CN113714511A - 电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法 - Google Patents

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Abstract

电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，包括以下步骤：(1)对基板进行电弧增材，得到铝合金构件；(2)电弧沉积层冷至室温后，将铝合金构件进行固溶处理，固溶处理后，立即淬火冷却；(3)将淬火冷却后的铝合金构件放入液氮中，进行深冷处理；(4)将深冷处理后的铝合金构件进行深冷变形；(5)将深冷变形后的铝合金构件热油回温至室温，淬火冷却；(6)将淬火冷却后的铝合金构件进行时效处理，时效完成后空冷至室温。本发明将热处理工艺与深冷变形相结合，采用的深冷形变热处理工艺，能细化铝合金增材构件微观组织，消减气孔，大幅且同时提高铝合金增材构件的强度和塑性。

Description

电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法
技术领域
本发明涉及电弧增材制造技术领域，具体是涉及一种电弧增材铝合金构件的在线热处理与深冷变形复合工艺方法。
背景技术
铝合金力学性能优异、密度较低，在航空航天、高端装备等领域具有广泛的应用。电弧增材制造技术是通过电弧热熔化焊丝，通过运动机构或者机器人根据构件三维外形逐层沉积，从而形成最终构件的增材制造技术。电弧增材制造技术主要包括钨极惰性气体保护焊接(TIG)、熔化极惰性气体保护焊接(MIG)、冷金属过渡技术(CMT)和等离子焊接等。然而，电弧增材铝合金构件存在着诸多缺陷，如材料内部晶粒粗大、气孔大小分布不均匀和微裂纹等，这些缺陷明显降低了增材构件的力学性能。
对于2系、7系等可热处理强化的铝合金金属材料来说，固溶和时效等热处理工艺可以通过改变材料的组织形态、析出相种类、大小及体积分数等，进而提高材料的综合力学性能。形变热处理工艺则是在热处理工艺的基础上，通过在固溶和时效过程中添加塑性变形，提高材料内部位错密度，进而促进时效过程材料强化相的析出，从而进一步提升材料的强度。申请号201810073537.9的专利公布了一种短流程制备高强高耐蚀Al﹣Mg﹣Zn铝合金的形变热处理方法，所述方法在将时效析出强化型Al﹣Mg﹣Zn系铝合金热轧后的板材进行固溶淬火、预时效处理、控温轧制变形及最终时效处理。与常规工艺相比，不仅缩短了板材的制备工艺流程，同时大大提高了板材的强度和抗晶间腐蚀性能。
深冷处理是以液氮为冷却介质，在低于－100℃以下的环境下对材料进行处理的一种工艺方法。材料在低温时由于微观组织结构发生了改变，残余应力得到释放，在宏观上表现为耐磨性、尺寸稳定性、综合力学性能等方面的提高。深冷变形是利用金属材料在深冷情况下具有优异的塑性变形能力以及深冷环境阻碍塑性变形过程中位错运动和再结晶行为，促使材料晶粒细化，使材料具有更高的强度与韧性。申请号201811510040.5的专利公布了一种高性能铝锂合金带材的深冷轧制与时效处理制备方法，将铝锂合金带进行固溶处理、多次深冷处理和深冷轧制变形、时效处理。最终得到铝锂合金带材的强度与韧性超过冷轧的铝锂合金带材。
以上发明所采用的形变热处理或深冷变形工艺中，铝合金构件深冷轧制变形是通过上下两个轧辊同时运动而产生的，两个轧辊轧制的方式仅能制备出一定尺寸规格的长方体板材，无法处理几何外形复杂的构件，从而导致增材制造具有的柔性化、个性化制造特点难以有效实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种电弧增材铝合金构件的在线热处理与深冷变形复合工艺方法，该技术与传统的电弧增材不同，在增材过程后加入热处理和深冷变形工艺，使得到的铝合金构件具有更优异的机械性能；该工艺利用深冷变形(冲击变形或辊压变形)与时效相结合的深冷形变热处理方式来代替单纯的时效处理，能大幅且同时提高铝合金构件的强度和塑性，同时，深冷冲击或深冷辊压变形可根据构件外形灵活选择，进而提高具有复杂外形构件的力学性能。加热方式可以在线，其他不同的处理工序可以在线。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，包括以下步骤：
(1)对基板进行电弧增材，得到铝合金构件；
(2)电弧沉积层冷至室温后，将铝合金构件进行固溶处理，固溶处理后，立即淬火冷却；
(3)将淬火冷却后的铝合金构件放入液氮中，进行深冷处理；
(4)将深冷处理后的铝合金构件进行深冷变形；
(5)将深冷变形后的铝合金构件热油回温至室温，淬火冷却；
(6)将淬火冷却后的铝合金构件进行时效处理，时效完成后空冷至室温。
进一步，步骤(1)中，采用冷金属过渡焊接技术或非熔化极惰性气体保护焊或熔化极惰性气体保护焊或等离子弧焊在基板上实现电弧沉积层堆焊。
进一步，步骤(1)中，焊枪移动速度为1～15mm/s，送丝速度为1～10m/min。
进一步，步骤(2)中，固溶温度为480～570℃，保温时间为0.5～2h，转移时间不超过10s，固溶处理方式为激光加热或感应线圈加热。
进一步，步骤(3)中，液氮温度为－196～－160℃，保温时间为0.5～2h，实现均匀冷却。
