CN114619043B - 一种基于液态金属3d打印的复合铝合金板的制备方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法和装置，涉及金属材料技术领域。该制备方法包括：将第一合金熔体喷至负压环境中运动的冷却平台上，以获得第一包覆层；当第一包覆层的温度降至第一合金的初生固相形成的半固态区内时，喷入加热的第二合金熔体，以获得芯层；当芯层的温度降至第二合金的初生固相形成的半固态区内时，喷入加热的第三合金熔体，以获得第二包覆层；经后处理获得复合铝合金板；芯层的化学成分与第一包覆层和第二包覆层均不相同。高温的合金熔体与冷却平台进行接触时，发生快速冷凝从而形成层状结构，获得的复合铝合金板的综合性能优异，抗拉强度强。

Description

一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法和装置
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体而言，涉及一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法和装置。
背景技术
铝合金复合材料是铝合金复合板、复合板、复合带的统称。它是制造汽车空调器、中冷器、油冷器、暖风机及空分设备、电器元件散热器、干手器、飞机散热器等钎焊式散热器的关键原材料。复合铝材是增长速度最快的车用铝材，由于常规铝合金由于性能单一，不能很好满足车用材料要求具有高强度的同时又兼备耐蚀(装饰)、可焊、易成形等综合性能。因此，具有可设计的综合性能的复合铝材成为车用铝合金发展的重要方向。
目前，铝合金材料的生产方法主要有芯材铸锭与皮材板块复合热轧法、冷轧复合法、反向凝固法、复合锭热轧法等四种。
其中，热轧复合法仍是全球铝复合板生产中最为成熟、使用最广泛的工艺，该工艺是指将芯材铸锭和双面包覆的皮材以一定的包覆比叠合在一起，并在一定的温度和压力条件下实现二者结合的一种加工方法。但该工艺生产流程复杂，需对芯材锭坯与轧制包覆皮材板分别进行表面处理，通常采用碱、酸浸蚀法彻底清除氧化膜，芯材锭与皮材板配对后选择几个部位将它们用电弧焊焊合在一起，然后进行轧制。该工艺最终获得的铝复合板存在结合强度不高，特别是在界面处往往存在杂质和氧化物，更加严重地影响结合强度，及截面弯曲和加工道次多，成材率低等问题，因此显著影响复合铝合金板带材的质量和效益。
冷轧复合工艺是凭借大压下量将芯材和双面包覆的皮材以一定的包覆比冷轧重叠，使它们产生原子结合或榫扣嵌合，并通过随后的扩散退火，使之强化的一种加工方法。冷轧复合的三个主要工序即表面处理、冷轧复合和扩散退火。冷轧复合虽然省去了热轧复合的多道次轧制工序，可以从冷轧带坯开始生产，能够成卷轧制，并且组元层间的厚度比较均匀，尺寸精确，性能稳定。但是由于制造复合钎焊铝板的包覆材料主要是亚共晶Al-Si系合金，Si含量范围在9％～11％之间，而且呈粗大针状分布在铝基体中，致使该类合金的塑性极差，因而不容易获得冷轧复合所需较薄的包覆带材，从而使复合钎焊铝板的冷轧复合应用受到了一定程度的限制。冷轧复合目前主要应用于钢-铝复合板生产。
反向凝固复合法是让一定厚度的基材从反向凝固器内的铝合金熔液中通过，使基材表面附近的铝合金熔液迅速降温，在基材表面凝固形成新生相，并在新生相还处于半凝固状态时进行轧制，得到表面平整和厚度均匀的热轧薄带。反向凝固法具有成本低、能耗低、连续自动化和低污染的优点，但由于在界面处存在合金元素的扩散，因而会造成成品高温抗塌陷性能降低，从而影响成品的综合性能，因此，也没有得到工业化的应用。
复合铸锭热轧法主要有电磁控制法、双结晶器法、充芯连铸法等，但都不同程度存在弊端，不能实现工业化的应用。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法和装置，其能够实现利用液态3D打印技术制备复合铝合金，制备获得的复合铝合金板的综合性能优异。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其包括：
将第一合金熔体喷至负压环境中运动的冷却平台上，以获得第一包覆层；
当所述第一包覆层的温度降至第一合金的初生固相形成的半固态区内时，将加热的第二合金熔体喷至所述第一包覆层的表面，以获得芯层；
当所述芯层的温度降至第二合金的初生固相形成的半固态区内时，将加热的第三合金熔体喷至所述芯层的表面，以获得第二包覆层；
所述第一包覆层、所述芯层和所述第二包覆层形成复合铝合金铸锭，经后处理获得复合铝合金板；
所述芯层的化学成分与所述第一包覆层和所述第二包覆层均不相同。
在可选的实施方式中，获得所述第一包覆层包括：将所述第一合金熔体喷至所述冷却平台，水平移动所述冷却平台获得厚度为δ1的半固态区熔覆层后，将所述冷却平台向下移动δ1的距离，重复注入所述第一合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得所述第一包覆层；
