CN112775584B - 一种用于7075铝合金电弧增材的富硅原位强化粉芯丝材及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于7075铝合金电弧增材的富硅原位强化粉芯丝材及制备方法，属于铝合金增材领域。本发明采用的铝合金粉芯丝组分设计在7075铝合金成分的基础上通过优化Si元素的含量，并在此基础上加入钛、硼和锆，使得制备的7075系铝合金药芯焊丝在电弧增材制造周期性的熔化、凝固时不会形成较大柱状晶和热裂纹，有效的改善了打印件的力学性能，且降低了合金熔体的表面张力降低了沉积层的台阶效应提高了沉积件的成型精度，且生产方法简单成本较低。
Description
技术领域
本发明属于铝合金增材领域，涉及一种铝合金粉芯填充丝及其制备方法，尤其涉及用于7075铝合金电弧增材。
技术背景
增材制造是一种采用离散堆积原理，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，相比于传统的减材制造和等材制造具有产品生产周期短、材料利用率高等优点，具有广阔的应用前景。目前，在金属零件增材制造领域，电弧、激光、电子束、等离子等热源均可实现零件制造成型。电弧增材制造技术以电弧作为热源，丝材作为成型材料，相比于激光、电子束等高能热源模式具有沉积效率高、设备成本低、材料利用率高、节约能源等优点具有广阔的发展前景，尤其适用于航空航天领域大型结构件。
7075铝合金为Al-Zn-Mg-Cu合金，属于高强变形铝合金，具有较高的抗拉强度，又兼具良好的的韧性和耐腐蚀性，广泛的应用于航空航天、轨道交通等领域。但是，目前在航空领域应用广泛的7075 高强铝合金的增材制造存在以下问题：①受限于金属加工工艺目前商用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金丝材及其匮乏，且并非针对增材制造设计，采用该种丝材电弧增材制造不仅力学性能差而且成型精度低。②采用的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分粉末在增材制造过程中，容易形成较大柱状晶和周期性热裂纹，而且铝合金材料的反射率大对激光的吸收率低，能量利用率低，生产效率难以满足实际需求。这些问题大大限制了7075超高强铝合金在航空零部件的增材制造领域中的应用。
发明内容
针对现有的7075铝合金在增材制造过程中，周期性的熔化、凝固导致材料形成较大柱状晶和周期性热裂纹，且成型精度低的问题，本发明提供一种专用于7075铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝及其制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝，其特征在于，采用5052软态铝带作为外皮，粉芯丝的填充率10％～30％。粉芯由以下组分按质量百分比配制，总的质量百分比是100％，其中粉芯中各合金成分的质量百分比为：铝硅合金粉8％-30％，优选15％-28％，铝硅质量比1：1；金属铝镁合金粉含22.5～30.5％，铝镁质量比1： 1；金属铝锌合金粉含15％～35％，铝锌质量比7：3；金属铝铜合金粉8％～25％，铝铜质量比1：1；金属Mn粉含量为0.25％～1.0％；金属Cr粉0.25％-1.0％；AlTi合金粉2.5％-15％，优选10％，AlTi合金中钛铝质量比为1:1；金属AlZr合金粉2.5％-15％，优选10％， AlZr合金中锆铝质量比为1：1；氧化硼粉0.5％-3％，优选2％，余量为纯铝粉，其中包括纯铝粉为0的情况。
经过大量的实验，上述合金粉粒径为75μm～300μm，优选 150μm-200μm，颗粒形状为球形或近球形。
Cr粉、Mn粉以纯度大于99.9％的高纯金属粉的形式加入；所述的钛铝合金粉、锆铝合金粉以纯度大于99.9％的高纯化合物的形式添加；氧化硼纯度大于98％。
进一步优选其中金属铬粉与金属锰粉质量比例控制在0.5～2之间，铬与钛铝合金粉的质量比控制在0.1～0.4之间。
