CN115094284A - 一种增材制造用Al-Cu系合金丝材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种增材制造用Al‑Cu系合金丝材，以质量百分比计，包括以下组分：Cu 5.8％～6.8％，Fe 0.1％～0.3％，Si 0.1％～0.2％，Mn0.2％～0.4％，Mg0.01％～0.02％，Zn0.1％～0.15％，Ti0.10％～0.20％，Zr0.05％～0.25％，La0.05％～0.15％，Ce0.05％～0.10％，V0.10％～0.25％，Y0.10％～0.15％，Sc0.05％～0.30％，Er0.05％～0.15％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。本发明还公开了其制备方法，解决了传统丝材热裂纹敏感性差，力学性能较低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种增材制造用Al-Cu系合 金丝材及其制备方法。
背景技术
高强铝合金因其轻质化、高强度、高模量、高导热和低膨胀等优良性能而 广泛应用于航空航天，交通运输，机械电子等众多领域，在金属材料中的应用 仅次于钢铁而居第二位。高强铝合金作为航空航天中重要的承力构件，且随着 零件结构复杂性的增加和力学性能要求的提高，传统的加工方法如锻造、铸造 等不能满足新一代航天装备逐渐一体化，复杂化，智能化的设计需求，且传统 工艺以减材制造和等材制造为主，制作流程复杂，原料使用率低，生产周期长， 难以满足产品的小批量生产。目前金属增材制造技术作为整个增材体系中最为 前沿和最有潜力的技术，是一种高效率低成本的制造方法，且成型工艺适应性 好，在航空航天构件制造中具有广泛的应用前景。
高强铝合金主要包括以Al-Cu系和Al-Mg-Zn系为基的两类合金，电弧熔 丝增材制造高强铝合金存在很强的热裂倾向，成形难度较大。Al-Cu系合金中 ZL205A热裂纹敏感性较高，降低结构的强度和塑性，成品率较低；2219铝合 金热裂纹敏感性相对较低，但是其构件屈服强度低，两者均难以达到结构力学 性能要求。2319铝合金因其高强度和高热稳定性等特点，被广泛应用于航空飞 行器大型结构件的制造，但是增材制造状态2319铝合金中含有粗大杂质相， 需要净化铝液，降低杂质相的含量，以提高合金的强度和塑性。
研究表明，某些元素少量甚至微量的存在可以改善铝合金组织和性能。如 Sc、Zr微合金化效果显著，可细化铝基体晶粒，提高强度、软化温度等，但价 格昂贵。Er与Sc、Zr的作用类似，可改善力学性能，且其价格低廉，还能与 铝液中H，S和O元素发生反应，以达到净化铝液的目的。
在申请号为CN112518170A的专利中公布了一种适用于合金增材制造用的 Al-Cu系合金丝，按质量百分比计，其化学成分为：Cu:5.5～6.5％，Fe≤0.15％、 Si≤0.06％、Mn：0.26～0.42％、Mg≤0.02％、Zn≤0.10％、Ti和Zr以任意比 合计的总添加量为0.35～0.50％，V：0.05～0.15％，Sc：0.10～0.25％、Be≤0.0003％ 以及0.05～0.25％的Cd、Sn、或In，其他单个元素≤0.05％，杂质总量≤0.15％， 余量为Al。此发明中Cd、Sn或In元素易于在成形中产生有毒氧化物烟尘，且 Sn的熔点较低，会降低铝合金的热裂纹敏感性，容易出现微裂纹，使得合金的 综合力学性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造用Al-Cu系合金丝材及其制备方法， 解决了传统丝材热裂敏感性差，力学性能较低等问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种增材制造用Al-Cu系合金丝材，以质量百分比计，包括以下组分：
Cu 5.8％～6.8％，Fe 0.1％～0.3％，Si 0.1％～0.2％，Mn 0.2％～0.4％，Mg0.01％～0.02％，Zn 0.1％～0.15％，Ti 0.10％～0.20％，Zr 0.05％～0.25％，La 0.05％～0.15％，Ce 0.05％～0.10％，V 0.10％～0.25％，Y 0.10％～0.15％，Sc 0.05％～0.30％，Er 0.05％～0.15％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。
进一步，Sc与(Er+Zr)的质量比为(1～2):1，在该比例下能够形成核壳结 构的Al3(Sc,Er,Zr)。
本发明还公开了所述的增材制造用Al-Cu系铝合金丝材的制备方法，包括 以下步骤：
1)将工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Al以及中间合金按设计好的质量百 分比进行配料；