获得所述芯层包括：将所述第二合金熔体喷至所述第一包覆层，水平移动所述冷却平台获得厚度为δ2的半固态区熔覆层后，将所述冷却平台向下移动δ2的距离，重复注入所述第二合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得所述芯层；
获得所述第二包覆层包括：将所述第三合金熔体喷至所述芯层，水平移动所述冷却平台在获得厚度为δ3的半固态区熔覆层，将所述冷却平台向下移动δ3的距离，重复注入所述第三合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得所述第二包覆层。
在可选的实施方式中，所述第一包覆层和所述第二包覆层的厚度比例为1：1～1：2；
优选地，所述第一包覆层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％；
优选地，所述第二包覆层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％；
优选地，所述第一包覆层的化学成分和所述第二包覆层的化学成分相同。
在可选的实施方式中，所述冷却平台的水平移动速度v≤50mm/s；
优选地，所述冷却平台移动的道次间距d≤10mm/道次。
优选地，所述冷却平台采用冷却水对其表面的熔体进行冷却，所述冷却平台的冷却水的出口温度小于30℃。
在可选的实施方式中，所述第一合金熔体、所述第二合金熔体和所述第三合金熔体在喷出打印之前还包括进行除气净化处理和细化剂细化处理；
优选地，采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为1.0-3.0kg/t熔体。
在可选的实施方式中，对所述复合铝合金铸锭进行后处理包括：对所述复合铝合金铸锭进行均匀化处理；
优选地，均匀化处理后还包括对所述复合铝合金铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，接着将所述热轧板坯进行冷轧至成品厚度，获得所述复合铝合金板。
在可选的实施方式中，打印第一包覆层时应完成第二合金的配置，打印芯层时应完成第二合金的配置。
在可选的实施方式中，所述负压环境中的压力为-30～-90kPa；
优选地，采用相同的喷嘴依次对所述第一合金熔体、所述第二合金熔体和所述第三合金熔体进行喷出；
优选地，所述喷嘴与所述冷却平台之间的高度差为10～50cm；
优选地，所述喷嘴的个数为多个且阵列式排布；
优选地，所述喷嘴的个数为20-40个；
优选地，任意相邻的两个所述喷嘴之间的间距为2-50mm；
优选地，所述喷嘴的孔径为0.2mm～3.0mm。
第二方面，本发明提供一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置，其包括保温室和打印室，所述打印室内设置有冷却平台以及用于带动所述冷却平台进行运动的运动平台，所述保温室设置有熔体进料口和熔体打印口，所述熔体打印口伸入所述打印室且朝向所述冷却平台。
在可选的实施方式中，所述基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置还包括熔体配置室，所述熔体配置室开设有供不同组分元素进料的多个组元进料口和熔体出口，所述熔体出口与所述熔体进料口连通；
优选地，所述基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置还包括多个组元熔炼炉，多个所述组元熔炼炉分别与多个所述组元进料口连通；
优选地，所述熔体配置室还设置有用于混合多个组元的旋转喷吹搅拌器；
优选地，所述熔体配置室还设置有用于细化熔体的细化剂自动续丝系统。
本发明实施例的有益效果包括，例如：本申请通过将合金熔化成合金熔体，并利用液态3D打印技术实现逐层打印，高温的合金熔体与冷却平台进行接触时，发生快速冷凝从而形成层状结构，本申请中，通过控制下一层合金熔体于冷却平台上的合金熔体的温度降温至合金的初生固相形成的半固态区内时喷入打印，可以使得层与层之间紧密接触和连接，本发明可以保证复合界面的冶金结合，包覆层较均匀，厚度公差减小，最终可获得成型性、强韧性及耐腐蚀优良的复合材料。该方法可生产以往难以复合的合金，且加工工序大大减少，显著提高成材率和降低生产成本。形成的复合铝合金板的综合性能优异，抗拉强度强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置的结构示意图。
图标：100-基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置；110-组元熔炼炉；120-熔体配置室；121-组元进料口；122-熔体出口；123-旋转喷吹搅拌器；124-细化剂自动续丝系统；130-保温室；131-熔体进料口；132-熔体打印口；140-打印室；141-冷却平台；142-运动平台；150-压差开关系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其包括如下步骤：
