CN114592149B - 一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体公开了一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法。该方法包括以下步骤：（1）在氩气的保护下装料、熔化镁合金，加入稀土元素及精炼剂C2Cl6；浇铸成锭坯；（2）将锭坯均匀化退火处理，挤压成棒材；（3）将棒材进行固溶处理，处理完成后轧制；（4）将轧制好的棒材进行高能脉冲处理；（5）人工时效处理；（6）将棒材经打磨后放入拉丝模具中进行拉拔；（7）重复（4~6），直至丝材直径为1~1.8mm停止，得到用于电弧增材制造的镁合金丝材。该制备方法可以获得一种高强度高塑性的镁合金丝材，制备得到力学性能优质的镁合金试样，抗拉强度为300~350MPa，延伸率为20~25%。

Description

一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，特别涉及一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法。
背景技术
电弧熔丝增材制造技术（WAAM）是一种采用电弧为热源，同步添加金属丝材，在程序的控制下焊接打印出金属零件的技术。电弧熔丝增材制造对环境和金属材质不敏感、沉积效率高、丝材利用率高、整体制造周期短、生产成本低。另外，电弧熔丝增材制造的零件由全焊缝金属组成，化学成分均匀、致密度高，力学性能优于铸造件，经适当调质手段可达到锻件水平，较整体锻造零件具有强度高、韧性好的特点。镁合金具有高的比强度和比刚度、易于回收以及优良的导电性和导热性、好的减震性、高的冲击韧性等特点，成为航天航空领域应用最广的轻量化材料之一，被应用于电弧增材制造领域，能够满足现代制造业对低能耗、高效率的需求。镁由于其密排六方的晶体结构，室温下表现出较差的塑性和冷成形性，丝材的制备相对困难，为了满足使用要求，镁合金丝材必须具有良好的力学性能、耐腐蚀性以及抗磨损性能，因此制备出综合性能优异、能满足实用要求的镁合金丝材十分具有必要性。
发明内容
本发明的目的是提供一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，此制备方法可以高效的获得高强度高塑性的镁合金丝材，制备得到优质性能的镁合金试样，扩大其的应用市场。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氩气的保护下装料、熔化镁合金，当温度升高至780~800℃加入稀土元素La，搅拌至充分熔化后静置；当温度降至740~760℃时，加入精炼剂C2Cl6；当温度降至720℃时浇铸成锭坯；
（2）将锭坯在350℃~400℃下均匀化退火处理16~24h，随后在350~380℃温度下，挤压成棒材，挤压比为30~50:1；
（3）将棒材进行固溶处理，固溶温度为320~340℃，保温时间为1~3h，处理完成后进行轧制，设置轧制速率为400~450r/min，轧制温度为340~350℃，每道次轧制的变形量为20~30%，多次进行固溶处理和轧制，直至棒材直径为20~30mm为止；
（4）将轧制好的棒材进行高能脉冲处理300~350s；
（5）经过高能脉冲处理后的板材进行人工时效处理，时效工艺为200℃×24h；
（6）将棒材经打磨后放入拉丝模具中进行拉拔，拉拔的每道次变形程度为9~15%，拉拔温度为300~400℃；
（7）重复（4~6），直至丝材直径为1~1.8mm停止，得到用于电弧增材制造的镁合金丝材。
进一步，所述步骤（1）中的镁合金为重稀土镁合金，由以下重量百分比的组分组成：Gd 7.5~10%，Y 2.1~4.5%，Zr 0.3~1.8%，Zn 1.5~3.6%，其余为镁和不可去除杂质。
进一步，所述步骤（1）中稀土元素La的用量为镁合金中镁含量的1~2wt%。
进一步，所述步骤（1）中精炼剂C2Cl6的用量为镁合金的0.5~0.8wt%。
进一步，所述步骤（4）高能脉冲处理为棒材两端接上脉宽为15~25μm，电流密度为3.508×109A/m2，占空比为0.003的电脉冲进行处理。