2)将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中，真空度为0～8Pa，采用保护气 氛进行精炼，得到熔融状态的原料；
3)浇铸：将熔融状态的原料静置20～30min，浇铸到模具中，浇铸温度 700～720℃，得到铝合金铸锭；
4)均匀化处理：将浇铸后的铝合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理的条 件为：在520℃的温度保温24h；
5)铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，得到表 面处理后的棒材；
6)拉丝处理：将表面处理后的棒材进行挤压，然后经过拉拔和退火，最后 用超声波清洗，得到Al-Cu系铝合金丝材。
进一步，步骤2)具体包括以下过程：
向真空熔炼炉中加入工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Al、AlCu50、AlMn10、 AlTi5、AlZr5、AlLa20、AlCe10、AlV5、AlY10、AlSc2及AlEr20；
在真空度为2-4Pa，熔炼温度为730-760℃的条件下熔炼1～2h；
熔炼完成后进行精炼，精炼温度为700-720℃，精炼时间20-30min，并通 入保护气氛和熔剂复合精炼。
进一步，步骤2)中，保护气氛为采用六氯乙烷和氩气除气。
进一步，步骤5)中，所得的铝合金棒材的尺寸为φ110×300mm。
进一步，步骤5)中，表面处理后的棒材的表面粗糙度<Ra 3。
进一步，步骤6)中，拉拔具体为：将挤压好的圆柱形铝合金棒材放在卧 式挤压机中拉拔成丝材，拉丝速度为(8～10)m/min。
进一步，所得铝合金丝材的直径为1.0～1.2mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材，提高Al-Cu系合金丝的 抗裂纹敏感性、细化晶粒组织、净化铝合金晶界杂质、抑制铝合金的再结晶、 改善材料的焊接性能、提高丝材的综合力学性能。Cu与Al、Mg形成Al2CuMg 相具有强化作用，可通过降低晶内晶界电位差改善合金的应力腐蚀性能；少量 Ti起到变质作用，使基体晶粒细化，在较小过冷度下形成非均质晶核，提高合 金的塑韧性；稀土元素Sc、Y、Er的加入促使了Al11Re3(Re＝Sc、Y、Er)相的生 成，该稀土相化合物含量很低，约0.17％～0.26％，其存在对铝合金的晶粒细化 与铝液净化具有积极意义，主要是因为Re(Re＝Sc、Y、Er)元素极易与熔体中的 O元素反应形成稀土氧化物，如Sc2O3、Y2O3等，该氧化物为韧性相，即使分 布于晶界也对材料的塑韧性损伤较小。Sc被称为最有效的晶粒细化剂，可与 Zr、Er一起形成Al3(Sc，Zr，Er)质点，细化铸态晶粒至20～40nm，可以阻止再 结晶晶粒长大，改善合金焊接性能和腐蚀性能。本发明高强铝合金成分中不含 Cd、Sn或者In这些贵金属或极低熔点金属，可以有效避免他们引起的热裂敏 感性，进而避免微裂纹的产生；为了达到细化晶粒，提高焊接性能以及再结晶 抗力的目的，本发明同时添加了Sc、Er、Zr元素，并通过大量实验探索了三者 之间的含量与比例，可以形成具有核壳结构的Al3M相，有助于改善铝合金材 料的焊接性能；此外，本发明对杂质元素的控制更加严格，可以极大程度去除 杂质相Al3Fe等的形成，利于提高材料的延伸率。
进一步，Sc与(Er+Zr)的质量比为1～2:1，在该比例下能够形成核壳结构 的Al3(Sc,Er,Zr)。其他比例比如Zr或Er元素的增加，会使合金从L12核壳结构 转变成D022或D023结构，新结构的出现会使增加元素的溶解度，晶格参数及硬 度发生变化，甚至使原有结构所具有的优良性能消失。
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材的制备方法，基于理论计 算做的研究、然后设计成分、温度。随着时间的延长，Mg、Si和Zn元素均匀 化程度较高，而Sc、Ti和Zr元素均匀化程度较低，且在24h时，合金元素表 面和心部的差距越来越小，合金元素的均匀化程度较高，所以选取合金的最佳 均匀化热处理工艺是在520℃下保温24h。
附图说明
图1为合金试样差示扫描量热(DSC)曲线；
图2为合金试样均匀化处理计算结果；
图3为计算得出的Al-Cu系合金物相组成及相应的质量分数随温度变化关 系；图3a为2319铝合金物相组成及相应的质量分数；图3b为成分改性之后铝 合金物相组成及相应的质量分数；
图4为Al-Cu系合金沉积态样品的晶粒组织(a)和T6态样品的晶粒组织(b)；