所得产品应用，用于7075高强铝合金TIG电弧增材，成型电流为 60～240A，保护气体为纯度大于99.99％的高纯氩气。
相对于现有技术，本发明采用的铝合金粉芯丝组分设计在7075 铝合金成分的基础上通过优化Si元素的含量，并在此基础上加入钛、硼和锆，使得制备的7075系铝合金药芯焊丝在电弧增材制造周期性的熔化、凝固时不会形成较大柱状晶和热裂纹，有效的改善了打印件的力学性能，且降低了合金熔体的表面张力降低了沉积层的台阶效应提高了沉积件的成型精度，且生产方法简单成本较低。
本发明中富Si元素的添加起到以下作用：①降低熔体温度和合金凝固范围，会在熔池凝固末期形成低熔点的共晶物，改善了熔体的流动性，并且能够起到回填裂纹的作用，降低成型件的热裂纹敏感性，使组织更致密。②硅元素加入在焊缝中生成极细晶区能够显著细化焊缝组织，增加合金韧性，阻碍热裂纹的萌生和扩展。③硅元素是铝合金的显著表面活性元素，能够显著降低熔池中铝合金熔体的表面张力，增加熔池的边缘流动性，焊缝铺展平整，降低成型的台阶效应。④硅元素与氧的结合能力强在熔池中起到脱氧作用。
钛铝合金粉、锆铝合金粉以及氧化硼粉能够在增材制造过程中原位生成Al3Ti、Al3Zr和TiB2强化颗粒,限制晶界运动，阻碍晶粒生长，起到细化焊缝晶粒尺寸，限制柱状晶生长，抑制热裂纹扩展的作用。
Mg：7075合金的主要强化合金，向焊缝金属中过渡镁元素。
Zn:7075系合金主强化元素，向熔池过渡锌元素。
Cu:7075系强化元素，提高金属耐腐蚀性。
Mn：细化晶粒，提高焊缝强度，减少热裂纹倾向。
Cr：与Mn效果相似，与Mn同时加入起协同作用。
如上述的用于7075系铝合金电弧增材制造的粉芯丝材，其中外皮优选5052铝镁合金带，本发明药芯填充丝采用常规药芯焊丝制备技术制得。
5052铝合金带化学成分
如上述的用于7075铝合金电弧增材制造的粉芯丝材的制备方法，其特征在于：
选用宽度为10～16mm，厚度为0.4～1.0mm的5052铝镁合金带为填充丝的外皮，首先激光清洗除去内表面氧化膜及杂质，激光清洗速度为0.5m～1m/s，激光清洗后将铝带经过拉丝轧辊逐道轧制成U型槽并填入上述的药粉，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行剥皮处理得到焊丝成品，其直径在1.0～3.0mm，制备过程如图1所示。
铝带尺寸和成品丝材尺寸
本发明所述的铝合金药芯填充丝用于7075铝合金的电弧增材制造，同样适用于7075铝合金焊接，采用普通的钨极惰性气体保护焊 TIG成型，电流为60～240A。
本发明的高强铝合金填充丝采用99.99％高纯Ar作为保护气体，增材制造成型良好，无凸起、咬边、焊渣等缺陷，成型件的各项性能符合工程需求。该粉芯填充丝易于加工成型、成本低廉，操作工艺简单、方便、高效、适应性好、易于推广，具有很好的市场应用价值。
附图说明
图1为制备过程流程图。
具体实施方式
为了进一步明确本发明的目的、发明思想及技术方案，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
实施例1
用于7075超高强铝合金TIG电弧增材制造的富硅原位强化粉芯填充丝采用5052铝镁合金带外皮10×0.5mm，填充率为10％，填充丝经拉拔、减径后直径为1.0mm，粉芯的化学组成(重量％)为铝硅合金粉20％，金属铝镁合金粉：22.5％，锌铝合金粉：20％，铝铜合金粉： 12％，金属锰粉：1.0％，金属Cr粉：1.0％，钛铝合金粉：5％，金属铝锆合金粉为：5％，氧化硼粉为1％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为6L/min，成型电流80A，层间温度60℃，熔覆50层。
实施例2