进一步，所述电弧增材为TIG电弧增材制造、PAW电弧增材制造、CMT电弧增材制造、GTAW电弧增材制造中的任意一种。
由上述制备方法可以获得一种高强度高塑性的镁合金丝材，制备得到力学性能优质的镁合金试样，抗拉强度为300~350MPa，延伸率为20~25%。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，采用了稀土元素La增强镁合金作为电弧增材制造的原材料。稀土元素是镁合金中最有效的强化元素，可以通过影响合金的成分过冷来细化组织；可以通过改变镁合金的断裂机制，改善其塑性；可以通过在镁合金中形成热稳定性高的金属间化合物，弥散分布于晶界及晶内，阻碍晶粒长大，提高其在高温和常温下的强度；还可以通过弱化镁合金的变形织构，提高其成形性能。使用La增强镁合金的复合材料解决了镁合金存在的抗疲劳性差、冲击强度弱、成型能力差、变形能力差等问题。
2、本发明的电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，采用了拉拔成丝和高能脉冲处理交替进行的丝材成型方法，经挤压后的工件具有灵活性好、挤压产品尺寸精度高，表面质量好等优势；高能脉冲处理可以使材料内应力减小，细化晶粒，使镁合金的抗拉强度及延伸率明显提升；这种制备方法可以改变常规制备工艺中对于镁合金丝材难以制备的问题，改善镁合金存在的变形性能较差，成型性能不好等一系列缺点。
3、本发明的电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，制备的丝材用于电弧增材制造，这种制造方法具有设备简单，成本低，效率高，材料适用性广泛，且不受成型零件尺寸限制的优点，适合应用在镁合金这类轻量化设计的复杂构件中。
附图说明
图1为采用拉拔成丝和高能脉冲处理交替进行制备的高强韧镁合金丝材。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案及效果做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本实施例的一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氩气的保护下装料、熔化重稀土镁合金，当温度升高至780℃加入稀土元素La，La用量为重稀土镁合金中Mg含量的1wt%，搅拌至充分熔化后静置；当温度降至740℃时，加入0.5wt%C2Cl6，除去熔体的杂质；当温度降至720℃时浇铸成锭坯；
（2）将锭坯在350℃下均匀化退火处理24h，随后在350℃温度下，挤压成棒材，挤压比为30:1；
（3）将棒材进行固溶处理，固溶温度为320℃，保温时间为3h，处理完成后进行轧制，设置轧制速率为400r/min，轧制温度为340℃，每道次轧制的变形量为25%，多次进行固溶处理和轧制，直至棒材直径为20mm为止；
（4）将轧制好的棒材材两端接上脉宽为15μm，电流密度为3.508×109A/m2，占空比为0.003的电脉冲进行高能脉冲处理350s，以降低材料内应力；
（5）经过高能脉冲处理后的板材进行人工时效处理，时效工艺为200℃×24h；
（6）时效后的板材经打磨后放入拉丝模具中进行拉拔，拉拔的每道次变形程度为10%，拉拔温度为300℃；
（7）重复步骤（4~6），直至丝材直径为1.8mm停止，得到用于电弧增材制造的镁合金丝材，如图1所示。
对制得的镁合金丝材进行性能测试，制得的镁合金丝材的平均晶粒尺寸由约72μm细化至约3μm；抗拉强度达到325MPa，提升9.5%；延伸率达到23%，提升约15%。
将得到的镁合金丝材进行电弧增材制造，选用CMT电弧增材制造系统，基板为镁合金基板，尺寸为450mm*150mm*10mm，沉积电流为120A，沉积速度为10mm/s，焊枪送丝嘴与基板或者试样上表面的距离为16mm，保护气体为99.99%纯氩，气体流量为22L/min，制得性能优异得WAAM试样。
实施例2
本实施例的一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，包括以下步骤：