图5为本发明实施例1中铸锭均匀化后的金相组织照片；图5a为合金在光 镜下放大50倍的金相组织照片；图5b为合金在光镜下放大100倍的金相组织 照片；
图6为本发明实施例1、2的铝合金棒材照片；
图7为本发明实施例1制备得到的Al-Cu系合金丝材照片；
图8为本发明实施例1中Al-Cu系丝材电弧熔丝增材制造后的单墙照片。
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了，以下结合附图及实 施例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用以解释本 发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例， 而不是全部实施例。
本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设 计，因此，以下附图中提供的本发明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，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图 及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护范围。
需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅 仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、 元素、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明首先根据不同的性能指标对合金的成分进行设计，并通过计算对其 热力学性质进行探究，再根据设计出来的成分进行合金的熔炼及制备以及丝材 的成形。
具体通过料热力学计算和第一性原理计算，成分设计，配料装料，熔炼， 除气，浇铸，均匀化处理，成分测试，铸锭表面后处理，铝合金棒材拉拔，拉 丝处理，超声波清洗等全流程来制备Al-Cu系合金丝。
本发明高强铝合金成分中不含Cd、Sn或者In这些贵金属或极低熔点金属， 可以有效避免他们引起的热裂敏感性，进而避免微裂纹的产生。为了达到细化 晶粒，提高焊接性能以及再结晶抗力的目的，本发明同时添加了Sc、Er、Zr 元素，并通过大量实验探索了三者之间的含量与比例，可以形成具有核壳结构 的Al3M相，有助于改善铝合金材料的焊接性能。此外，本发明对杂质元素的 控制更加严格，可以极大程度去除杂质相Al3Fe等的形成，利于提高材料的延 伸率。
本发明在浇注完成后，且进行均匀化热处理前，首先取2mg的合金试样对 其进行差示扫描量热(DSC)分析，结果如图1所示，如图1a所示，在538～543.5℃ 有吸热现象，表明了该合金非平衡低熔点相的熔化温度约为538～543.5℃，热 处理温度不应超过该峰值温度，即543.5℃。一般经验为低于此温度10℃为最 佳固溶温度，均匀化温度比固溶温度低20℃左右。根据DSC综合分析，将合 金均匀化温度定为520℃，并对合金进行不同时间段的均匀化热处理，以探究 其最佳综合力学性能。
从图2中我们可以看出，随着时间的延长，Mg、Si和Zn元素均匀化程度 较高，而Sc、Ti和Zr元素均匀化程度较低，且在24h时，合金元素表面和心 部的差距越来越小，合金元素的均匀化程度较高，所以合金的最佳均匀化热处 理工艺是在520℃下保温24h。
根据热力学计算结果显示，与典型2xxx系铝合金丝材2319第二相组成(图 3a)相比，如图3b所示，本发明含量最多的第二相为Al2Cu，含量为11.66％， 与2319相近；次之为Al3M，含量为0.66％；而杂质相Al3Fe2Si含量大幅下降， 仅为0.5％。Al3Fe2Si相模量高、硬度高、脆性大，应尽力避免，成分改性之后 的合金中Al3Fe2Si含量减少，有利于提高合金的综合力学性能。
Sc与(Er+Zr)的质量比为(1～2):1，在该比例下能够形成核壳结构的Al3(Sc,Er,Zr)。由于本合金中Sc、Zr、Er等元素的添加比重较大，其在沉积过程 中形成的初生相颗粒促进了熔融金属的异质形核，显著细化了沉积态的晶粒尺 寸，使之呈等轴状而非柱状分布，如附图4(a)。并且在T6热处理后，等轴细晶 的组织特征仍得以保留，一方面是由于热处理工艺流程相对较短，未造成合金 热损伤；另一方面也反映出该合金的耐高温特性，表现在晶粒抵抗长大的能力 方面，如附图4(b)。
以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。
实施例1
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材的制备方法，包括以下步 骤：
