CN113909733B - 一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金增材制造技术领域，具体公开一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝及其制备方法。所述铝镁合金焊丝包括以下质量百分含量的化学元素：Mg：4.0％～6.0％，Ti：1.5％～5.0％，B：0.4％‑1.0％，C：0.1％～0.25％，Mn：0.1％～1.0％，Cr：0.05％～0.25％，其余为Al和不可避免的杂质元素；在制备铝镁合金焊丝的过程中，Mn和Cr分别以Al‑Mn中间合金和Al‑Cr中间合金的形式加入；Ti、B和C分别以K2TiF6和纳米B4C粉末的形式加入。本发明提供的铝镁合金焊丝在电弧熔丝增材制造时能促使等轴晶形成和细化晶粒，抑制热裂纹的产生，提高增材制造工件的力学性能。

Description

一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金增材制造技术领域，尤其涉及一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝及其制备方法。
背景技术
随着航空航天、国防军工高精尖技术的不断革新以及结构件研制周期的进一步缩短，尺寸高精化、形状复杂化成为了铝合金结构件发展的方向，这对复杂精密铝合金构件的制造技术提出了新的要求。铝合金增材制造因具有快速高效成形、任意成型、节省材料等优势，能够满足高精尖领域对铝合金结构件制造技术的要求而成为了研究热点之一。
铝合金增材制造主要的成形工艺有高能束流增材制造(如电子束、激光束等)和电弧增材制造(如熔化极气体保护焊MIG、钨极氩弧焊TIG和冷金属过渡焊CMT)等。与高能束流增材制造工艺相比，电弧增材制造因具有成本低、沉积效率高、丝材利用率高、可原位复合制造以及成形大尺寸零件等优点而引起了广泛关注。但铝合金电弧增材制造过程中由于金属是逐层沉积，这一特殊的热过程造成了金属周期性熔化和凝固，在沉积高度方向上温度梯度大，晶粒容易沿着该方向优先生长即定向生长，出现柱状晶；同时由于联生结晶作用沉积态金属易出现一次枝晶粗大，二次枝晶相对细小等问题。这些组织在性能上表现出各向异性、不均匀性和不稳定性，严重影响零件的综合力学性能，限制铝合金增材制造技术的发展。
有研究证实在激光选区熔化增材制造粉末中加入具有细化作用的粉末能够有效的抑制热裂纹和柱状晶的形成，从而提高成形工件的力学性能。因此，目前也有将该思路引入到电弧填丝的增材制造中，具体是在电弧增材制造过程中涂覆具有细化作用的涂料，来促进等轴晶的形成和晶粒细化，但在沉积层层间涂覆包含有细化相的涂料，具有一定的局限性，例如：1)层间涂覆易使晶粒细化剂分布不均匀，从而引起晶粒尺寸的不均匀；2)涂覆的细化剂粉末尤其是表面能较大的纳米级粉末容易团聚，出现与熔体不润湿的现象，起不到细化作用；3)在每一层沉积前涂覆细化剂，降低了增材制造的效率。
发明内容
针对现有铝合金增材制造存在的上述问题，本发明提供一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝及其制备方法，该铝镁合金焊丝在电弧熔丝增材制造时能够促使等轴晶形成，细化晶粒，抑制热裂纹的产生，改善微观组织，产生晶内强化的效果，极大提高增材制造工件的综合力学性能。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝，包括以下质量百分含量的化学元素：
Mg：4.0％～6.0％，Ti：1.5％～5.0％，B：0.4％-1.0％，C：0.1％～0.25％，Mn：0.1％～1.0％，Cr：0.05％～0.25％，其余为Al和不能避免的杂质元素；
在制备所述铝镁合金焊丝的过程中，Mn和Cr分别以Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金的形式加入；Ti、B和C分别以K2TiF6和纳米B4C粉末的形式加入。
相对于现有技术，本发明提供的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝中的Mn和Cr分别以Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金的形式加入，Ti和B分别以K2TiF6和纳米B4C粉末的形式加入。上述原料的加入形式和特定的元素组成及比例控制，可使制备得到铝镁合金焊丝中形成原位纳米TiC和TiB2颗粒，而原位纳米TiC和TiB2颗粒与Al-Mg合金基体的比重接近，晶体结构类似，可以使得到的焊丝的增材铸造工件中的晶格错配度较小，润湿性好，有良好的界面结合，在电弧熔丝增材制造时熔池中的这些纳米颗粒能够成为有效的异质形核核心，促使等轴晶形成和晶粒的细化，有效抑制热裂纹的产生，改善微观组织，进而显著提高增材制造工件的综合力学性能。
