CN114892053B - 一种用于增材制造的高强韧铝铜镁合金及其产品的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的高强韧铝铜镁合金，其特征在于：该铝铜镁合金的质量百分组成为Mn：0.3‑0.5％，Cu：4‑6.5％，Mg：0.3‑0.6％，Ti：0.15‑0.35％，B：0.0005‑0.006％，V：0.05‑0.3％，Zr：0.1‑0.3％，Ag：0.1‑0.8％，Fe：≤0.2％，Si：≤0.1％，Zn：≤0.1％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计：≤0.15％，余量为Al。采用本发明高强韧铝铜镁合金丝材增材制造，增材成形产品的组织均匀、晶粒细小，晶粒尺寸为20‑50μm。热处理后，晶粒尺寸范围不变，基体中长条形的纳米级、弥散分布的Ω和θ'强化相，热处理后的增材成形产品的抗拉强度≥540MPa，延伸率≥15％，且各向同性，增材成形产品的强度高、韧性好。

Description

一种用于增材制造的高强韧铝铜镁合金及其产品的热处理 方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种用于增材制造的高强韧铝铜镁合金及其产品的热处理方法。
背景技术
近年来，随着工业发展对高效率、轻量化、低成本的要求日益提高，丝材增材制造铝合金航空、航天、军工等领域得到了广泛的应用。
Al-Cu合金可通过固溶淬火强化处理，析出大量的纳米级强化相，并获得>500Mpa的抗拉强度，利用丝材增材制造方法可有效改善铸造产品容易产生热裂、偏析、缩松等缺陷，有效解决焊接接头软化，以及铸件的成品率较低的问题。Al-Cu合金凭借优异的力学性能，在丝材增材制造领域受到了高度的重视。当前丝材增材制造Al-Cu合金存在以下问题：
1)由于析出相Al2Cu为低熔点共晶化合物，易在层间偏聚，造成横纵向差异大，例如目前研究较多的2319、2024合金。
2)Al-Cu合金的抗拉强度较高，但伸长率较低，一般低于10％，合金的韧性差，加之Al2Cu的偏聚，易产生裂纹，特别是对于结构复杂的结构件，在时效处理时，受内应力的作用易产生大面积的裂纹，直接导致结构件不合格。
本发明在Al-Cu合金的基础上，添加Mg元素，制备出了一种适用于丝材增材制造、各向同性，且具有高强高韧性的Al-Cu-Mg合金，为丝材增材制造领域向高强高韧性方向发展奠定了基础。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种增材成形产品组织均匀、强化相弥散分布、各向同性的用于增材制造的高强韧铝铜镁合金。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种增材成形产品高强、高韧、不易产生裂纹的增材成形产品的热处理方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于增材制造的高强韧铝铜镁合金，其特征在于：该铝铜镁合金的质量百分组成为Mn：0.3-0.5％，Cu：4-6.5％，Mg：0.3-0.6％，Ti：0.15-0.35％，B：0.0005-0.006％，V：0.05-0.3％，Zr：0.1-0.3％，Ag：0.1-0.8％，Fe：≤0.2％，Si：≤0.1％，Zn：≤0.1％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计：≤0.15％，余量为Al。
Cu为主强化元素，Mg和Ag同时加入，可促使组织析出Ω相，Ti和Zr是细晶元素，可形成Al3Ti和Al3Zr相，作为异质形核质点，细化α(Al)的晶粒。Mn可与Al、Cu元素形成T相，提高室温和高温强度。V可降低合金的热裂纹敏感性。
作为优选，该铝铜镁合金还包括锡Sn：0.001-0.2％。Sn具有较强的空位结合能力，且扩散率高，溶解度小，起促进强化相析出与弥散分布的作用，并可缩短铝铜镁合金达到峰值时效的时间，提高合金的力学性能。