以该Al-Cu系合金丝总质量为100％计算：Cu:6.3％，Fe:0.3％，Si:0.2％， Mn:0.3％，Mg:0.02％，Zn:0.10％，Ti:0.15％，Zr:0.05％，La:0.05％，Ce:0.05％， V:0.10％，Y:0.10％，Sc:0.15％，Er:0.10％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。实例 1共浇铸合金70kg，精炼详细步骤如下：
第一步：将各种合金配料按设计比例配料，其中加入8.82kg的AlCu50， 2.1kg的AlMn10，0.014kg的纯Mg，0.07kg的纯Zn，2.1kg的AlTi5，0.7kg的 AlZr5，0.175kg的AlLa20，0.35kgAlCe10，1.4kg的AlV5，0.7kg的AlY10，5.25kg 的AlSc2，0.35kg的AlEr20，48kg的纯Al；
第二步：将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中熔炼，真空度为4Pa，熔 炼温度为750℃，熔炼时间2h。熔炼完成后进行精炼，精炼温度为720℃，精 炼时间20min，并通入氩气、六氯乙烷和熔剂复合精炼。
浇铸：将熔融状态的原料静置30min后，浇铸到模具中，浇铸速度 160mm/min，浇铸温度700℃，得到铝合金铸锭。
均匀化处理：将浇铸好的铝合金铸锭放入中温台式电阻炉中进行均匀化处 理，均匀化温度为520℃，保温时长24h，均匀化后的金相组织形貌如图5a和 图5b所示。由于本合金中添加了少量稀土元素，提高Al3M(M＝Zr、Sc、Er) 相的含量，提高异质形核效果。使合金得到细化，晶粒细小且呈等轴状分布。
铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，去除表面 氧化皮，并进行车削处理保证表面的光洁，使铸锭表面粗糙度<Ra3，得到表面 处理后尺寸为φ110×300mm棒材如图6所示。
拉丝处理：将表面处理后的铝合金铸锭用卧式挤压机进行挤压，然后经过 拉拔和退火，拉丝速度为10m/min，最后用超声波清洗得到如图7所示的直径 为1mm Al-Cu系铝合金丝材。
实施例2
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材的制备方法，包括以下步 骤：
以该Al-Cu系合金丝总质量为100％计算：Cu:6.3％，Fe:0.3％，Si:0.2％， Mn:0.3％，Mg:0.02％，Zn:0.10％，Ti:0.15％，Zr:0.05％，La:0.05％，Ce:0.05％， V:0.10％，Y:0.10％，Sc:0.3％，Er:0.10％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。实例 2共浇铸合金70kg，其详细步骤如下：
第一步：将各种合金配料按设计比例配料，其中加入8.82kg的AlCu50， 2.1kg的AlMn10，0.014kg的纯Mg，0.07kg的纯Zn，2.1kg的AlTi5，0.7kg的 AlZr5，0.175kg的AlLa20,0.35kg的AlCe10，1.4kg的AlV5，0.7kg的AlY10， 10.5kg的AlSc2，0.35kg的AlEr20，42.75kg的纯Al；
第二步：将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中熔炼，真空度为2Pa，熔 炼温度为730℃，熔炼时间2h。熔炼完成后进行精炼，精炼温度为710℃，精 炼时间20min,并通入氩气、六氯乙烷和熔剂复合精炼。
浇铸：将熔融状态的原料静置30min后，浇铸到模具中，浇铸速度 160mm/min，浇铸温度700℃，得到铝合金铸锭。
均匀化处理：将浇铸好的铝合金铸锭放入中温台式电阻炉中进行均匀化处 理，均匀化温度为520℃，保温时长24h。均匀化后的金相组织形貌如图5a和 图5b所示。
铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，去除表面 氧化皮，并进行车削处理保证表面的光洁，使铸锭表面粗糙度<Ra3，得到表面 处理后尺寸为φ110×300mm棒材，如图6所示。
拉丝处理：将表面处理后的铝合金铸锭用卧式挤压机进行挤压，然后经过 拉拔和退火，拉丝速度为10m/min，最后用超声波清洗得到直径为1mm Al-Cu 系铝合金丝材，如图7所示。
由于本合金中Sc元素的添加比重增大，Sc加入与Zr配合形成的Al3ZrScEr 与基体的晶格、热力学匹配度更优，细化晶粒同时，利于提高材料的焊接性能 与腐蚀性能。Al3ScZrZr相为典型的核壳结构，心部为Sc、Er原子富集区，外 部为Zr富集区，能够提高析出相的热稳定性能。