优选的，所述Al-Mn中间合金由Al和Mn元素组成，其中Mn的质量含量为8％～10％。
优选的，所述Al-Cr中间合金由Al和Cr元素组成，其中Cr的质量含量为8％～10％。
本发明还提供所述电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，该制备方法，至少包括以下步骤：
a、取纯铝、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、纳米B4C粉末和K2TiF6作为原料，使所述原料中各元素的含量满足所述铝镁合金焊丝中的各元素的百分含量；所述纯铝中包括质量含量为4％～5％的微米级Al粉；
b、将所述微米级Al粉除外的其它纯铝升温熔融后，加入所述纯镁，搅拌熔化，然后在保温条件下，加入所述Al-Mn中间合金和所述Al-Cr中间合金，得到熔体；
c、将所述纳米B4C粉末与所述微米级Al粉混合，依次进行球磨、烧结，得到预压块；
d、将所述预压块加入到所述熔体中，保温熔融后，移除浮渣，降温至780-820℃，加入所述K2TiF6，保温反应，移除浮渣后进行浇注、成型，得到铝镁合金铸杆；
e、将所述铝镁合金铸杆进行拉拔和热处理，得到所述铝镁合金焊丝。
相对于现有技术，本发明提供的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法采用特定的原位纳米颗粒结合特定形式的中间合金制备焊丝进行增材制造过程，避免了传统添加细化剂时导致的涂覆不均等缺陷；采用纳米B4C粉末与特定量的微米级Al粉混合，制备焊丝，可进一步降低原料的损耗，进而降低生产成本；纳米B4C粉末和K2TiF6以特定的形式加入，在特定的温度下，可原位形成大量纳米级的TiC和TiB2颗粒，与直接加入TiC和TiB2颗粒相比，得到的焊丝在增材制造过程中，可极大促进等轴晶的形成，增加晶粒细化程度和均匀性，有效改善微观组织，增加组织的稳定性，有效提升增材制造零件的综合力学性能，极大促进了铝合金增材制造技术的发展。
优选的，步骤b中，所述升温熔融的温度为950℃～1200℃。
优选的，步骤c中，所述球磨的过程在氩气气氛下进行，所述球磨的转速为180r/min～220r/min、时间为2～3h。
优选的，步骤c中，所述烧结的过程在放电等离子烧结炉中进行，所述烧结的真空度≤5Pa、温度为570℃～580℃、时长为4min～6min。
优选的，步骤d中，将所述熔体降温至850℃～1100℃后，再加入所述预压块。
浇注完成后进行重熔，可进一步提高合金元素分布的均匀性。
优选的，步骤d中，所述成型的方法为：连续流变挤压成型；得到的所述铝镁合金铸杆的尺寸大小为Φ9.5mm～Φ15mm。
采用连续流变挤压成型技术制备焊丝，可使半固态的合金在辊-靴型腔中受到强烈搓动和剪切搅拌作用，合金内部组织和性能得到进一步改善，同时可进一步降低生产成本。
优选的，步骤e中，所述拉拔和热处理的方法为：先将所述铝镁合金铸杆进行至少一次的拉拔-第一热处理-拉拔的组合处理，然后进行第二热处理。
优选的，最后一道次拉拔时的截面压缩率为20％～25％，其余道次拉拔的截面压缩率为32％～39％，所述第一热处理的温度为345℃～365℃、时间为1.5h-2h。
优选的，所述第二热处理温度为330℃～350℃、时间为1h～3h。
附图说明
图1是本发明实施例1中得到的铝镁合金焊丝的增材件的金相显微组织图；
图2是本发明对比例1中得到的铝镁合金焊丝的增材件的金相显微组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝，包括以下质量百分含量的化学元素：
Mg：4.0％，Ti：1.5％，B：0.4％，C：0.12％，Mn：0.1％，Cr：0.05％，其余为Al和不能避免的杂质元素；
在制备上述铝镁合金焊丝的过程中，Mn和Cr分别以Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金的形式加入；Ti和B分别以K2TiF6和纳米B4C粉末的形式加入。其中，Al-Mn中间合金由Al和Mn元素组成，Mn的质量含量为8％；Al-Cr中间合金由Al和Cr元素组成，Cr的质量含量为8％。
上述电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的具体制备方法为：
a、取纯铝、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、纳米B4C粉末和K2TiF6作为原料，使所述原料中各元素的含量满足所述铝镁合金焊丝中的各元素的百分含量；所述纯铝中包括质量含量为4％的微米级Al粉；此外，再额外称取总Al用量的1％的Al作为烧损量；
