CN115106620A - 一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法，包括以下步骤：S1：准备阶段；S2：材料制备；S3：晶粒细化；S4：热处理强化。按照材料设计比例，通过控制焊接工艺参数，逐层堆焊将7系铝合金与5系铝合金结合。通过单道次高轧制下压量对晶粒进行细化并进行后续热处理，获得了等轴晶与超细纤维状晶粒组成的功能梯度复合材料，使得7系铝合金抗拉强度为400MPa，延伸率达到了18.5％，而且具有优异的抗弯性能。

Description

一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种基于电弧增材制造提高7 系铝合金韧性的方法。
背景技术
增材制造作为一种新兴技术，为材料加工和设计提供了一条不同的途径，作为增材制造家族的一员，电弧增材制造以其成形速度快、材料利用率高、生产成本低、可实现大型构件制备等优势，在航空航天、国防军工、汽车工业等领域已取得广泛应用。
随着现代战争的对抗性和反装甲武器作战效能的提高，研究人员亟需推动传统防护装甲材料向新型轻量化材料-结构-功能一体化制造方向发展。
7系铝合金因具有密度低、强度高、塑性好、吸能性能好等优点，在战斗车辆制造中得到了广泛的应用。然而，对于具有高比强度和优异时效强化能力的7系铝合金，由于韧性较低，导致其在电弧增材制造中发生的液固相转换过程中易产生热裂纹，使得7系铝合金电弧增材制造一直具有挑战性，这极大的限制了其在战斗车辆防护装甲上的应用。
在现有技术中，为了有效改善7系铝合金液化开裂的现象，提升合金的韧性，一般通过调整合金成分来制备无裂纹的7系铝合金。
通过冶炼得到符合成分的Al-Zn-Mg-Cu铝合金，经过挤压、退火、冷加工、回火等加工工艺获得产品。
然而，无论是冷加工前的退火还是冷加工后的回火的热处理，都造成了资源的浪费，延长了生产周期，降低了生产率，增加了生产成本。因此，为了提升7系铝合金的韧性，满足防护装甲领域的迫切需求，本发明旨在基于电弧增材制造工艺，开发一种有效提升7系铝合金韧性的方法，减少热裂纹缺陷，从而使得该7系铝合金能够满足战斗车辆防护装甲材料的性能需求。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法，包括以下步骤：
S1：准备阶段，准备基板、焊丝、加工设备和加工材料；
S2：材料制备，5系铝合金:7系铝合金：5系铝合金：7系铝合金：5 系铝合金＝1:2:2:2:1，进行逐层沉积堆焊；
S3：晶粒细化，将S2中形成的材料通过加热装置进行加热；
保温结束后采用轧机对其进行轧制，单道次下量为20～50％，累积轧制量为20～90％，得到等轴晶与超细纤维状晶粒组成的功能梯度复合材料；
S4：热处理强化，将S3中获得的铝合金复合材料再次放置于加热装置中进行处理，保温结束后放置于水中进行淬火处理，继续将淬火处理后的铝合金复合材料置于温度为100℃～150℃的热处理炉中，保温12h～ 48h，得到强韧性7系铝合金材料。
作为本发明进一步的方案：S3中加热装置温度控制在470℃～550℃，保温30min～120min。
作为本发明进一步的方案：S4中再次放置于加热装置中进行处理的温度为470℃～550℃，保温30min～120min。
作为本发明进一步的方案：5系铝合金和7系均为铝合金焊丝。
作为本发明进一步的方案：S2材料制备中将打磨、清洗、烘干后的基板固定于工作台上，第一层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，采用循环往复的方式，通过电弧增材制造方式在基板上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为2.5mm的5系铝合金熔覆层；焊接送丝速度为6～ 10m/min、焊接电流为150～220A、焊接电压为10～20V、焊接速度为30～60cm/min、焊接保护气采用99.999％氩气，气体流量为10～25L/min。
作为本发明进一步的方案：第二层选用直径为1.2mm的7系铝合金焊丝，通过电弧增材制造方式在第一层上沉积堆焊长度为150mm，宽度为 100mm，厚度为5mm厚的7系铝合金熔覆层；焊接送丝速度为8～12m/min、焊接电流为180～250A、焊接电压为12～22V、焊接速度与气体流量与第一层一致。
作为本发明进一步的方案：第三层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，在第二层上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为5mm厚的 5系铝合金熔覆层，焊接工艺参数与第二层保持一致。
作为本发明进一步的方案：第四层选用直径为1.2mm的7系铝合金焊丝，沉积堆焊长度、宽度、厚度和焊接工艺参数与第二层保持一致。
作为本发明进一步的方案：第五层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，沉积堆焊长度、宽度、厚度和焊接工艺参数与第一层保持一致。
本发明的有益效果：