进一步，步骤(4)中，所述深冷变形为深冷超声冲击变形，深冷冲击温度为－196～－160℃，冲击振幅为30～100μm，冲击头移动速度为1～15mm/s，冲击头直径1～4mm，路径之间偏移间距为0.1～0.5mm，冲击次数为1～4次。
进一步，步骤(4)中，所述深冷变形为深冷辊压变形，开启沉积层两侧的氮气冷却喷枪，对轧辊正下方的金属沉积层进行冷却，采用一个轧辊进行辊压。
进一步，步骤(4)中，辊压总变形量为1～60％，辊压速度为1～12mm/s，辊压温度为－196～－160℃。
进一步，步骤(5)中，热油温度为160～200℃，淬火时间为1～7min。
进一步，步骤(6)中，时效处理温度为150～190℃，保温时间为1～4h。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明所采用的深冷变形方式(冲击变形或辊压变形)，能对外形结构复杂的构件进行深冷变形，冲击变形适用于具有曲面的薄壁件，辊压变形适用于表面平整的框梁类构件，也即本发明的变形方式是可以根据零件外形灵活选择的柔性变形，柔性深冷变形方式可极大发挥电弧增材制造柔性化、个性化制造优点。
(2)深冷处理及深冷变形能抑制材料内部位错运动，提高材料位错密度，促进晶粒细化，同时提升材料的强度及塑性。
(3)固溶和时效中间引入深冷变形，能极大促进后续时效过程中强化相的析出，从而显著提升材料的强度。
(4)本发明充分发挥了深冷变形和形变热处理的优点，深冷变形能获得比室温变形更大的变形量和位错密度，有效减小或者消除增材制造过程中构件内部气孔等缺陷，同时提高时效过程中强化相析出量，从而获得比室温形变热处理工艺更高的强度。
(5)本发明充分发挥了电弧增材制造的高效、柔性化优点及深冷变形和热处理的高性能特点，可实现复杂、高性能铝合金构件的快速制造。
附图说明
图1是本发明工艺方法的示意图。
图2是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明首先根据构件的外形结构，建立三维实体模型；在增材切片软件中对三维实体模型进行分层切片及路径规划，生成增材制造路径及相应代码；此过程的具体实现方式可参见现有技术，本文不再赘述。
本发明采用ER2319铝合金焊丝作熔覆填充材料，合金的化学成分如表1。
表1合金化学成分(wt％)
Cu Mn Mg Zn Ti Si Fe
5.8﹣6.8 0.2﹣0.4 0.02 0.1 0.1﹣0.2 0.2 0.3
表2本发明中实施案例和对比案例的工艺方法
Figure BDA0003273795700000061
实施例1
(1)对基板进行电弧增材，以ER2319铝合金焊丝作熔覆填充材料，采用冷金属过渡焊接技术(CMT)，在基板上实现电弧沉积层堆焊，采用脉冲变极性模式，焊接电流为96A，焊枪移动速度为10mm/s，送丝速度为6m/min，沉积层数为20层。焊枪的移动路径，根据前期生成的增材制造路径及相应代码实现。本实施例中，选用10mm厚2219铝合金做基板，电弧增材前，对基板进行预处理，具体为：对基板进行打磨，用角磨机将基板表面氧化物除去，用丙酮擦拭后固定于操作台上。本实施例的铝合金构件为具有曲面的薄壁件。在具体应用中，还可以采用非熔化极惰性气体保护焊(TIG焊)、熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)或等离子弧焊等在基板上实现电弧沉积层堆焊。
(2)电弧沉积层冷至室温后，将铝合金构件激光加热进行固溶处理，固溶温度为535℃，保温时间为1.5h，固溶处理后，立即喷水进行淬火冷却，实现主要合金元素的固溶，其中转移时间不超过10s。在具体应用中，还可以采用感应线圈加热或放入热处理炉中进行固溶处理。
(3)将淬火冷却后的铝合金构件放入充满液氮的深冷箱中，进行深冷处理，液氮温度为－196℃，保温时间为1h，实现均匀冷却；
(4)取出经深冷处理的铝合金构件，对铝合金构件的两侧及上表面进行深冷超声冲击，深冷冲击温度为－180℃，冲击振幅为80μm，冲击头移动速度为3mm/s，冲击头直径3mm，路径之间偏移间距为0.5mm，冲击次数为2次。
(5)将深冷冲击后的铝合金构件用180℃热油回温至室温，淬火冷却，淬火时间为5min。
(6)将淬火冷却后的铝合金构件放在时效处理炉中进行时效处理，时效处理温度为175℃，保温时间为3h，时效完成后空冷至室温；空冷至室温后进行硬度、拉伸试验测试。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于：步骤(7)采用深冷辊压变形替代深冷超声冲击变形，具体为：取出深冷处理的铝合金构件，同时开启沉积层两侧的氮气冷却喷枪，对轧辊正下方的金属沉积层进行冷却，采用一个轧辊进行辊压，辊压总变形量为50％，辊压速度为10mm/s，辊压温度为－180℃。轧辊移动路径与电弧增材焊枪移动路径一致，根据构件的外形结构，前期在计算机编程中实现。本实施例的铝合金构件为表面平整的框梁类构件。其余同实施例1。
对比例1
本对比例只进行电弧增材。电弧增材工艺参数与实施例1一致。
对比例2
本对比例进行电弧增材+固溶处理+水淬+时效处理。电弧增材工艺参数与实施例1一致；电弧增材后，固溶处理后水淬，固溶处理及水淬的工艺参数与实施例1一致；水淬后进行175℃时效处理3h，然后空冷。
对比例3