S1、预先对本申请中形成复合铝合金板的第一合金熔体、第二合金熔体以及第三合金熔体的组分元素分别进行熔化，以7A11铝合金为例，其化学成分按质量百分数计包括Si≤0.6％、Fe≤0.7％、Cu 0.05～0.20％、Mn 1.0～1.5％、Zn1.0～2.0％和余量的Al，采用感应熔炼炉熔炼化学成分Si、Fe、Cu、Mn、Zn和Al，应理解，熔炼可以熔炼单质或合金，在需要打印上述7A11铝合金时，按照其化学成分的质量百分数进行配制形成7A11铝合金熔体。
进一步地，本申请中采取依次打印第一合金熔体、第二合金熔体和第三合金熔体，因此，在分批次配制上述第一合金熔体、第二合金熔体和第三合金熔体，并且，在打印第一合金熔体时应完成对第二合金熔体的配置，并根据信号控制在第一包覆层打印结束时释放第二合金熔体到打印室140。同样的，在第二合金熔体打印时应完成对第三合金熔体的配置，并根据信号控制在芯层打印结束时释放第三合金熔体到打印室140。
第一合金熔体、第二合金熔体和第三合金熔体在喷出打印之前还包括进行除气净化处理和细化剂细化处理；优选地，采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为1.0-3.0kg/t熔体，目的是在熔体冲击的基础上对晶粒进行再细化。
S2、将加热的第一合金熔体喷至负压环境中运动的冷却平台141上，以获得厚度为δ1的半固态区熔覆层，作为第一包覆层。
将第一合金熔体喷至冷却平台141，水平移动冷却平台141获得厚度为δ1的半固态区熔覆层后，将冷却平台141向下移动δ1的距离并重复注入第一合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得第一包覆层。
本申请中，半固态熔覆层是指合金温度处于固相线温度与液相线温度之间，即半固体状态，其中应有适当量的固态枝晶网，对接下来扫描的熔体起到一定的支撑作用。
本申请中，负压环境是指小于一个正常大气压的环境，通过控制压力差可以控制合金熔体的速度和流量，本申请中，负压环境中的压力为-30～-90kPa；优选地，本申请采用行间距和列间距小于50mm，孔径为0.2mm～3.0mm的喷嘴喷出合金熔体，喷嘴与冷却平台之间的高度差为10～50cm。
本申请中冷却平台141通过运动实现将其表面负载的合金熔体进行振荡混合，冷却平台141运动的方式有多种，例如水平移动或上下振动，为了使合金熔体注入的高度保持一致，本申请中优选采用三维的运动平台142带动冷却平台141进行水平运动，当在冷却平台141上形成半固态区熔覆层后，及时向下移动，可以保持喷嘴和冷却平台141上的熔体的作用距离始终维持在一定范围内，以保证最佳的打印效果。
本申请中，优选地，冷却平台141的水平移动速度v≤50mm/s；冷却平台141移动的道次间距d≤10mm/道次。冷却平台141的运动速度及道次间距的选择是为了确保有足够的熔体填充到熔池内，形成一定高度致密的沉积层。
本申请中冷却平台141主要用于对主要用于对放置于其表面的半固态区熔覆层进行冷却，有利于使得液体金属快速凝固增材。具体地，冷却平台141采用水冷的方式实现与高温的合金熔体进行热交换，本申请中通过控制冷却平台141的冷却水的出口温度小于30℃，使得冷却平台141始终维持的较低温度，高温的合金熔体经喷头喷至冷却平台141的表面，高温的合金熔体在接触冷却平台141时发生瞬间冷凝，有利于冷却增材以形成第一包覆层。
S3、当第一包覆层的温度降至第一合金的初生固相形成的半固态区内时，将加热的第二合金熔体喷至第一包覆层的表面，以获得厚度为δ2的半固态区熔覆层，作为芯层。
将第二合金熔体喷至第一包覆层，水平移动冷却平台141获得厚度为δ2的半固态区熔覆层后，将冷却平台141向下移动δ2的距离并重复注入第二合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得芯层。
S4、当芯层的温度降至第二合金的初生固相形成的半固态区内时，将加热的第三合金熔体喷至芯层的表面，以获得厚度为δ3的半固态区熔覆层，作为第二包覆层。
将第三合金熔体喷至芯层，水平移动冷却平台获得厚度为δ3的半固态区熔覆层，将冷却平台141向下移动δ3的距离并重复注入第三合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得第二包覆层。
S5、第一包覆层、芯层和第二包覆层形成复合铝合金铸锭，经后处理获得复合铝合金板，芯层的化学成分与第一包覆层和第二包覆层均不相同。
后处理包括：对复合铝合金铸锭进行均匀化处理，对复合铝合金铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，接着将热轧板坯进行冷轧至成品厚度，获得复合铝合金板。
本申请中，第一合金熔体、第二合金熔体和第三合金熔体的加热温度是根据各自合金成分而定，应高于熔化温度(Tm)50-200℃。温度过低，铝合金熔体粘度过大，喷射困难；温度过高，熔体粘度低，在喷嘴除形成的表面张力较小，喷射过程难以控制，且导致产品成形性差。
本申请中，根据实际工况中常常需要的芯层强度相较于包覆层强度更高的材料，创新性的提出通过液态3D打印的方式获得芯层的化学成分与第一包覆层和第二包覆层不同的材料，以满足实际工况的需求。
