CN113385669B - 激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，包括：将铝锂合金材料送入熔池进行逐层打印，形成打印层；在逐层打印时，对于每一层成型的打印层，均进行轧制变形，通过控制变形量来调控析出相的分布，再打印下一层，直到完成整个铝锂合金工件的打印成型，其中每一层打印层的变形量为大变形量7％‑9％；以及对打印成型的铝锂合金工件的固溶时效处理。本发明通过控制金属材料在逐层打印的同时，同步对每层Al‑Li合金进行大形变量的轧制变形，控制析出相的有序析出，使得晶内的增强相不再是聚集在晶界位置并且无序排列，使得T1相与θ＇相在晶内位错处析出，T1相的晶粒尺寸减小，促进了晶粒细化和均匀分布，提高综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝锂合金技术领域，具体而言涉及一种激光增材制造铝锂合金(Al-Li)的析出相有序析出调控方法。
背景技术
增材制造技术主要是以激光束、电子束、等离子或离子束为热源，在增材制造过程中根据所用的材料，采用高功率激光束熔化或者快速凝固逐层堆积生长，其中材料可分为粉末材料和丝材材料。对于金属材料的增材制造技术来说，可以分为以送粉为技术特征的激光沉积制造和以粉床铺粉为技术特征的选区激光熔化制造。
Al-Li合金具有低密度，高弹性模量，优异的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能等特点。所以，Al-Li合金被认为是下一代航空航天应用中很有前途的候选材料。如飞行器燃料贮箱、火箭推进器贮箱、飞机地板、梁、机身长桁、框、梁、腹板等部位。
为了降低材料的生产成本和提高生产效率，人们尝试利用增材制造来生产铝锂合金。焦世坤等研究发现激光熔化沉积技术制造的Al-Li合金在板底部，沉积态Al-Li合金的枝晶明显粗化并且在枝晶间区域会出现富铜沉淀，影响合金的综合性能。杨齐等人研究发现采用一般增材制造生产出的Al-Li合金会形成柱状晶粒以及不均匀的元素分布，其Al-Li合金中各相会沿晶界分布且不均匀，这将会影响Al-Li合金的综合性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，包括以下步骤：
将铝锂合金材料以粉末态或者丝材送入熔池，通过激光束高温熔化进行逐层打印，形成打印层；
在逐层打印时，对于每一层成型的打印层，均进行轧制变形，通过控制变形量来调控析出相的分布，再打印下一层，直到完成整个铝锂合金工件的打印成型，其中每一层打印层的变形量为大变形量7％-9％；以及
对打印成型的铝锂合金工件的固溶时效处理。
优选地，所述铝锂合金材料Al-Cu-Li-Mg-Zr合金。
优选地，所述方法还包括：
控制激光束以设置的幅度和频率搅动熔池。
优选地，对于逐层送丝同步打印铝锂合金，单层打印高度为1～1.5mm。
优选地，对于逐层送粉同步打印铝锂合金，单层打印高度为0.6～0.8mm。
优选地，所述对打印成型的铝锂合金工件的固溶时效处理，包括：
将打印成型的铝锂合金工件放入固熔炉中进行固熔处理，其固熔温度为510℃，固熔时长2-2.4h；最后在固熔炉中进行时效处理，其时效温度为160℃，保温时长为40-48h。
优选地，所述每一层打印层的变形量为7％-9％时，T1相与θ＇相在晶内位错处析出，并且不在围绕晶界聚集分布。
本发明通过控制金属材料在逐层打印的同时，同步对每层Al-Li合金进行大形变量的轧制变形，通过控制轧制时的变形量，来控制析出相的有序析出，使得晶内的增强相不再是聚集在晶界位置并且无序排列，而是通过大形变量的轧制使得晶内位错增殖，晶内位错缠结，T1相与θ＇相在晶内位错处析出，并且T1相的晶粒尺寸减小，促进了晶粒细化和均匀分布，提高Al-Li合金的强度、抗拉伸、延展率等综合性能。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是激光熔化沉积是示意图。
图2是轧制变形的示意图。
图3是变形量为0时，Al-Li合金组织分布示意图。
图4是变形量为3％时，Al-Li合金组织分布示意图。
图5是变形量为5％时，Al-Li合金组织分布示意图。
图6是变形量为7％时，Al-Li合金组织分布示意图。
图7是变形量为9％时，Al-Li合金组织分布示意图。
图中各附图标记的含义如下：
1、基板；2、上一层；3、沉积层；4、熔池；5、激光光束；6、旁轴送粉系统；7、保护气；8、δ＇相；9、θ＇相；10、T1相；11、晶界。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
本发明旨在提出一种激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，包括以下步骤：将铝锂合金材料以粉末态或者丝材送入熔池，通过激光束高温熔化进行逐层打印，形成打印层；在逐层打印时，对于每一层成型的打印层，均进行轧制变形，通过控制变形量来调控析出相的分布，再打印下一层，直到完成整个铝锂合金工件的打印成型，其中每一层打印层的变形量为大变形量7％-9％；以及对打印成型的铝锂合金工件的固溶时效处理。
在以下的实施例中，我们以旁轴送粉增材制造打印工艺为例，结合图1、2所示的激光熔化沉积和轧制变形过程示意，以Al-Cu-Li-Mg-Zr合金材料的Al-Li合金丝材为例进行打印。如下表示例性的标识了Al-Li合金丝材的组分与配比。
