Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭头部切除30mm、尾部切除10mm并单边扒皮4mm，获得表面光亮、无缺陷的铸锭；
c)热挤压：将光亮的Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭在470℃入炉，保温4h后在2500吨挤压机上进行挤压，挤压温度为420℃，挤压速度为0.4m/min，获得直径
Figure BDA0002662720910000051
的盘条；
d)去应力退火：将直径8.5mm的盘条在400℃保温2h后、空冷至室温；
e)拉拔：将去应力退火后的直径
Figure BDA0002662720910000052
盘条采用聚晶模在单道立式拉拔机按
Figure BDA0002662720910000053
(退火：400℃保温2h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000054
(退火：400℃保温2h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000055
(退火：400℃保温2h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000056
(退火：400℃保温2h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000057
(退火：400℃保温2h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000058
(退火：400℃保温2h后，空冷)
Figure BDA0002662720910000059
进行拉拔减径；
f)表面精刮：将直径1.4mm半成品丝材在精刮机上进行精刮，单边精刮尺寸控制在0.05mm，压缩后获得直径1.2mm的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材；
g)在线清洗：将精刮后的直径1.2mm的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材在线清洗去除表面油污，获得表面光亮、直径1.2mm的成品丝材；
h)打轴包装：将成品丝材在打轴机上以每轴不大于7kg进行真空包装。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材，其特征在于：所述的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的材料成分和质量百分比含量为：Si：6.0～8.0％，Mg：0.6～0.8％，Ti：0.1～0.2％，Sc：0.1～0.6％，Zr：0.1～0.4％，Fe<0.1％，Cu<0.1％，Zn<0.1％，其余为Al。
2.根据权利要求1所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材，其特征在于：所述丝材直径为1.2～1.6mm。
3.一种制备权利要求1所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的方法，其特征在于：所述制备方法包含以下步骤：
步骤一、均匀化退火：将Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭在400～450℃保温8h-20h后，随炉冷却至室温；
步骤二、将均匀化处理后的Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭切头去尾并铣面，获得表面光亮、无缺陷的铸锭；
步骤三、热挤压：将Al-Si-Mg-Sc-Zr铸锭在420～470℃保温2h-4h后，快速放入挤压筒进行连续挤压，得到直径8.0～12.5mm的盘条；
步骤四、去应力退火：将挤压后的Al-Si-Mg-Sc-Zr盘条在400～420℃保温1～3h后取出空冷至室温；
步骤五、拉拔：将步骤四所述盘条拉拔至直径φ1.4mm～φ1.8mm的半成品丝材；控制拉拔过程中变形量如下：
直径大于5.5mm的丝材单道次拉拔变形量不大于19％，总变形量不大于35％；直径2.0～5.5mm的丝材单道次拉拔变形量不大于27％，总变形量不大于48％；
步骤六、精刮：将步骤五所述半成品丝材去除表面氧化膜，获得待清洗丝材。
4.根据权利要求3所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的制备方法，步骤一中Al-Si-Mg-Sc-Zr铝锭尺寸为：φ175～180×(550～600)mm。
5.根据权利要求3所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的制备方法，步骤三中挤压温度为400～420℃，挤压速度为0.4～0.5m/min，挤压比为72～90。
6.根据权利要求3所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的制备方法，步骤三中，放入挤压筒时间在15s之内。
7.根据权利要求3所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的制备方法，步骤五中所述盘条采用聚晶模在单道立式拉拔机拉拔。
8.根据权利要求3所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的制备方法，步骤六中，丝材表面精刮量为0.03～0.05mm，精刮丝材经压缩后直径为φ1.2-φ1.6mm。
9.根据权利要求3所述的用于电弧熔丝增材制造的Al-Si-Mg-Sc-Zr丝材的制备方法，所述的制备方法在步骤六后还包括：
在线清洗：将步骤六所述丝材进行在线清洗，除去丝材表面油污，获得表面光亮、尺寸合格的成品丝材。
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