本对比例进行电弧增材+固溶处理+水淬+深冷处理+热油高温淬火+时效处理。电弧增材工艺参数与实施例1一致；电弧增材后，固溶处理后水淬，固溶处理及水淬的工艺参数与实施例1一致；水淬后－196℃深冷处理1h，然后180℃热油淬火5min，然后175℃时效处理3h，然后空冷。
对比例4
本对比例进行电弧增材+固溶处理+水淬+室温超声冲击+时效处理。电弧增材工艺参数与实施例1一致；电弧增材后，固溶处理后水淬，固溶处理及水淬的工艺参数与实施例1一致；水淬后室温超声冲击，冲击振幅80μm，冲击头移动速度3mm/s，冲击头直径3mm，路径之间偏移间距为0.5mm，冲击2次，然后175℃时效处理3h，然后空冷。
对以上实施案例和对比案例所得的样品进行硬度及拉伸性能测试，实验结果见表3。
表3实施案例和对比案例的硬度及拉伸性能测试数据
案例编号 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 维氏硬度(HV)
实施例1 530 377 16.1 183
实施例2 538 390 16.8 190
对比例1 267 127 19.2 74
对比例2 450 297 13.9 139
对比例3 479 298 16.3 148
对比例4 506 355 13.5 177
通过表3可以看出，经过本发明电弧增材态铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，铝合金构件的抗拉强度、屈服强度及硬度和直接电弧增材后的构件相比，均大幅度提高。另外，热处理与深冷变形复合工艺能获得比单纯热处理工艺更高的强度和延伸率，实现强度与塑性的双重提升。与室温变形相比，深冷变形下材料的强度和延伸率可进一步提升。由此可见，本发明能够有效提高电弧增材态铝合金构件力学性能。
图1是本发明工艺方法的示意图。图2是本发明的工艺流程图。本发明提出的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，将电弧增材柔性化特点与深冷变形、热处理相结合，能显著提高构件力学性能，能够实现不同形状、不同规格铝合金构件的柔性化、高性能精确制造。
上述步骤中，各工艺参数仅是对本发明运行的一种优选的实施例，具体应用时，可以根据实际生产情况，灵活设置各工艺参数。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例和优选实施方式，并非对本发明做任何形式上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基板进行电弧增材，得到铝合金构件；
(2)电弧沉积层冷至室温后，将铝合金构件进行固溶处理，固溶处理后，立即淬火冷却；
(3)将淬火冷却后的铝合金构件放入液氮中，进行深冷处理；
(4)将深冷处理后的铝合金构件进行深冷变形；
(5)将深冷变形后的铝合金构件热油回温至室温，淬火冷却；
(6)将淬火冷却后的铝合金构件进行时效处理，时效完成后空冷至室温。
2.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(1)中，采用冷金属过渡焊接技术或非熔化极惰性气体保护焊或熔化极惰性气体保护焊或等离子弧焊在基板上实现电弧沉积层堆焊。
3.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(1)中，焊枪移动速度为1～15mm/s，送丝速度为1～10m/min。
4.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(2)中，固溶温度为480～570℃，保温时间为0.5～2h，转移时间不超过10s，固溶处理方式为激光加热或感应线圈加热。
5.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(3)中，液氮温度为－196～－160℃，保温时间为0.5～2h，实现均匀冷却。
6.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(4)中，所述深冷变形为深冷超声冲击变形，深冷冲击温度为－196～－160℃，冲击振幅为30～100μm，冲击头移动速度为1～15mm/s，冲击头直径1～4mm，路径之间偏移间距为0.1～0.5mm，冲击次数为1～4次。
7.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(4)中，所述深冷变形为深冷辊压变形，开启沉积层两侧的氮气冷却喷枪，对轧辊正下方的金属沉积层进行冷却，采用一个轧辊进行辊压。
8.如权利要求7所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(4)中，辊压总变形量为1～60％，辊压速度为1～12mm/s，辊压温度为－196～－160℃。
9.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(5)中，热油温度为160～200℃，淬火时间为1～7min。
10.如权利要求1所述的电弧增材铝合金构件的热处理与深冷变形复合工艺方法，其特征在于：步骤(6)中，时效处理温度为150～190℃，保温时间为1～4h。
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