用于7075超高强铝合金TIG电弧增材制造的富硅原位强化粉芯填充丝采用5052铝镁合金带外皮12×0.8mm，填充率为15％，填充丝经拉拔、减径后直径为1.2mm，粉芯的化学组成(重量％)为铝硅合金粉20％，金属铝镁合金粉：25％，锌铝合金粉：25％，铝铜合金粉：15％，金属锰粉：1.0％，金属Cr粉：0.5％，钛铝合金粉：5％，金属铝锆合金粉为：5％，氧化硼粉为1％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为6L/min，成型电流80A，层间温度60℃，熔覆50层。
实施例3
用于7075高强铝合金TIG电弧增材制造的富硅原位强化粉芯填充丝采用5052铝镁合金带外皮8×0.4mm，填充率为20％，填充丝经拉拔、减径后直径为1.6mm；药芯的化学组成(重量％)为铝硅合金粉25％，金属铝镁合金粉：25％，锌铝合金粉：25％，铝铜合金粉：15％，金属锰粉：0.9％，金属Cr粉0.6％，金属铝锆合金粉：3％，钛铝合金粉：3％，氧化硼0.6％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为7L/min，成型电流110A，层间温度80℃，熔覆50 层。
实施例4
用于7075超高强铝合金TIG电弧增材制造的富硅原位强化粉芯填充丝采用5052铝镁合金带外皮14×0.6mm，填充率为25％，填充丝经拉拔、减径后直径为2.0mm；粉芯的化学组成(重量％)为铝硅合金粉 16％，金属铝镁合金粉：23％，锌铝合金粉：17％，铝铜合金粉：10％，金属Mn粉：0.95％，金属Cr粉：1.0％，金属铝锆合金粉：10％，钛铝合金粉：10％，氧化硼粉2％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为7L/min，成型电流100A，层间温度60℃，熔覆50层。
实施例5
用于7075超高强铝合金TIG电弧增材制造的富硅原位强化粉芯填充丝采用5052铝镁合金带外皮16×0.4mm，填充率为30％，填充丝经拉拔、减径后直径为3.0mm；药芯的化学组成(重量％)为铝硅合金粉 30％，金属铝镁合金粉：30％，锌铝合金粉：15％，铝铜合金粉：10％，金属锰粉：0.6％，金属铬粉能：0.3％，金属铝锆合金粉：4.5％，钛铝合金粉：6％，氧化硼粉1.2％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为7L/min，成型电流130A，层间温度60℃，熔覆50层。
将实施例1-5制备的铝合金粉末增材制造成零部件进行力学性能检测和表面粗糙度检测，结果如下表所示。
对比例1
一种用于7075超高强铝合金TIG电弧增材制造的铝合金粉芯填充丝采用5052铝镁合金带外皮12×0.5mm，填充率为20％，填充丝经拉拔、减径后直径为1.6mm；粉芯的化学组成(重量％)为金属铝镁合金粉：25％，锌铝合金粉：20％，铝铜合金粉：20％，金属锰粉：0.6％，金属锰粉：0.6％，金属铝锆合金粉：4.5％，钛铝合金粉：6％，氧化硼粉1.2％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为10L/min，成型电流85A，层间温度80℃，熔覆50层。
对比例2
一种用于7075超高强铝合金TIG电弧增材制造的铝合金药芯填充丝采用5052铝镁合金带外皮12×0.5mm，填充率为25％，填充丝经拉拔、减径后直径为2.0mm；粉芯的化学组成(重量％)为铝硅合金粉：35％，金属铝镁合金粉：10％，锌铝合金粉：10％，铝铜合金粉：30％，金属锰粉：0.6％，金属铬粉：0.6％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为10L/min，成型电流85A，层间温度80℃，熔覆50层。
对比例3
用于7075超高强铝合金TIG电弧增材制造的粉芯填充丝采用5052 铝镁合金带外皮16×0.6mm，填充率为30％，填充丝经拉拔、减径后直径为3.0mm；粉芯的化学组成(重量％)为铝硅合金粉5％，金属铝镁合金粉：10％，锌铝合金粉：20％，铝铜合金粉：30％，金属锰粉： 0.6％，金属铬粉：0.6％，金属铝铬合金粉：4.5％，钛铝合金粉：6％，氧化硼粉1.2％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为7L/min，成型电流100A，层间温度60℃，熔覆50层。