而第一包覆层和第二包覆层的化学成分可以相同，也可以不相同。本实施例中，优选第一包覆层和第二包覆层的化学成分相同，从而制备获得的复合铝合金板形成芯层和夹设于芯层两侧的包覆层的复合结构，能够广泛应用于航空航天或军工领域。
具体地，本申请中，第一包覆层和第二包覆层的厚度比例为1：1～1：2；优选地，第一包覆层的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％；优选地，第二包覆层的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20％。采用上述比例进行包覆，包覆效果更佳，获得的复合铝合金板的综合性能更佳。
此外，请参阅图1，本申请还提供了一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置100，其可以实现上述基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法。
该基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置100具体包括组元熔炼炉110、熔体配置室120、保温室130、打印室140和压差开关系统150。
组元熔炼炉110为多个用于实现对不同组分元素进行熔炼。
熔体配置室120开设有供不同组分元素进料的多个组元进料口121和熔体出口122，熔体配置室120还设置有旋转喷吹搅拌器123和细化剂自动续丝系统124。多个组元熔炼炉110分别与多个组元进料口121连通，实现将多个元素组分进料至熔体配置室120内进行配置成所需的合金熔体，旋转喷吹搅拌器123混合多个组元，细化剂自动续丝系统124用于细化熔体。
保温室130用于对配置好的合金熔体进行保温等待打印。保温室130设置有熔体进料口131和熔体打印口132，熔体配置室120的熔体出口122与保温室130的熔体进料口131连通。
打印室140内设置有冷却平台141以及用于带动冷却平台141进行运动的运动平台142，熔体打印口132伸入打印室140且朝向冷却平台141。
压差开关系统150用于控制组元熔炼炉110、熔体配置室120、保温室130和打印室140中熔体的流量和速度。
值得注意的是，本申请仅仅是提供了一种用于实现上述基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法的装置，在本申请的其他实施方式中还可以有其他的装置可以实现上述制备方法。例如：不针对元素组分单独进行熔炼，直接根据所需的第一合金熔体、第二合金熔体和第三合金熔体分别进行熔炼，然后分别注入打印室140内进行打印。
根据本实施例提供的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置100的工作原理是：根据合金熔体的元素组分，分别将各个金属在组元熔炼炉110内进行熔炼，熔炼完成后储存待用。需要打印第一合金熔体时，选择第一合金熔体对应的多种组元，通过控制多种组元的流量在熔体配置室120按一定比例配置成第一合金熔体，经旋转喷吹搅拌器123混合，并经细化剂自动续丝系统124对合金熔体进行细化后，排出至保温室130待用，随后置于打印室140内进行打印，第一合金熔体喷至冷却平台141上，第一合金熔体与冷却平台141表面发生接触时发生瞬间冷凝，运动平台142带动冷却平台141进行平面运动，逐渐获得厚度为δ1的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ1的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得第一包覆层。在第一合金熔体打印过程中，完成第二合金熔体的配置并排出至保温室130待用，当第一合金熔体打印完成后，对第二合金熔体进行打印，在第二合金熔体打印过程中，完成第三合金熔体的配置并排出至保温室130待用，当第二合金熔体打印完成后，对第三合金熔体进行打印，同样的打印方式完成芯层和第二包覆层的打印。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其采用基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置100进行打印制得。
本实施例制备的是4045/3003/4045铝合金复合板，依次打印4045合金熔体、3003合金熔体和4045合金熔体。具体步骤如下：
S1、熔化铝合金各纯组元：按照4045铝合金和3003合金熔体的组分在感应熔炼炉熔炼多种组元；
S2、配置第一合金熔体：按照4045铝合金的组分配制混合形成第一合金熔体，第一合金熔体的温度为725℃，第一合金熔体在保温室130内进行除气净化、细化剂细化(采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为3.0kg/t熔体)、搅拌均匀处理，然后将第一合金熔体释放到打印室140内保温待用；
