CN113106311B - 一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法及其设备 - Google Patents

一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法及其设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属3D打印的Al‑Li‑Cu‑Mg系铝合金丝材的制备方法及其设备，S1混粉：Li 0.45‑0.95％、Cu 2‑6％、Mg 0.65‑1.15％、Mn 0.1‑0.55％、Zn 0.15‑0.65％；Ti 0.05‑0.25％、Zr0.1‑1.2％、杂质≤0.25％，余量为Al；S2制备预制块：将均匀混合好的粉末通过模压制成预制块；S3挤压：在真空环境下对预制块进行加热，将预制块移入挤压装置中，制备铝合金棒材；S4拉拔：将挤压后的铝合金棒材拉拔成直径为0.1‑0.6mm的丝材。为消除拉拔变形加工过程产生的残余应力，道次累积变形量达到50‑70％时，真空退火一次；S5超声波清洗：通过超声波清洗，获得Al‑Li‑Cu‑Mg系铝合金丝材。本发明采用粉末法制备预制块，可以获得材料成分控制精确、组织结构比较均匀的铝合金；此外添加Zr元素可以细化晶粒，可以获得性能优良的丝材，有利于3D打印。

Description

一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法及 其设备
技术领域
本发明属于3D打印金属材料领域，具体涉及一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法及其设备，适用于打印航空航天领域高强度要求的制件。
背景技术
铝合金具有低密度，高强度以及优良的导电性和抗蚀性，因而被广泛用于汽车、机械船舶、航空航天等领域。其中Al-Li-Cu-Mg系铝合金综合性能好，具有全面替代传统航空航天用铝合金的趋势。
金属3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属3D打印可分为送粉/铺粉和送丝两种工艺方式，其中基于金属粉末的3D打印技术成形精度高，适合加工形状复杂的小型构件，但是材料利用率低，且粉末对环境有一定的污染；而金属丝材3D打印效率高，打印零件尺寸大，设备便宜，为3D打印领域开辟了新的思路和方向。
本发明的目的在于提供一种金属3D打印的铝合金丝材的制备方法及其设备，通过混粉、挤压、拉拔制备适合于金属3D打印的丝材，为金属3D打印高效率、大尺寸、低成本提供了可能。
本发明所要解决的上述技术问题通过以下技术方案予以解决：
一种金属3D打印的铝合金丝材的制备方法，包括如下步骤：7]S1.混粉：金属粉末按以下重量百分数含量进行称取后进行混合：Li 0.45-0.95％、Cu 2-6％、Mg 0.65-1.15％、Mn 0.1-0.55％、Zn 0.15-0.65％；Ti 0.05-0.25％、Zr0.1-1.2％、杂质≤0.25％，余量为Al；
S2.制备预制块：将均匀混合好的粉末通过模压制成预制块；
S3.挤压：对预制块进行加热，升温速率为50-200℃/min，直至预制块温度升至480-520℃，并在选定的温度下保温5-30min后，将预制块移入挤压装置中，在一定的压强及挤压比下进行挤压，制备5-8mm铝合金棒材；
S4.拉拔：将挤压后的铝合金棒材拉拔成直径为0.1-0.6mm的丝材。为消除拉拔变形加工过程产生的残余应力，道次累积变形量达到50-70％时，真空退火一次，真空退火温度为320-400℃，退火时间为15-30min；
S5.超声波清洗：通过超声波清洗，获得Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材。
本发明中，S1中所述的粉末，其粒径分别为：Al 35-55μm；Li 55-100μm、Cu 10-30μm、Mg 15-35μm、Mn 35-55μm、Zn 1-15μm；Ti 45-75μm、Zr 15-35μm；
本发明中，S2中所述的通过模压制备预制块，压强在50-150MPa之间。
本发明中，S3中所述的加热采用感应加热线圈对预制块进行加热：升温速率为50-200℃/min，加热温度为480-520℃，保温时间为5-30min；S3中所述的挤压装置和所述挤压模具温度保持在400-500℃之间；S3中所述的压强在45-280MPa之间；挤压比在5:1-100:1之间；S3中所述的加热和挤压过程在密封环境中进行，向所述密封环境中持续通入氩气，确保所述密封环境中氧含量不高于100ppm；S3中所述的挤压铝合金棒材直径为5-8mm。