作为优选，该铝铜镁合金中Cu、Mg的添加量满足：12.5≤Cu/Mg≤20。Cu/Mg大于12.5，且小于20，在增材成形产品热处理后主要析出相是Ω相和θ'相，其中Ω相在Al基体的{111}面上析出，与α(Al)基体完全共格,θ'相是纳米级析出相，与α(Al)基体半共格，这两种析出相均是在时效时析出的，起析出强化作用，可提高合金的稳定性和力学性能。
作为优选，该铝铜镁合金基体中弥散分布尺寸小于5μm的Al2Cu析出相。Al2Cu析出相细化铝铜镁合金的组织，提升强度，利于后续增材成形过程中熔池的铺展，使堆积体易于成形。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种增材成形产品的热处理方法，其特征在于：将所述的用于增材制造的高强韧铝铜镁合金加工成丝材，将丝材增材堆积成形形成增材成形产品，对增材成形产品进行固溶和时效热处理，固溶温度500-540℃，固溶时间3-6h，淬火温度35-50℃，淬火时间10-20min，时效温度165-195℃，时效时间2-6h。
作为优选，热处理后的增材成形产品的晶粒尺寸为20-50μm，铝基体中弥散分布纳米级别的以Ω相和θ'为主的析出相，其中，Ω相在Al基体的{111}面上析出，与α(Al)基体完全共格，θ'相与α(Al)基体半共格。
作为优选，热处理后的增材成形产品的抗拉强度≥540MPa，延伸率≥15％，且各向同性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明高强韧铝铜镁合金适于制备丝材，加工顺畅，成品率在85-95％，组织均匀，用于丝材增材制造，熔池铺展性良好，堆积体易于成形。
(2)采用本发明高强韧铝铜镁合金丝材增材制造，增材成形产品的组织均匀、晶粒细小，晶粒尺寸为20-50μm。热处理后，晶粒尺寸范围不变，基体中长条形的纳米级、弥散分布的Ω和θ'强化相，热处理后的增材成形产品的抗拉强度≥540MPa，延伸率≥15％，且各向同性，增材成形产品的强度高、韧性好。
附图说明
图1为本发明实施例1的铝铜镁合金丝材的金相照片。
图2为本发明实施例1的铝铜镁合金增材成形产品(直接堆积态)的表面图片。
图3为本发明实施例1的铝铜镁合金增材成形产品热处理前的金相照片。
图4为本发明实施例1的铝铜镁合金增材成形产品热处理后的金相照片。
图5为本发明实施例1的铝铜镁合金增材成形产品热处理后的TEM照片。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供2个实施例和3个对比例。
实施例1：
该铝铜镁合金的质量百分组成为Mn：0.34％，Cu：5.52％，Mg：0.42％，Ti：0.152％，B：0.001％，V：0.14％，Zr：0.19％，Sn：0.087％，Ag：0.49％，Fe：0.089％，Si：0.008％，Zn：0.018％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计：≤0.15％，余量为铝Al。
该铝铜镁合金丝材的制备：
1)将直径为Φ10mm的盘条锻造成直径为Φ4.8mm的丝材；2)对Φ4.8mm的丝材进行去应力退火，退火制度为360℃保温1.5h，空冷；3)将直径为Φ4.8mm的丝材锻造成直径为Φ2.4mm的丝材；4)对Φ2.4mm的丝材进行去应力退火，退火制度为360℃保温1.5h，空冷；5)Φ2.4mm的丝材经6个拉丝摸具和一个定径摸具，制成Φ1.27mm的丝材；6)Φ1.27mm丝材经一个定位模具，两个刮削模具，一个压光模具，最终得到线径为1.18±0.05mm的丝材；7)60℃下超声波清洗15s；8)丝材的表面清洗及钝化、光亮化处理，后将丝材表面烘干，烘干温度为90℃，时间为15s；9)将烘干后的丝材按7kg/盘进行分盘，真空包装，烘干到包装中间时间间隔不得超过8h。
本实施例丝材制备过程顺畅，成品率达到94％，丝材组织均匀，见图1所示，该铝铜镁合金基体中弥散分布尺寸小于5μm的Al2Cu析出相，丝材的抗拉强度为510Mpa，延伸率为5％。