S3、液态3D打印第一包覆层：将保温室130内的第一合金熔体通过竖直喷嘴(行间距和列间距为20mm，孔径为1mm)喷向压力为-45kPa的负压环境下的运动平台142上的冷却平台141表面，第一合金熔体与移动速度为50mm/s的冷却平台141表面接触时发生瞬间冷凝，冷却平台141通过水冷实现第一合金熔体进行冷却，冷却平台141的冷却水的出口温度小于30℃。第一合金熔体间歇式的喷至冷却平台141的表面，冷却平台141移动的道次间距d为10mm/道次，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ1的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ1的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得第一包覆层。
S4配置第二合金熔体：按照3003铝合金的组分配制并进行熔炼形成第二合金熔体，第二合金熔体的温度为744℃，第二合金熔体在保温室130内进行除气净化、细化剂细化、搅拌均匀处理，然后将第二合金熔体释放到打印室140内保温待用；
S5、液态3D打印芯层：当第一包覆层温度降至第一合金初生固相形成的半固态区内时，将加热后的第二合金熔体通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维运动的第一包覆层表面，第二合金熔体与移动的第一包覆层表面接触时发生瞬间冷凝，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ2的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ2的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得芯层。
S6、配置第三合金熔体：重复S2过程；
S7、液态3D打印第二包覆层：当芯层温度降至第二合金初生固相形成的半固态区内时，将加热后的第三合金熔体通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维运动的芯层表面，第三合金熔体与移动的芯层表面接触时发生瞬间冷凝，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ3的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ3的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得第二包覆层。
S8样品取出、裁切及均匀化处理：将所获的双金属复合铝合金铸锭从平台上取出，去除周围不规则边缘，并根据需要裁切成既定形状，然后进行均匀化处理；
S9双金属复合铝板的制备：将复合铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，然后将进行冷轧值成品厚度，获得双金属复合铝板。其中，第一包覆层和第二包覆层的厚度比例为1：1；第一包覆层和第二包覆层的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率均为18％。
实施例2
本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其采用基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置100进行打印制得。
本实施例制备的是4045/3003/7072铝合金复合板，依次打印4045合金熔体、3003合金熔体和7072合金熔体。具体步骤如下：
S1、熔化铝合金各纯组元：按照4045铝合金、3003合金熔体和7072铝合金复的组分在感应熔炼炉熔炼多种组元；
S2、配置第一合金熔体：按照4045铝合金的组分配制混合形成第一合金熔体，第一合金熔体的温度为725℃，第一合金熔体在保温室130内进行除气净化、细化剂细化(采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为1.0kg/t熔体)、搅拌均匀处理，然后将第一合金熔体释放到打印室140内保温待用；
S3、液态3D打印第一包覆层：将保温室130内的第一合金熔体通过竖直喷嘴(行间距和列间距为30mm，孔径为3mm)喷向压力为-40kPa的负压环境下的运动平台142上的冷却平台141表面，第一合金熔体与移动速度为20mm/s的冷却平台141表面接触时发生瞬间冷凝，冷却平台141通过水冷实现第一合金熔体进行冷却，冷却平台141的冷却水的出口温度小于30℃。第一合金熔体间歇式的喷至冷却平台141的表面，冷却平台141移动的道次间距d为8mm/道次，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ1的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ1的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得第一包覆层。
