CN113967736A - 一种2a50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，属于铝合金激光增材制造技术领域。该工艺首先根据所采用激光增材设备的功率实际情况确定激光功率、送粉速率和扫描速率的拟定参数范围；然后拟定参数范围内选择多个参数值进行组合，并选择离焦量、扫描方式、搭接率和激光入射偏转角度进行试验测试；试验后，择激光加工后试样外观无明显气孔、未出现坍塌、显微组织均匀细小、力学性能略低于或高于原料锻铝的试样所对应的工艺参数为最优工艺参数。本发明通过对激光功率、送粉速率和扫描速率的大致范围、离焦量、扫描方式、搭接率、激光入射偏转角度的调整，使2A50锻铝合金适用于激光增材及修复。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金激光增材制造技术领域，具体涉及一种2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺。
背景技术
随着轻量化的提出，铝合金低密度的物理特性在航空航天、交通运输等方面有着越加广泛的应用。其中就包括2A50锻铝合金，旧称LD5锻铝合金，属于形变铝合金的一种，主要元素有Al、Mg、Si、Cu。具有良好的热塑性，可通过固溶处理和时效来提高力学性能。同时2A50铝合金由于具有低密度、高强度、热加工性能好等优点，广泛应用于制造形状复杂、比强度高的受力结构件，如：各类民用飞机或歼击机的接头、机身框架、翼梁、大梁、离心式压气机的叶轮、飞机操纵系统中的摇臂等部位。同时2A50合金也有着所有铝合金在焊接方面上共同的劣势，强氧化性、粉末流动性差、对光的反射率高、导热率高，这些都加大了焊接难度，并且修复后的零件难以满足服役条件。
随着20世纪60年代激光概念的引入，激光技术与自动化生产紧密的结合在一起，激光增材技术也随之产生。激光增材制造技术作为一种新型的高柔性技术，在制备复杂空腔结构方面有着其独特的优势，目前增材制造技术，在钛合金、不锈钢、高温合金等材料领域已经实现了较大程度的应用，并且激光增材技术在零件修复方面也有着独特的优势。传统的修复方式有电镀、电弧焊、焊接、热喷涂等，但是电弧堆焊修复技术，热输入量大，薄壁零件容易发生翘曲变形；热喷涂技术结合强度差，只适合表面结合；并且易形成咬边、气孔、裂纹等表面缺陷。激光增材修复技术的优势在于激光源为高能量密度光源，热输入量小，修复后零件内应力及变形量小，修复件基体与修复区域冶金结合界面良好，不会发生脱落、剥离等问题；同时在修复过程中，温度梯度高及快速冷却的加工特点使其组织易形成均匀细小的优良组织，力学性能不低于或者高于零件本身的力学性能。
目前服役中的零件若出现损坏或不符合服役条件的情况，都会面对更换或修复的情况。有些老式战斗机的零件已经停产，这就导致更换费用高或者有价无市的情况常有发生。此时，将零件修复回满足服役条件则是唯一选项了。激光增材制造技术由于其独有特点，因此目前越来越受到航空航天对于飞机、战斗机修复的青睐。
发明内容
基于铝合金激光加工困难的问题，本发明提供一种2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，采用激光增材制造技术对2A50铝合金进行成形，通过工艺参数的调整，使2A50锻铝合金能够适用于激光增材制造，并且降低铝合金激光增材过程产生的气孔。
为实现以上的目的，本发明采用以下技术方案：
一种2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)根据所采用激光增材设备的功率实际情况以及能量公式ε＝p/(v*d)，确定激光增材制造与修复工艺中的激光功率、送粉速率和扫描速率的拟定参数范围；具体为：将激光功率的范围设定在2000W-3500W，送粉速率范围设定为1.2g/min-2g/min，扫描速度设定为3mm/s-5mm/s。
(2)在步骤(1)参数范围内选择多个激光功率、送粉速率和扫描速率参数进行组合，并选择离焦量、扫描方式、搭接率和激光入射偏转角度进行试验测试；
(3)步骤(1)试验后，通过对激光增材制造或激光增材修复后试样的外观、显微组织及力学性能分析来判断工艺参数是否合适；
(4)选择激光加工后试样外观无明显气孔、未出现坍塌、显微组织均匀细小、力学性能略低于或高于原料锻铝的试样所对应的工艺参数为最优工艺参数。
所述离焦量设定为-2mm，采用双向扫描的方式，搭接率为40％，激光入射偏转角设定为：绕x轴偏转8°。
步骤(4)中，所述激光增材制造优选出的工艺参数为：激光功率2500W、扫描速度4mm/s、送粉速率1.6g/min，能量密度为208J/mm2；或者，激光增材制造的工艺参数为：激光功率3000W、扫描速度4mm/s、送粉速率2g/min，能量密度为250J/mm2。
步骤(4)中，所述激光增材修复优选出的工艺参数为：激光功率2500W、扫描速度4mm/s、送粉速率1.6g/min，能量密度为208J/mm2。
附图说明
图1为工艺参数确定流程图。
图2为预制槽修复示意图。
图3为离焦量示意图。
图4为扫描方式示意图。
图5为搭接率示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
铝合金激光增材制造难点分析：