（1）在氩气的保护下装料、熔化重稀土镁合金，当温度升高至800℃加入稀土元素La，La用量为重稀土镁合金中Mg含量的2wt%，搅拌至充分熔化后静置；当温度降至760℃时，加入0.7wt%C2Cl6，除去熔体的杂质；当温度降至720℃时浇铸成锭坯；
（2）将锭坯在400℃下均匀化退火处理16h，随后在380℃温度下，挤压成棒材，挤压比为40:1；
（3）将棒材进行固溶处理，固溶温度为330℃，保温时间为2h，处理完成后进行轧制，设置轧制速率为450r/min，轧制温度为350℃，每道次轧制的变形量为30%，多次进行固溶处理和轧制，直至棒材直径为30mm为止；
（4）将轧制的棒材两端接上脉宽为25μm，电流密度为3.508×109A/m2，占空比为0.003的电脉冲进行高能脉冲处理300s，以降低材料内应力；
（5）经过高能脉冲处理后的棒材进行人工时效处理，时效工艺为200℃×24h；
（6）时效后的板材经打磨后放入拉丝模具中进行拉拔，拉拔的每道次变形程度为12%，拉拔温度为400℃；
（7）重复步骤（4~6），直至丝材直径为1.0mm停止，得到用于电弧增材制造的镁合金丝材。
对制得的镁合金丝材进行性能测试，制得的镁合金丝材的平均晶粒尺寸由约72μm细化至约2μm；抗拉强度达到330MPa，提升10.6%；延伸率达到24%，提升约18%。
将得到的复合材料丝材进行电弧增材制造，选用CMT电弧增材制造系统，基板为镁合金基板，尺寸为450mm*150mm*10mm，沉积电流为140A；沉积速度为14mm/s，焊枪送丝嘴与基板或者试样上表面的距离为16mm，保护气体为99.99%纯氩，气体流量为22L/min，制得性能优异得WAAM试样。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
（1）在氩气的保护下装料、熔化镁合金，当温度升高至780~800℃加入稀土元素La，搅拌至充分熔化后静置；当温度降至740~760℃时，加入精炼剂C2Cl6；当温度降至720℃时浇铸成锭坯；
（2）将锭坯在350℃~400℃下均匀化退火处理16~24h，随后在350~380℃温度下，挤压成棒材，挤压比为30~50:1；
（3）将棒材进行固溶处理，固溶温度为320~340℃，保温时间为1~3h，处理完成后进行轧制，设置轧制速率为400~450r/min，轧制温度为340~350℃，每道次轧制的变形量为20~30%，多次进行固溶处理和轧制，直至棒材直径为20~30mm为止；
（4）将轧制好的棒材进行高能脉冲处理300~350s；
（5）经过高能脉冲处理后的板材进行人工时效处理，时效工艺为200℃×24h；
（6）将棒材经打磨后放入拉丝模具中进行拉拔，拉拔的每道次变形程度为9~15%，拉拔温度为300~400℃；
（7）重复（4~6），直至丝材直径为1~1.8mm停止，得到用于电弧增材制造的镁合金丝材；
所述步骤（1）中的镁合金为重稀土镁合金，由以下重量百分比的组分组成：Gd 7.5~10%，Y 2.1~4.5%，Zr 0.3~1.8%，Zn 1.5~3.6%，其余为镁和不可去除杂质；
所述步骤（1）中稀土元素La的用量为镁合金中镁含量的1~2wt%。
2.根据权利要求1所述的电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中精炼剂C2Cl6的用量为镁合金的0.5~0.8wt%。
3.根据权利要求1所述的电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）高能脉冲处理为棒材两端接上脉宽为15~25μm，电流密度为3.508×109A/m2，占空比为0.003的电脉冲进行处理。
4.根据权利要求1所述的电弧增材用高强韧镁合金丝材的制备方法，其特征在于，所述电弧增材为TIG电弧增材制造、PAW电弧增材制造、CMT电弧增材制造、GTAW电弧增材制造中的任意一种。
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