S4配置第二合金熔体：按照3003铝合金的组分配制并进行熔炼形成第二合金熔体，第二合金熔体的温度为744℃，第二合金熔体在保温室130内进行除气净化、细化剂细化、搅拌均匀处理，然后将第二合金熔体释放到打印室140内保温待用；
S5、液态3D打印芯层：当第一包覆层温度降至第一合金初生固相形成的半固态区内时，将加热后的第二合金熔体通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维运动的第一包覆层表面，第二合金熔体与移动的第一包覆层表面接触时发生瞬间冷凝，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ2的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ2的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得芯层。
S6、配置第三合金熔体：按照7072铝合金的组分配制并进行熔炼形成第三合金熔体，第三合金熔体的温度为747℃，第三合金熔体在保温室130内进行除气净化、细化剂细化、搅拌均匀处理，然后将第三合金熔体释放到打印室140内保温待用；
S7、液态3D打印第二包覆层：当芯层温度降至第二合金初生固相形成的半固态区内时，将加热后的第三合金熔体通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维运动的芯层表面，第三合金熔体与移动的芯层表面接触时发生瞬间冷凝，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ3的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ3的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得第二包覆层。
S8、样品取出、裁切及均匀化处理：将所获的双金属复合铝合金铸锭从平台上取出，去除周围不规则边缘，并根据需要裁切成既定形状，然后进行均匀化处理；
S9、双金属复合铝板的制备：将复合铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，然后将进行冷轧值成品厚度，获得双金属复合铝板。其中，第一包覆层和第二包覆层的厚度比例为1：2；第一包覆层的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为10％，第二包覆层的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为20％。
实施例3
本实施例提供了一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其采用基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置100进行打印制得。
本实施例制备的是4343/7A11/4343铝合金复合板，依次打印4343合金熔体、7A11合金熔体和4343合金熔体。具体步骤如下：
S1、熔化铝合金各纯组元：按照4343铝合金、7A11合金熔体和4343铝合金复的组分在感应熔炼炉熔炼多种组元；
S2、配置第一合金熔体：按照4343铝合金的组分配制混合形成第一合金熔体，第一合金熔体的温度为715℃，第一合金熔体在保温室130内进行除气净化、细化剂细化(采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，加入量为2.0kg/t熔体)、搅拌均匀处理，然后将第一合金熔体释放到打印室140内保温待用；
S3、液态3D打印第一包覆层：将保温室130内的第一合金熔体通过竖直喷嘴(行间距和列间距为40mm，孔径为2mm)喷向压力为-50kPa的负压环境下的运动平台142上的冷却平台141表面，第一合金熔体与移动速度为30mm/s的冷却平台141表面接触时发生瞬间冷凝，冷却平台141通过水冷实现第一合金熔体进行冷却，冷却平台141的冷却水的出口温度小于30℃。第一合金熔体间歇式的喷至冷却平台141的表面，冷却平台141移动的道次间距d为5mm/道次，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ1的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ1的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得第一包覆层。
S4配置第二合金熔体：按照7A11铝合金的组分配制并进行熔炼形成第二合金熔体，第二合金熔体的温度为743℃，第二合金熔体在保温室130内进行除气净化、细化剂细化、搅拌均匀处理，然后将第二合金熔体释放到打印室140内保温待用；