本发明中，S4中所述的拉拔，其单道次变形量为10-20％；拉拔速度为6-12m/min；拉拔的丝材直径为0.1-0.6mm；S4中所述的退火工艺：在真空中退火，退火温度为320-400℃，退火时间为15-30min。
附图说明：
图1为本发明中制备设备的结构流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例对本发明不做任何形式的限定。
实施例1(1)混粉：金属粉末按以下重量百分数含量进行称取后进行混合：Li0.45％、Cu 3％、Mg 0.7％、Mn 0.25％、Zn 0.15％；Ti 0.06％、Zr0.2％、杂质≤0.25％，余量为Al(其粒径分别为：Al 35-55μm；Li 55-100μm、Cu 10-30μm、Mg 15-35μm、Mn 35-55μm、Zn 1-15μm；Ti 45-75μm、Zr 15-35μm)；(2)制备预制块：将均匀混合好的粉末通过模压制成预制块，其压强为75PMa；(3)挤压：对预制块采用感应加热线圈进行加热，升温速率为60℃/min，直至预制块温度升至490℃，并保温25min后，将预制块移入温度为450℃挤压装置中，在120MPa的压强下挤压成直径5mm铝合金棒材，整个过程在通入氩气的密封环境中进行；(4)拉拔：将挤压后的铝合金棒材按单道次变形量为10％、拉拔速度为7m/min拉拔成直径为0.2mm的丝材。为消除拉拔变形加工过程产生的残余应力，道次累积变形量达到50％时，真空退火一次，真空退火温度为320℃，退火时间为30min；(5)超声波清洗：通过超声波清洗，获得Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材。
实施例2(1)混粉：金属粉末按以下重量百分数含量进行称取后进行混合：Li0.65％、Cu 4％、Mg 0.8％、Mn 0.40％、Zn 0.35％；Ti 0.10％、Zr 0.5％、杂质≤0.25％，余量为Al(其粒径分别为：Al 35-55μm；Li 55-100μm、Cu 10-30μm、Mg 15-35μm、Mn 35-55μm、Zn 1-15μm；Ti 45-75μm、Zr 15-35μm)；(2)制备预制块：将均匀混合好的粉末通过模压制成预制块，其压强为100PMa；(3)挤压：对预制块采用感应加热线圈进行加热，升温速率为160℃/min，直至预制块温度升至500℃，并保温15min后，将预制块移入温度为500℃挤压装置中，在160MPa的压强下挤压成直径8mm铝合金棒材，整个过程在通入氩气的密封环境中进行；(4)拉拔：将挤压后的铝合金棒材按单道次变形量为15％、拉拔速度为12m/min拉拔成直径为0.35mm的丝材。为消除拉拔变形加工过程产生的残余应力，道次累积变形量达到60％时，真空退火一次，真空退火温度为360℃，退火时间为20min；(5)超声波清洗：通过超声波清洗，获得Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材。
实施例3(1)混粉：金属粉末按以下重量百分数含量进行称取后进行混合：Li0.85％、Cu 6％、Mg 1.1％、Mn 0.55％、Zn 0.65％；Ti 0.25％、Zr 1.2％、杂质≤0.25％，余量为Al(其粒径分别为：Al 35-55μm；Li 55-100μm、Cu 10-30μm、Mg 15-35μm、Mn 35-55μm、Zn 1-15μm；Ti 45-75μm、Zr 15-35μm)；(2)制备预制块：将均匀混合好的粉末通过模压制成预制块，其压强为150PMa；(3)挤压：对预制块采用感应加热线圈进行加热，升温速率为200℃/min，直至预制块温度升至520℃，并保温5min后，将预制块移入温度为480℃挤压装置中，在200MPa的压强下挤压成直径6mm铝合金棒材，整个过程在通入氩气的密封环境中进行；(4)拉拔：将挤压后的铝合金棒材按单道次变形量为20％、拉拔速度为9m/min拉拔成直径为0.6mm的丝材。为消除拉拔变形加工过程产生的残余应力，道次累积变形量达到70％时，真空退火一次，真空退火温度为400℃，退火时间为15min；(5)超声波清洗：通过超声波清洗，获得Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材。