增材成形产品制备：将丝材作为原材料，采用冷金属过度+脉冲工艺(CMT+P)增材堆积成形形成增材成形产品，堆积工艺参数为：焊炬行走速度为8mm/s，电流为120A，电压17.5V，堆积过程中丝材具有良好的熔池铺展性，见图2所示，增材成形产品成形好、表面光亮。见图3所示，增材成形产品的晶粒尺寸为20-50μm。
将增材成形产品进行热处理，热处理强化机制为：固溶温度530℃，固溶时间4h，淬火温度35℃，淬火时间15min，时效温度175℃，时效时间4h。
增材成形产品经热处理后，粗大的θ相完全固溶到基体中，见图4所示，晶粒尺寸范围不变，为20-50μm，析出纳米级、弥散分布的Ω和θ'强化相，见图5所示，Ω和θ'强化相呈深色的长条状，交错分布，长度、宽度、厚度为(80-100)*(50-80)*(3-7)nm。
实施例2：
该铝铜镁合金的质量百分组成为Mn：0.37％，Cu：6.28％，Mg：0.49％，Ti：0.233％，B：0.001％，V：0.12％，Zr：0.20％，Sn：0.12％，Ag：0.62％，Fe：0.092％，Si：0.011％，Zn：0.016％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计：≤0.15％，余量为铝Al。
本实施例的丝材与增材成形产品的制备方法与实施例1相同，此处不再赘述，本实施例丝材制备过程顺畅，成品率达到95％，丝材组织均匀，丝材的抗拉强度为502Mpa，延伸率为5.5％。
堆积过程中具有良好的铺展性，堆积体成形好，堆积体表面光亮，内部组织晶粒细小，尺寸均匀，强化相在晶界上均匀弥散分布。
将增材成形产品进行热处理，热处理强化机制为：固溶温度535℃，固溶时间4h，淬火温度40℃，淬火时间15min，时效温度165℃，时效时间5h。
对比例
为了清晰地显示本发明合金可达到的有益效果，采用与实施例1相同的增材制造工艺及热处理工艺进行了2319、ZL205A和2024铝铜合金增材堆积成形形成增材成形产品，2319、ZL205A和2024的具体成分见表1。
对实施例和对比例得到的增材成形产品进行力学性能检测，检测数据见表2，从表表2可以看出，实施例的增材成形产品具有优异的强度和良好的韧性，且横纵向均匀。
表1 2319、ZL205A和2024的化学成分/wt％
表2本发明实施例、对比例增材成形产品的力学性能

Claims (4)

1.一种增材成形产品的热处理方法，其特征在于：将用于增材制造的高强韧铝铜镁合金加工成丝材，该铝铜镁合金的质量百分组成为Mn：0.3-0.5％，Cu：4-6.5％，Mg：0.3-0.49％，Ti：0.15-0.35％，B：0.0005-0.006％，V：0.05-0.3％，Zr：0.1-0.3％，Ag：0.1-0.8％，Fe：≤0.2％，Si：≤0.1％，Zn：≤0.1％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计：≤0.15％，余量为Al；将丝材增材堆积成形形成增材成形产品，对增材成形产品进行固溶和时效热处理，固溶温度500-540℃，固溶时间3-6h，淬火温度35-50℃，淬火时间10-20min，时效温度165-195℃，时效时间2-6h；热处理后的增材成形产品的晶粒尺寸为20-50μm，铝基体中弥散分布纳米级别的以Ω相和θ′为主的析出相，其中，Ω相在Al基体的{111}面上析出，与α(Al)基体完全共格，θ′相与α(Al)基体半共格；热处理后的增材成形产品的抗拉强度≥540MPa，延伸率≥15％，且各向同性。
2.根据权利要求1所述的增材成形产品的热处理方法，其特征在于：该铝铜镁合金还包括锡Sn：0.001-0.2％。
3.根据权利要求1所述的增材成形产品的热处理方法，其特征在于：该铝铜镁合金中Cu、Mg的添加量满足：12.5≤Cu/Mg≤20。
4.根据权利要求1所述的增材成形产品的热处理方法，其特征在于：该铝铜镁合金基体中弥散分布尺寸小于5μm的Al2Cu析出相。
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