S5、液态3D打印芯层：当第一包覆层温度降至第一合金初生固相形成的半固态区内时，将加热后的第二合金熔体通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维运动的第一包覆层表面，第二合金熔体与移动的第一包覆层表面接触时发生瞬间冷凝，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ2的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ2的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得芯层。
S6、配置第三合金熔体：重复步骤S2过程；
S7、液态3D打印第二包覆层：当芯层温度降至第二合金初生固相形成的半固态区内时，将加热后的第三合金熔体通过竖直喷嘴喷向负压环境下的三维运动的芯层表面，第三合金熔体与移动的芯层表面接触时发生瞬间冷凝，通过冷却平台141的水平平面运动获得厚度为δ3的半固态区熔覆层，然后将冷却平台141向下移动δ3的距离并重复平面运动以形成新的结晶层，重复多次后即得第二包覆层。
S8、样品取出、裁切及均匀化处理：将所获的双金属复合铝合金铸锭从平台上取出，去除周围不规则边缘，并根据需要裁切成既定形状，然后进行均匀化处理；
S9、双金属复合铝板的制备：将复合铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，然后将进行冷轧值成品厚度，获得双金属复合铝板。其中，第一包覆层和第二包覆层的厚度比例为1：1；第一包覆层的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为15％，第二包覆层的厚度占复合铝合金板的总厚度的百分率为15％。
对比例1：采用常规热轧复合方法制备4045/3003/4045复合铝合金板。
对比例2：采用常规冷轧复合方法制备4045/3003/4045复合铝合金板。
对实施例1-3和对比例1-2获得的复合铝合金板进行力学性能测试，测试结果如下表所示：
Figure BDA0002828637620000161
Figure BDA0002828637620000171
从上表可以看出，本申请获得的复合铝合金板的抗拉强度显著优于对比例1和对比例2的抗拉强度，并且延伸率也显著优于对比例1和对比例2。
综上所述，本申请通过将合金熔化成合金熔体，并利用液态3D打印技术实现逐层打印，高温的合金熔体与冷却平台141进行接触时，发生快速冷凝从而形成层状结构，本申请中，通过控制下一层合金熔体于冷却平台141上的合金熔体的温度降温至合金的初生固相形成的半固态区内时喷入打印，可以使得层与层之间紧密接触和连接，本发明可以保证复合界面的冶金结合，包覆层较均匀，厚度公差减小，最终可获得成型性、强韧性及耐腐蚀优良的复合材料。该方法可生产以往难以复合的合金，且加工工序大大减少，显著提高成材率和降低生产成本。形成的复合铝合金板的综合性能优异，抗拉强度强。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，其包括：
将第一合金熔体喷至负压环境中运动的冷却平台上，以获得第一包覆层；
当所述第一包覆层的温度降至第一合金的初生固相形成的半固态区内时，将加热的第二合金熔体喷至所述第一包覆层的表面，以获得芯层；
当所述芯层的温度降至第二合金的初生固相形成的半固态区内时，将加热的第三合金熔体喷至所述芯层的表面，以获得第二包覆层；
所述第一包覆层、所述芯层和所述第二包覆层形成复合铝合金铸锭，经后处理获得复合铝合金板；
所述芯层的化学成分与所述第一包覆层不同，且所述芯层的化学成分与所述第二包覆层也不相同；
获得所述第一包覆层包括：将所述第一合金熔体喷至所述冷却平台，水平移动所述冷却平台获得厚度为δ1的半固态区熔覆层后，将所述冷却平台向下移动δ1的距离，重复注入所述第一合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得所述第一包覆层；
获得所述芯层包括：将所述第二合金熔体喷至所述第一包覆层，水平移动所述冷却平台获得厚度为δ2的半固态区熔覆层后，将所述冷却平台向下移动δ2的距离，重复注入所述第二合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得所述芯层；
获得所述第二包覆层包括：将所述第三合金熔体喷至所述芯层，水平移动所述冷却平台获得厚度为δ3的半固态区熔覆层，将所述冷却平台向下移动δ3的距离，重复注入所述第三合金熔体以形成新的结晶层，重复多次后即得所述第二包覆层；所述冷却平台的水平移动速度v≤50mm/s；所述冷却平台移动的道次间距d≤10mm/道次；所述冷却平台采用冷却水对其表面的熔体进行冷却，所述冷却平台的冷却水的出口温度小于30℃。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述第一包覆层和所述第二包覆层的厚度比例为1：1~1：2。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述第一包覆层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20%。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述第二包覆层的厚度占所述复合铝合金板的总厚度的百分率为10-20%。