表1Al-4Cu-1Li-0.4Mg-0.5Zr合金成分
| Cu | Li | Mg | Zr | Al |
| 4.50 | 1.10 | 0.50 | 0.31 | Bal |
将Al-Cu-Li-Mg-Zr合金材料的粉末在打印过程中实时送入熔池，由激光在沉积区域产生熔池并按照预设的频率和幅度进行移动，搅动熔池。其中激光功率为200W，扫描速度为100mm/s，按照此参数逐层打印，打印20mm×4mm×4mm的棒材。
Al-Li合金在激光沉积的同时，对Al-Li合金的每一层进行同步的逐层轧制变形。通过控制其轧制时的变形量来控制其析出相分布。其示意图如图2所示。
在未经过轧制变形的Al-Li合金在晶界出会析出不均匀的呈短棒状的θ＇相(Al2Cu)、针状的T1相(Al2CuLi)以及会析出少量呈球状的δ＇相(Al3Li)，如图3所示，此时铝锂合金中各相表现为沿晶界聚焦分布，且分布不均匀，此时的析出相严重影响Al-Li合金的综合性能。未经过轧制变形的Al-Li合金的组织分布示意图如图3所示。
在接下来的实施例中，我们逐步加大轧制的变形量。
实施例1
轧制的变形量控制在3％，轧制过程中，在Al-Li合金的晶内产生位错，θ＇相、T1相在变形和固溶时，在晶内位错处析出。其中θ＇相、T1相的数量与未经过轧制变形的Al-Li合金均有不同程度的增加，θ＇相的直径也与未经过轧制变形的Al-Li合金θ＇相的直径有相应的减小，T1相的增幅大于θ＇相。Al-Li合金的组织分布示意图如图4所示。
实施例2
轧制的变形量控制为5％，轧制过程中在Al-Li合金晶粒内部的位错将会增殖，θ＇相、T1相将继续在位错处析出，所以θ＇相、T1相的数量与轧制变形量为3％时θ＇相、T1相的数量均有不同程度的增加，T1相均匀分布，其Al-Li合金的组织分布示意图如图5所示。
实施例3
轧制的变形量控制为7％时，晶内位错会进一步增殖，但由于变形量的增加，大量的晶内位错缠结，阻碍位错的增殖。因此θ＇相、T1相的数量增加的速度减慢，T1相尺寸与轧制变形量为5％时T1相的晶粒尺寸减小，且均匀弥散分布。其Al-Li合金的组织分布示意图如图6所示。
实施例4
轧制变形的变形量控制为9％时，T1相仍有少量析出，T1相呈均匀分布，θ＇相数量不变，其Al-Li合金的组织分布示意图如图7所示，T1相与θ＇相在晶内位错处析出，并且不在围绕晶界聚集分布。
应当理解，在发明的上述实施例中，均对打印成型的铝锂合金工件的固溶时效处理，将棒材置于固熔炉中进行固熔处理，其固熔温度为510℃，固熔时长2-2.4h；最后在固熔炉中进行时效处理，其时效温度为160℃，保温时长为40-48h。
结合图6、7，可见，通过控制金属材料在逐层打印的同时，同步对每层Al-Li合金进行大形变量的轧制变形，通过控制轧制时的变形量，来控制析出相的有序析出，使得晶内的增强相不再是聚集在晶界位置并且无序排列，而是通过大形变量的轧制使得晶内位错增殖，晶内位错缠结，T1相与θ＇相在晶内位错处析出，T1相的晶粒尺寸减小，促进了晶粒细化和均匀分布，提高Al-Li合金的强度、抗拉伸、延展率等综合性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (5)
1.一种激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，其特征在于，包括：
将铝锂合金材料以粉末态或者丝材送入熔池，通过激光束高温熔化进行逐层打印，形成打印层；
在逐层打印时，对于每一层成型的打印层，均进行轧制变形，通过控制变形量来调控析出相的分布，再打印下一层，直到完成整个铝锂合金工件的打印成型，其中每一层打印层的变形量为大变形量7%-9%，通过大变形量调控改善铝锂合金的析出相；以及
对打印成型的铝锂合金工件的固溶时效处理；
其中，所述铝锂合金材料为 Al-Cu-Li-Mg-Zr合金；
所述每一层打印层的变形量为7%-9%时，T1相与θ＇相在晶内位错处析出，并且不再围绕晶界聚集分布。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，其特征在于，所述方法还包括：
控制激光束以设置的幅度和频率搅动熔池。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，其特征在于，对于逐层送丝同步打印铝锂合金，单层打印高度为1~1.5mm。
4.根据权利要求1所述的激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，其特征在于，对于逐层送粉同步打印铝锂合金，单层打印高度为0.6~0.8mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光增材制造铝锂合金的析出相有序析出调控方法，其特征在于，所述对打印成型的铝锂合金工件的固溶时效处理，包括：
将打印成型的铝锂合金工件放入固熔炉中进行固熔处理，其固熔温度为510℃，固熔时长2-2.4h；最后在固熔炉中进行时效处理，其时效温度为160℃，保温时长为40-48h。
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