将对比例1-3制备的铝合金粉末增材制造成零部件进行力学性能检测和表面粗糙度检测，结果如下表所示。
综上所述，本发明提供的增材制造用7075铝合金药芯丝材，通过优化合金的含量、组分及制备工艺，显著提高了材料在高温环境中的稳定性，使其在增材制造过程中经过周期性的熔化、凝固时不会形成较大柱状晶和热裂纹，有效改善了成型件的力学性能，并且通过优化的富硅元素配方设计增加了熔池的流动和铺展能力，降低了电弧增材成型件的台阶效应，降低了成型件的表面粗糙度，具有成本低廉，快速高效等优点。
Claims (8)
1.一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝，其特征在于，采用5052软态铝带作为外皮，粉芯丝的填充率10%~30%；粉芯由以下组分按质量百分比配制，总的质量百分比是100 %，其中粉芯中各合金成分的质量百分比为：铝硅合金粉8%-30%，铝硅质量比1：1；金属铝镁合金粉含22 .5～30 .5％，铝镁质量比1：1；金属铝锌合金粉含15%～35%，铝锌质量比7：3；金属铝铜合金粉8%～25%，铝铜质量比1：1；金属Mn粉含量为0 .25％～1.0％；金属Cr粉0.25%-1.0%； AlTi合金粉2.5%-15%，AlTi合金中钛铝质量比为1:1；金属AlZr合金粉2.5%-15%，AlZr合金中锆铝质量比为1：1；氧化硼粉0.5%-3%，余量为纯铝粉，其中包括纯铝粉为0的情况。
2.按照权利要求1所述的一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝，其特征在于，铝硅合金粉15%-28%， AlTi合金粉10%，氧化硼粉2%。
3.按照权利要求1所述的一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝，其特征在于，合金粉粒径为75μm～300μm，颗粒形状为球形或近球形。
4.按照权利要求3所述的一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝，其特征在于，合金粉粒径为150μm-200μm。
5.按照权利要求1所述的一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝，其特征在于，Cr粉、Mn粉以纯度大于99 .9％的高纯金属粉的形式加入；所述的AlTi合金粉、AlZr合金粉以纯度大于99 .9％的高纯化合物的形式添加；氧化硼纯度大于98%。
6.按照权利要求1所述的一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝，其特征在于，其中金属铬粉与金属锰粉质量比例控制在0.5～2之间，铬与AlTi合金粉的质量比控制在0.1～0.4之间。
7.权利要求1-6任一项所述的一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝的制备方法，其特征在于，将粉末采用机械搅拌的方式搅拌均匀，选用宽度为8~16mm，厚度为0.6~1.0mm的5052铝镁合金带为填充丝的外皮，激光清洗铝带内表面，清洗速度为0.5~1m/min，并将其轧制成U型槽填入混合均匀的药粉，药粉重量是填充丝重量的10%~30％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，剥皮、校直得到成品填充丝。
8.权利要求1-6任一项所述的一种用于7075高强铝合金电弧增材制造的粉芯填充丝应用，用于7075高强铝合金TIG电弧增材，成型电流为60~240A，保护气体为纯度大于99.99%的高纯氩气。
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