5.根据权利要求1所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述第一包覆层的化学成分和所述第二包覆层的化学成分相同。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述第一合金熔体、所述第二合金熔体和所述第三合金熔体在喷出打印之前还包括进行除气净化处理和细化剂细化处理。
7.根据权利要求6所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，采用Al-Ti-B丝进行晶粒细化，所述Al-Ti-B丝的加入量为每吨熔体加入1.0-3.0kg。
8.根据权利要求1-5任一项所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，对所述复合铝合金铸锭进行后处理包括：对所述复合铝合金铸锭进行均匀化处理。
9.根据权利要求8所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，均匀化处理后还包括对所述复合铝合金铸锭进行加热，而后进行热轧，获得热轧板坯，接着将所述热轧板坯进行冷轧至成品厚度，获得所述复合铝合金板。
10.根据权利要求1-5任一项所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，打印第一包覆层时应完成第二合金的配置，打印芯层时应完成第二合金的配置。
11.根据权利要求1-5任一项所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，采用相同的喷嘴依次对所述第一合金熔体、所述第二合金熔体和所述第三合金熔体进行喷出。
12.根据权利要求11所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述喷嘴与所述冷却平台之间的高度差为10~50cm。
13.根据权利要求11所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述喷嘴的个数为多个且阵列式排布。
14.根据权利要求11所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述喷嘴的个数为20-40个。
15.根据权利要求14所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，任意相邻的两个所述喷嘴之间的间距为2-50mm。
16.根据权利要求11所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法，其特征在于，所述喷嘴的孔径为0.2mm～3.0mm。
17.一种用于实现如权利要求1-16任一项所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的制备方法的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置，其特征在于，其包括保温室和打印室，所述打印室内设置有冷却平台以及用于带动所述冷却平台进行运动的运动平台，所述保温室设置有熔体进料口和熔体打印口，所述熔体打印口伸入所述打印室且朝向所述冷却平台。
18.根据权利要求17所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置，其特征在于，所述基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置还包括熔体配置室，所述熔体配置室开设有熔体出口和供不同组分元素进料的多个组元进料口，所述熔体出口与所述熔体进料口连通。
19.根据权利要求18所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置，其特征在于，所述基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置还包括多个组元熔炼炉，多个所述组元熔炼炉分别与多个所述组元进料口连通。
20.根据权利要求18所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置，其特征在于，所述熔体配置室还设置有用于混合多个组元的旋转喷吹搅拌器。
21.根据权利要求18所述的基于液态金属3D打印的复合铝合金板的装置，其特征在于，所述熔体配置室还设置有用于细化熔体的细化剂自动续丝系统。
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