b、将微米级Al粉除外的其它纯铝升温至950℃熔融，加入纯镁，搅拌使其充分熔化，然后在保温条件下，加入Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金，得到熔体；
c、将纳米B4C粉末与微米级Al粉混合，在氩气气氛下进行低能球磨，球磨的转速为180r/min、时间为3h，然后利用放电等离子烧结炉对球磨后的混合粉末进行烧结，烧结过程的真空度≤5Pa、温度为570℃、时长为6min，烧结完成后得到预压块；
d、将步骤b中得到的熔体降温至850℃后，加入预压块，保温熔融后，移除浮渣，继续降温至780℃后，加入K2TiF6，保温并进行充分反应，使其生成TiB2表层异构颗粒、Al3Ti颗粒和TiC颗粒，移除浮渣，然后进行浇注，浇铸的合金移除浮渣后，重熔5次；然后进行连续流变挤压成型，得到尺寸大小为Φ9.5mm的铝镁合金铸杆；
e、将铝镁合金铸杆进行一次拉拔-第一热处理-拉拔的组合处理，其中，最后一道次拉拔时的截面压缩率为20％，其余道次拉拔的截面压缩率为32％，第一热处理的温度为345℃、时间为2h；然后进行第二热处理，第二热处理温度为330℃、时间为1h；第二热处理完成后得到铝镁合金焊丝。
实施例2
一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝，包括以下质量百分含量的化学元素：
Mg：5％，Ti：3％，B：0.8％，C：0.24％，Mn：0.5％，Cr：0.1％，其余为Al和不能避免的杂质元素；
在制备上述铝镁合金焊丝的过程中，Mn和Cr分别以Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金的形式加入；Ti和B分别以K2TiF6和纳米B4C粉末的形式加入。其中，Al-Mn中间合金由Al和Mn元素组成，Mn的质量含量为9％；Al-Cr中间合金由Al和Cr元素组成，Cr的质量含量为9％。
上述电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的具体制备方法为：
a、取纯铝、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、纳米B4C粉末和K2TiF6作为原料，使所述原料中各元素的含量满足所述铝镁合金焊丝中的各元素的百分含量；所述纯铝中包括质量含量为4.5％的微米级Al粉；此外，再额外称取总Al用量的1％的Al作为烧损量；
b、将微米级Al粉除外的其它纯铝升温至1000℃熔融，加入纯镁，搅拌使其充分熔化，然后在保温条件下，加入Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金，得到熔体；
c、将纳米B4C粉末与微米级Al粉混合，在氩气气氛下进行低能球磨，球磨的转速为200r/min、时间为2.5h，然后利用放电等离子烧结炉对球磨后的混合粉末进行烧结，烧结过程的真空度≤5Pa、温度为575℃、时长为5min，烧结完成后得到预压块；
d、将步骤b中得到的熔体降温至900℃后，加入预压块，保温熔融后，移除浮渣，继续降温至800℃后，加入K2TiF6，保温并进行充分反应，进而生成TiB2表层异构颗粒、Al3Ti颗粒和TiC颗粒，移除浮渣，然后进行浇注，浇铸的合金移除浮渣后，重熔8次以保证合金元素分布均匀；然后进行连续流变挤压成型，得到尺寸大小为Φ12mm的铝镁合金铸杆；
e、将铝镁合金铸杆进行一次拉拔-第一热处理-拉拔的组合处理，其中，最后一道次拉拔时的截面压缩率为22％，其余道次拉拔的截面压缩率为35％，第一热处理的温度为355℃、时间为1.5h；然后进行第二热处理，第二热处理温度为340℃、时间为2h；第二热处理完成后得到铝镁合金焊丝。
实施例3
一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝，包括以下质量百分含量的化学元素：
Mg：6.0％，Ti：5.0％，B：1.0％，C：0.25％，Mn：1.0％，Cr：0.25％，其余为Al和不能避免的杂质元素；
在制备上述铝镁合金焊丝的过程中，Mn和Cr分别以Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金的形式加入；Ti和B分别以K2TiF6和纳米B4C粉末的形式加入。其中，Al-Mn中间合金由Al和Mn元素组成，Mn的质量含量为10％；Al-Cr中间合金由Al和Cr元素组成，Cr的质量含量为10％。
上述电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的具体制备方法为：