实施例3
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材的制备方法，包括以下步 骤：
以该Al-Cu系合金丝总质量为100％计算：Cu:5.8％，Fe:0.1％，Si:0.1％， Mn:0.2％，Mg:0.01％，Zn:0.10％，Ti:0.10％，Zr:0.05％，La:0.05％，Ce:0.05％， V:0.10％，Y:0.10％，Sc:0.05％，Er:0.05％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。实例 3共浇铸合金70kg，其详细步骤如下：
第一步：将各种合金配料按设计比例配料，其中加入8.12kg的AlCu50， 1.4kg的AlMn10，0.007kg的纯Mg，0.07kg的纯Zn，1.4kg的AlTi5，0.7kg的 AlZr5，0.175kg的AlLa20,0.35kg的AlCe10，1.4kg的AlV5，0.7kg的AlY10， 1.75kg的AlSc2，0.175kg的AlEr20，53.76kg的纯Al。
第二步：将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中熔炼，真空度为4Pa，熔 炼温度为760℃，熔炼时间2h。熔炼完成后进行精炼，精炼温度为700℃，精 炼时间30min，并通入氩气、六氯乙烷和熔剂复合精炼。
浇铸：将熔融状态的原料静置30min后，浇铸到模具中，浇铸速度160mm/min，浇铸温度700℃，得到铝合金铸锭。
均匀化处理：将浇铸好的铝合金铸锭放入中温台式电阻炉中进行均匀化处 理，均匀化温度为520℃，保温时长24h，如图5所示。
铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，去除表面 氧化皮，并进行车削处理保证表面的光洁，使铸锭表面粗糙度<Ra3，得到表面 处理后尺寸为φ110×300mm棒材，见图6。
拉丝处理：将表面处理后的铝合金铸锭用卧式挤压机进行挤压，然后经过 拉拔和退火，拉丝速度为10m/min，最后用超声波清洗得到丝材的直径为1mm Al-Cu系铝合金丝材，见图7。
本合金中Fe、Si元素形成的Al3Fe2Si相和Al7Cu2Fe相比较脆，Mn元素虽 然可以提高合金强度，但对延伸率不利，降低其含量可以减少脆性含Si相、含 Fe相的形成，提高合金的延展性及热塑性。
实施例4
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材的制备方法，包括以下步 骤：
以该Al-Cu系合金丝总质量为100％计算：Cu:6.8％，Fe:0.3％，Si:0.2％， Mn:0.4％，Mg:0.02％，Zn:0.15％，Ti:0.20％，Zr:0.25％，La:0.15％，Ce:0.10％， V:0.25％，Y:0.15％，Sc:0.30％，Er:0.15％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。实例 4共浇铸合金70kg，其详细步骤如下：
第一步：将各种合金配料按设计比例配料，其中加入9.52kg的AlCu50， 2.8kg的AlMn10，0.014kg的纯Mg，0.105kg的纯Zn，2.8kg的AlTi5，3.5kg 的AlZr5，0.525kg的AlLa20，0.7kg的AlCe10，3.5kg的AlV5，1.05kg的AlY10， 10.5kg的AlSc2，0.525kg的AlEr20，34.46kg的纯Al。
第二步：将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中熔炼，真空度为4Pa，熔 炼温度为750℃，熔炼时间2h。熔炼完成后进行精炼，精炼温度为720℃，精 炼时间20min,并通入氩气、六氯乙烷和熔剂复合精炼。
浇铸：将熔融状态的原料静置30min后，浇铸到模具中，浇铸速度 160mm/min，浇铸温度700℃，得到铝合金铸锭。
均匀化处理：将浇铸好的铝合金铸锭放入中温台式电阻炉中进行均匀化处 理，均匀化温度为520℃，保温时长24h，见图5。
铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，去除表面 氧化皮，并进行车削处理保证表面的光洁，使铸锭表面粗糙度<Ra3，得到表面 处理后尺寸为φ110×300mm棒材，见图6。
拉丝处理：将表面处理后的铝合金铸锭用卧式挤压机进行挤压，然后经过 拉拔和退火，拉丝速度为10m/min，最后用超声波清洗得到丝材的直径为1mm Al-Cu系铝合金丝材，见图7。