1、铝合金的粉末流动性差。铝合金粉末流动性差是铝合金轻质的特性导致的，这样的物理性质会带来送粉过程的不均匀与不连续。当载气流量偏小时就会出现堵塞送粉通路的情况，而载气流量过大又会对熔池稳定性和界面连续性带来影响。
2、铝合金的激光吸收率低、热导率高。沉积过程中激光能量密度过低导致前沉积层熔化深度不够以及粉末熔化率低。当加大激光能量密度以促进金属有效熔化后，粉末熔化率增加，但过高的激光能量密度会导致合金元素的损失，同时导致凝固方面的相关问题，如球化效应、熔合不良等。
3、铝合金的强氧化性。在激光增材制造过程中，熔池熔体表面极易形成氧化膜，使沉积层与基体、层与层间的结合变困难。同时，氧化膜会显著降低沉积体对基体、前沉积层的稳定性，阻碍湿润性。氧化膜的熔化温度高于粉末颗粒本身，当有未熔化的氧化物被困在熔池中，会导致出现气孔和缺陷。
实施例1：
本实施例工艺参数确定流程图如图1所示，具体如下：
1、基础工艺参数的确定：
激光功率、送粉速率和扫描速率的大致范围
根据激光增材设备的功率实际情况以及能量公式ε＝p/(v*d)，将激光功率的大致范围确定在2000W-3500W，送粉速率定为1.2g/min-2g/min(间隔0.4g/min)，扫描速度定为3mm/s-5mm/s(间隔1mm/s)。在上述参数范围内选择几个参数值进行测试(表1)。
表1工艺参数表
2、离焦量、扫描方式、搭接率、激光入射偏转角的确定：
离焦量的确定：在较小的离焦量下可以得到更细小的微观组织，因此经过试验和分析，将离焦量设定为-2mm(图3)。
扫描方式：由于激光器的启与停都是有时间缓冲的，因此单向扫描时容易出现一侧鼓包突出，另一侧塌陷的现象，为弥补此缺陷，采用双向扫描的方式(图4)。
搭接率：单道与单道之间需要进行一定程度的搭接以满足修复的形貌以及致密度的要求，本次实验采用的搭接率为40％(图5)。
激光入射偏转角度：由于铝合金材料对激光具有很强的反射率，为防止反射光对送粉喷嘴及激光光路造成损坏，在进行铝合金激光沉积的过程中需要对送粉喷嘴进行一定角度的偏转。同时考虑到铝合金粉末的是否能够充分熔化，将激光入射偏转角定为：绕x轴偏转8°。
3、增材制造工艺参数的确定：
根据基础参数工艺确定出的大致数值进行分组实验，如下表2所示(未展示能量密度低、出现坍塌、层高过低的实验参数)。
表2工艺参数测试表
将表面形貌良好，未出现坍塌的试样进行切割，制作金相试样，观察显微组织，进行显微硬度测试以及拉伸实验测试，比对性能。确定出两组较优的实验的参数：1.激光功率2500W、扫描速度4mm/s、送粉速率1.6g/min，能量密度为208J/mm2；2.激光功率3000W、扫描速度4mm/s、送粉速率2g/min，能量密度为250J/mm2；
4、修复实验参数的确定：
使用两组确定好的实验参数进行修复实验的测试，预制凹槽形状如图2所示，长度为50mm。将实验后的试样进行切割、制作金相试样、观察基体处、过渡区、修复处的显微组织组织、进行显微硬度测试以及拉伸实验测试，比对性能。通过实验分析得到第一组修复组织更均匀，基体与修复区结合处力学性能更优，显微硬度值也较高。因此确定最佳的修复工艺参数为激光功率2500W、扫描速度4mm/s、送粉速率1.6g/min，能量密度为208J/mm2。
Claims (5)
1.一种2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：
(1)根据所采用激光增材设备的功率实际情况以及能量公式ε＝p/(v*d)，确定激光增材制造与修复工艺中的激光功率、送粉速率和扫描速率的拟定参数范围；
(2)在步骤(1)参数范围内选择多个激光功率、送粉速率和扫描速率参数进行组合，并选择离焦量、扫描方式、搭接率和激光入射偏转角度进行试验测试；
(3)步骤(1)试验后，通过对激光增材制造或激光增材修复后试样的外观、显微组织及力学性能分析来判断工艺参数是否合适；
(4)选择激光加工后试样外观无明显气孔、未出现坍塌、显微组织均匀细小、力学性能略低于或高于原料锻铝的试样所对应的工艺参数为最优工艺参数。
2.根据权利要求1所述的2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，其特征在于：所述离焦量设定为-2mm，采用双向扫描的方式，搭接率为40％，激光入射偏转角设定为：绕x轴偏转8°。
3.根据权利要求1所述的2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，其特征在于：步骤(1)中，将激光功率的范围设定在2000W-3500W，送粉速率范围设定为1.2g/min-2g/min，扫描速度设定为3mm/s-5mm/s。
4.根据权利要求1或2所述的2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，其特征在于：所述激光增材制造的工艺参数为：激光功率2500W、扫描速度4mm/s、送粉速率1.6g/min，能量密度为208J/mm2；或者，激光增材制造的工艺参数为：激光功率3000W、扫描速度4mm/s、送粉速率2g/min，能量密度为250J/mm2。
5.根据权利要求1或2所述的2A50锻造铝合金的激光增材制造与修复工艺，其特征在于：所述激光增材修复的工艺参数为：激光功率2500W、扫描速度4mm/s、送粉速率1.6g/min，能量密度为208J/mm2。
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