a、取纯铝、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、纳米B4C粉末和K2TiF6作为原料，使所述原料中各元素的含量满足所述铝镁合金焊丝中的各元素的百分含量；所述纯铝中包括质量含量为5％的微米级Al粉；此外，再额外称取总Al用量的1％的Al作为烧损量；
b、将微米级Al粉除外的其它纯铝升温至1200℃熔融，加入纯镁，搅拌使其充分熔化，然后在保温条件下，加入Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金，得到熔体；
c、将纳米B4C粉末与微米级Al粉混合，在氩气气氛下进行低能球磨，球磨的转速为220r/min、时间为2h，然后利用放电等离子烧结炉对球磨后的混合粉末进行烧结，烧结过程的真空度≤5Pa、温度为580℃、时长为4min，烧结完成后得到预压块；
d、将步骤b中得到的熔体降温至1100℃后，加入预压块，保温熔融后，移除浮渣，继续降温至820℃后，加入K2TiF6，保温并进行充分反应，进而生成TiB2表层异构颗粒、Al3Ti颗粒和TiC颗粒，移除浮渣，然后进行浇注，浇铸的合金移除浮渣后，重熔10次以保证合金元素分布均匀；然后进行连续流变挤压成型，得到尺寸大小为Φ15mm的铝镁合金铸杆；
e、将铝镁合金铸杆进行一次拉拔-第一热处理-拉拔的组合处理，其中，最后一道次拉拔时的截面压缩率为25％，其余道次拉拔的截面压缩率为39％，第一热处理的温度为365℃、时间为1.5h；然后进行第二热处理，第二热处理温度为350℃、时间为1h；第二热处理完成后得到铝镁合金焊丝。
对比例1
Ti和B分别以纳米级别的TiC和TiB2颗粒的的原料形式加入，制备的铝镁合金焊丝。具体如下：
一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝，包括以下质量百分含量的化学元素：
Mg：4.0％，Ti：1.44％，B：0.4％，C：0.12％，Mn：0.1％，Cr：0.05％，其余为Al和不能避免的杂质元素；
在制备上述铝镁合金焊丝的过程中，Mn和Cr分别以Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金的形式加入；Ti和B分别以纳米TiC粉末和纳米TiB2粉末的形式加入。其中，Al-Mn中间合金由Al和Mn元素组成，Mn的质量含量为8％；Al-Cr中间合金由Al和Cr元素组成，Cr的质量含量为8％。
上述电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的具体制备方法为：
a、取纯铝、纯镁、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、纳米B4C粉末和K2TiF6作为原料，使所述原料中各元素的含量满足所述铝镁合金焊丝中的各元素的百分含量；所述纯铝中包括质量含量为4％的微米级Al粉；此外，再额外称取总Al用量的1％的Al作为烧损量；
b、将微米级Al粉除外的其它纯铝升温至950℃熔融，加入纯镁，搅拌使其充分熔化，然后在保温条件下，加入Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金，得到熔体；
c、将纳米TiC粉末和纳米TiB2粉末与微米级Al粉混合，在氩气气氛下进行低能球磨，球磨的转速为180r/min、时间为3h，然后利用放电等离子烧结炉对球磨后的混合粉末进行烧结，烧结过程的真空度≤5Pa、温度为570℃、时长为6min，烧结完成后得到预压块；
d、将步骤b中得到的熔体降温至850℃后，加入预压块，保温熔融后，移除浮渣，然后进行浇注，重熔5次；然后进行连续流变挤压成型，得到尺寸大小为Φ9.5mm的铝镁合金铸杆；
e、将铝镁合金铸杆进行一次拉拔-第一热处理-拉拔的组合处理，其中，最后一道次拉拔时的截面压缩率为20％，其余道次拉拔的截面压缩率为32％，第一热处理的温度为345℃、时间为2h；然后进行第二热处理，第二热处理温度为330℃、时间为1h；第二热处理完成后得到铝镁合金焊丝。
观察实施例1-3和对比例1中得到的铝镁合金焊丝的增材件的金相显微组织图，可知，在实施例1-3中可以形成大量的等轴晶和细化均匀的晶粒，且晶格间有良好的界面结合，而对比文件1中的增材件中的晶粒较大，且不均匀，加入的纳米颗粒在合金的基体中存在团聚现象，晶格间不能良好的结合，达不到实施例1-3的效果。其中实施例1中得到的铝镁合金焊丝的增材件的金相显微组织图如图1所示，对比例1中得到的铝镁合金焊丝的增材件的金相显微组织图如图2所示。
采用实施例1-3和对比例1得到铝镁合金焊丝分别进行铝合金的增材制造，得到的增材制造工件的综合力学性能检测结果如表1所示.