基于上述一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法，如图1所示：本发明提供一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备设备，包括混合容器(1)、模压机构(2)、挤压装置(3)、拉拔机(4)、超声波清洗机(5)；S1中采用混合容器(1)进行混粉：将金属粉末按以下重量百分数含量进行称取后进行混合：Li 0.45-0.95％、Cu 2-6％、Mg 0.65-1.15％、Mn 0.1-0.55％、Zn 0.15-0.65％；Ti 0.05-0.25％、Zr0.1-1.2％、杂质≤0.25％，余量为Al；S2中采用模压机构(2)制备预制块：将均匀混合好的粉末通过模压机构(2)制成预制块；S3中采用挤压装置(3)对上述预制块进行挤压：对预制块进行加热，升温速率为50-200℃/min，直至预制块温度升至480-520℃，并在选定的温度下保温5-30min后，将预制块移入挤压装置(3)中，在一定的压强及挤压比下进行挤压，制备直径5-8mm铝合金棒材；S4中采用拉拔机(4)对上述铝合金棒材进行拉拔：将挤压后的铝合金棒材拉拔成直径为0.1-0.6mm的丝材；为消除拉拔变形加工过程产生的残余应力，道次累积变形量达到50-70％时，真空退火一次，真空退火温度为320-400℃，退火时间为15-30min；S5中采用超声波清洗机(5)对上述丝杆超声波清洗：通过超声波清洗，获得Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材。
本发明的一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法，解决了金属粉末的3D打印效率低、成本高等问题。
本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而非是对本发明的实施方式的限定。凡是属于本发明的技术方案所做显而易见的任何形式的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.混粉：金属粉末按以下重量百分数含量进行称取后进行混合：Li 0.45-0.95％、Cu2-6％、Mg 0.65-1.15％、Mn 0.1-0.55％、Zn 0.15-0.65％；Ti 0.05-0.25％、Zr0.1-1.2％、杂质≤0.25％，余量为Al；
S2.制备预制块：将均匀混合好的粉末通过模压制成预制块；
S3.挤压：对预制块进行加热，升温速率为50-200℃/min，直至预制块温度升至480-520℃，并在选定的温度下保温5-30min后，将预制块移入挤压装置中，在一定的压强及挤压比下进行挤压，制备直径5-8mm铝合金棒材；
S4.拉拔：将挤压后的铝合金棒材拉拔成直径为0.1-0.6mm的丝材，为消除拉拔变形加工过程产生的残余应力，道次累积变形量达到50-70％时，真空退火一次，真空退火温度为320-400℃，退火时间为15-30min；
S5.超声波清洗：通过超声波清洗，获得Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材；
S1中所述的金属粉末是全部采用元素粉末；各个粉末的粒径分别为：Al 35-55μm；Li55-100μm、Cu 10-30μm、Mg15-35μm、Mn 35-55μm、Zn 1-15μm；Ti 45-75μm、Zr 15-35μm；
S4中所述的拉拔，其单道次变形量为10-20％；拉拔速度为6-12m/min。
2.根据权利要求1所述的一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法，其特征在于，S2中所述的通过模压制备预制块，压强在50-150MPa之间。
3.根据权利要求1所述的一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法，其特征在于，S3中所述的加热采用感应加热线圈对预制块进行加热。
4.根据权利要求1所述的一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法，其特征在于，S3中所述的挤压装置和挤压模具温度保持在400-500℃之间；
S3中所述的压强在45-280MPa之间；挤压比在5:1-100:1之间。
5.根据权利要求1所述的一种金属3D打印的Al-Li-Cu-Mg系铝合金丝材的制备方法，其特征在于，S3中所述的加热和挤压过程在密封环境中进行，向所述密封环境中持续通入氩气，确保所述密封环境中氧含量不高于100ppm。
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