本合金元素均取区间最大值，Cu元素的增加可使强化相Al2Cu的含量增多， 使合金的强度、硬度达到峰值。由于本合金中Sc、Zr、Er等元素的添加比重也 相对增大，其在沉积过程中形成的初生相颗粒促进形核，显著细化晶粒尺寸， 提高强度的同时而可提高合金的塑韧性。
实施例5
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材的制备方法，包括以下步 骤：
以该Al-Cu系合金丝总质量为100％计算：Cu:6.3％，Fe:0.2％，Si:0.15％， Mn:0.3％，Mg:0.015％，Zn:0.13％，Ti:0.15％，Zr:0.15％，La:0.10％，Ce:0.075％， V:0.175％，Y:0.125％，Sc:0.175％，Er:0.10％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。
实例5共浇铸合金70kg，其详细步骤如下：
第一步：将各种合金配料按设计比例配料，其中加入8.82kg的AlCu50， 2.1kg的AlMn10，0.0105kg的纯Mg，0.091kg的纯Zn，2.1kg的AlTi5，2.1kg 的AlZr5，0.35kg的AlLa20，0.525kg的AlCe10，2.45kg的AlV5，0.875kg的 AlY10，6.125kg的AlSc2，0.35kg的AlEr20，44.10kg的纯Al。
第二步：将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中熔炼，真空度为4Pa，熔 炼温度为750℃，熔炼时间2h。熔炼完成后进行精炼，精炼温度为720℃，精 炼时间20min,并通入氩气、六氯乙烷和熔剂复合精炼。
浇铸：将熔融状态的原料静置30min后，浇铸到模具中，浇铸速度 160mm/min，浇铸温度700℃，得到铝合金铸锭。
均匀化处理：将浇铸好的铝合金铸锭放入中温台式电阻炉中进行均匀化处 理，均匀化温度为520℃，保温时长24h，见图5。
铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，去除表面 氧化皮，并进行车削处理保证表面的光洁，使铸锭表面粗糙度<Ra3，得到表面 处理后尺寸为φ110×300mm棒材，见图6。
拉丝处理：将表面处理后的铝合金铸锭用卧式挤压机进行挤压，然后经过 拉拔和退火，拉丝速度为10m/min，最后用超声波清洗得到丝材的直径为1mm Al-Cu系铝合金丝材，见图7。
实施例6
本发明公开了一种增材制造用Al-Cu系合金丝材的制备方法，包括以下步 骤：
以该Al-Cu系合金丝总质量为100％计算：Cu:6.3％，Fe:0.2％，Si:0.15％， Mn:0.3％，Mg:0.015％，Zn:0.13％，Ti:0.15％，Zr:0.15％，La:0.10％，Ce:0.075％， V:0.175％，Y:0.125％，Sc:0.05％，Er:0.15％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。实 例6共浇铸合金70kg，其详细步骤如下：
第一步：将各种合金配料按设计比例配料，其中加入8.82kg的AlCu50， 2.1kg的AlMn10，0.0105kg的纯Mg，0.091kg的纯Zn，2.1kg的AlTi5，2.1kg 的AlZr5，0.35kg的AlLa20，0.525kg的AlCe10，2.45kg的AlV5，0.875kg的 AlY10，1.75kg的AlSc2，0.525kg的AlEr20，48.30kg的纯Al。
第二步：将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中熔炼，真空度为4Pa，熔 炼温度为750℃，熔炼时间2h。熔炼完成后进行精炼，精炼温度为720℃，精 炼时间20min,并通入氩气、六氯乙烷和熔剂复合精炼。
浇铸：将熔融状态的原料静置30min后，浇铸到模具中，浇铸速度 160mm/min，浇铸温度700℃，得到铝合金铸锭。
均匀化处理：将浇铸好的铝合金铸锭放入中温台式电阻炉中进行均匀化处 理，均匀化温度为520℃，保温时长24h，均匀化后组织见图5。
铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，去除表面 氧化皮，并进行车削处理保证表面的光洁，使铸锭表面粗糙度<Ra3，得到表面 处理后尺寸为φ110×300mm棒材，见图6。
拉丝处理：将表面处理后的铝合金铸锭用卧式挤压机进行挤压，然后经过 拉拔和退火，拉丝速度为10m/min，最后用超声波清洗得到丝材的直径为1mm Al-Cu系铝合金丝材，见图7。
本合金大部分元素均取区间中间值，但Sc元素取区间最低值，Er元素取 区间最大值。因为Er元素的价格约为Sc元素的1/80，在保证合金性能的同时 可大大节约生产成本。