表1力学性能检测数据
抗拉强度(MPa) 硬度(HV)
实施例1 285 85
实施例2 295 89
实施例3 307 93
对比例1 247 80
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝，其特征在于：包括以下质量百分含量的化学元素：
Mg：4.0％～6.0％，Ti：1.5％～5.0％，B：0.4％-1.0％，C：0.1％～0.25％，Mn：0.1％～1.0％，Cr：0.05％～0.25％，其余为Al和不可避免的杂质元素；
在制备所述铝镁合金焊丝的过程中，所述Mn和所述Cr分别以Al-Mn中间合金和Al-Cr中间合金的形式加入；所述Al-Mn中间合金由Al和Mn元素组成，其中所述Mn的质量含量为8％～10％；所述Ti和所述B分别以K2TiF6和纳米B4C粉末的形式加入。
2.如权利要求1所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝，其特征在于：所述Al-Cr中间合金由Al和Cr元素组成，其中所述Cr的质量含量为8％～10％。
3.权利要求1～2任一项所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、取纯铝、纯镁、所述Al-Mn中间合金、所述Al-Cr中间合金、所述纳米B4C粉末和所述K2TiF6作为原料，使所述原料中各元素的含量满足所述铝镁合金焊丝中的各元素的百分含量；所述纯铝中包括质量含量为4％～5％的微米级Al粉；
b、将所述微米级Al铝粉除外的其它纯铝升温熔融后，加入所述纯镁，搅拌熔化，然后在保温条件下，加入所述Al-Mn中间合金和所述Al-Cr中间合金，得到熔体；
c、将所述纳米B4C粉末与所述微米级Al粉混合，依次进行球磨、烧结，得到预压块；
d、将所述预压块加入到所述熔体中，保温熔融后，移除浮渣，降温至780-820℃，加入所述K2TiF6，保温反应，移除浮渣后进行浇注、成型，得到铝镁合金铸杆；
e、将所述铝镁合金铸杆进行拉拔和热处理，得到所述铝镁合金焊丝。
4.如权利要求3所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述升温熔融的温度为950℃～1200℃。
5.如权利要求3所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，其特征在于：步骤c中，所述球磨的过程在氩气气氛下进行，所述球磨的转速为180r/min～220r/min、时间为2～3h；
和/或步骤c中，所述烧结的过程在放电等离子烧结炉中进行，所述烧结的真空度≤5Pa、温度为570℃～580℃、时长为4min～6min。
6.如权利要求3所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，其特征在于：步骤d中，将所述熔体降温至850℃～1100℃后，再加入所述预压块。
7.如权利要求3所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，其特征在于：步骤d中，所述成型的方法为：连续流变挤压成型；得到的所述铝镁合金铸杆的尺寸大小为Φ9.5mm～Φ15mm。
8.如权利要求3所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，其特征在于：步骤e中，所述拉拔和热处理的方法为：先将所述铝镁合金铸杆进行至少一次的拉拔-第一热处理-拉拔的组合处理，然后进行第二热处理。
9.如权利要求8所述的电弧熔丝增材制造用铝镁合金焊丝的制备方法，其特征在于：最后一道次拉拔时的截面压缩率为20％～25％，其余道次拉拔的截面压缩率为32％～39％，所述第一热处理的温度为345℃～365℃、时间为1.5h-2h；
和/或所述第二热处理温度为330℃～350℃、时间为1h～3h。
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