以上6个实施例获得的合金丝材均采用CMT Advanced 4000R型焊接电源 成形200mm×100mm×20mm的单壁墙试样，如图8所示。成形参数为：电流 96A，电压12V，送丝速度6m/min，焊接速度0.5m/min，以上实施例得到的试 样主要强化相都是θ′，细小弥散，强化效果较好，有利于提高焊后合金的综合 力学性能。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限 制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人 员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未 脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利 要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种增材制造用Al-Cu系合金丝材，其特征在于，以质量百分比计，包括以下组分：
Cu 5.8％～6.8％，Fe 0.1％～0.3％，Si 0.1％～0.2％，Mn 0.2％～0.4％，Mg 0.01％～0.02％，Zn 0.1％～0.15％，Ti 0.10％～0.20％，Zr 0.05％～0.25％，La 0.05％～0.15％，Ce 0.05％～0.10％，V 0.10％～0.25％，Y 0.10％～0.15％，Sc 0.05％～0.30％，Er 0.05％～0.15％，杂质总量≤0.15％、余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造用Al-Cu系合金丝材，其特征在于，Sc与(Er+Zr)的质量比为(1～2):1，在该比例下能够形成核壳结构的Al3(Sc,Er,Zr)。
3.权利要求1或2所述的增材制造用Al-Cu系铝合金丝材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Al以及中间合金按设计好的质量百分比进行配料；
2)将步骤一得到的配料放入真空熔炼炉中，真空度为0～8Pa，采用保护气氛进行精炼，得到熔融状态的原料；
3)浇铸：将熔融状态的原料静置20～30min，浇铸到模具中，浇铸温度700～720℃，得到铝合金铸锭；
4)均匀化处理：将浇铸后的铝合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理的条件为：在520℃的温度保温24h；
5)铸锭表面后处理：将均匀化后的铝合金铸锭表面进行机械加工，得到表面处理后的棒材；
6)拉丝处理：将表面处理后的棒材进行挤压，然后经过拉拔和退火，最后用超声波清洗，得到Al-Cu系铝合金丝材。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下过程：
向真空熔炼炉中加入工业纯Mg、工业纯Zn、工业纯Al、AlCu50、AlMn10、AlTi5、AlZr5、AlLa20、AlCe10、AlV5、AlY10、AlSc2及AlEr20；
在真空度为2-4Pa，熔炼温度为730-760℃的条件下熔炼1～2h；
熔炼完成后进行精炼，精炼温度为700-720℃，精炼时间20-30min，并通入保护气氛和熔剂复合精炼。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，保护气氛为采用六氯乙烷和氩气除气。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所得的铝合金棒材的尺寸为φ110×300mm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，表面处理后的棒材的表面粗糙度<Ra 3。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤6)中，拉拔具体为：将挤压好的圆柱形铝合金棒材放在卧式挤压机中拉拔成丝材，拉丝速度为(8～10)m/min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所得铝合金丝材的直径为1.0～1.2mm。
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| CN113227421A (zh) * | 2018-12-24 | 2021-08-06 | Hrl实验室有限责任公司 | 增材制造的高温铝合金及用于制造其的原料 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220923 |