按照材料设计比例，通过控制焊接工艺参数，逐层堆焊将7系铝合金与5系铝合金结合。通过单道次高轧制下压量对晶粒进行细化并进行后续热处理，获得了等轴晶与超细纤维状晶粒组成的功能梯度复合材料，使得 7系铝合金抗拉强度为400MPa，延伸率达到了18.5％，而且具有优异的抗弯性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是等轴晶与超细纤维状晶粒组成的功能梯度材料图；
图2是纯7系铝合金材料弯曲性能图；
图3是7系铝合金功能梯度材料弯曲性能图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3所示，本发明为一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法，底板准备：为防止焊接大变形，基板选用20mm厚的铝合金厚板作为底板。
其中，采用钢丝刷对底板表面进行打磨至金属光泽，将表面氧化膜去除。
焊丝准备：选用直径为1.2mm的商用硬质材料焊丝7系铝合金与软质材料焊丝5系铝合金，试验前将其放入热处理炉中进行除湿处理。
设备准备：采用熔化极氩弧焊焊机及水冷焊枪、可实现路径规划的 ABB工业六轴关节焊接机器人对底板进行逐层堆焊，实施电弧增材制造。
材料制备：
将打磨、清洗、烘干后的铝合金基板固定于工作台上，第一层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，采用循环往复的方式，通过电弧增材制造方式在基板上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为2.5mm的5 系铝合金熔覆层。焊接送丝速度为6～10m/min、焊接电流为150～220A、焊接电压为10～20V、焊接速度为30～60cm/min、焊接保护气采用99.999％氩气，气体流量为10～25L/min。
第二层选用直径为1.2mm的7系铝合金焊丝，通过电弧增材制造方式在第一层上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为5mm厚的7系铝合金熔覆层。
相对于第一层，将焊接电流提升，焊接送丝速度为8～12m/min、焊接电流为180～250A、焊接电压为12～22V、焊接速度与气体流量保持不变。
第三层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，在第二层上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为5mm厚的5系铝合金熔覆层，焊接工艺参数与第二层保持一致。
第四层选用直径为1.2mm的7系铝合金焊丝，沉积堆焊长度、宽度、厚度和焊接工艺参数与第二层保持一致。
第五层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，沉积堆焊长度、宽度、厚度和焊接工艺参数与第一层保持一致。
最终制备获得20mm厚的7系铝合金与5系铝合金比例为1:2:2:2:1 功能梯度材料。
晶粒细化：
将步骤4制备的铝合金功能梯度材料样块置于热处理炉中，温度为 470℃～550℃，保温30min～120min；
保温结束后采用轧机对其进行轧制，通过单道次高轧制下压量对晶粒进行细化，单道次下压量为30％～50％，累积轧制量为50％～90％，得到等轴晶与超细纤维状晶粒组成的功能梯度材料，如图1示。
时效强化并进行测试：
将步骤5获得的铝合金功能梯度材料板再次置于热处理炉中，温度为 470℃～550℃，保温30min～120min，保温结束后将其置于水中进行淬火处理，继续将淬火处理后的铝合金复合材料置于温度为100℃～150℃的热处理炉中，保温12h～48h，得到强韧性7系铝合金材料。
依据GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》，将制备的强韧性7系铝合金功能梯度材料进行准静态拉伸试验，检验其抗拉强度与延伸率。
结果表明，以纯7系铝合金试样的平均延伸率作为对照值，本发明的试样延伸率提升了100.8％，以纯5系铝合金试样的平均抗拉强度作为对照值，本发明的试样抗拉强度提升了41.7％。
准静态拉伸试验结果
Figure BDA0003787731330000061
依据GB/T232-2010《金属材料弯曲试验方法》，将制备的强韧性7 系铝合金功能梯度材料进行抗弯试验，检验其弯曲性能。
试验采用直径为2mm的压头，对其进行自由三点弯曲抗弯试验。弯曲结果如图2和图3示，图2为纯7A48合金的晶粒形貌和断裂路径，可清楚地看到宏观裂纹在扩展了1/3厚度的试样后停止在中性轴弯曲区域，然后再逐渐沿轧制方向朝内部扩展。图3展示了7系功能梯度材料的弯曲成形行为。可以观察到没有出现任何断裂失效的迹象，这说明了7系功能梯度材料具有优异的抗弯成形性。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备阶段，准备基板、焊丝、加工设备和加工材料；
S2：材料制备，5系铝合金:7系铝合金：5系铝合金：7系铝合金：5系铝合金＝1:2:2:2:1，进行逐层沉积堆焊；
S3：晶粒细化，将S2中形成的材料通过加热装置进行加热；
保温结束后采用轧机对其进行轧制，单道次下量为20～50％，累积轧制量为20～90％，得到等轴晶与超细纤维状晶粒组成的功能梯度复合材料；
S4：热处理强化，将S3中获得的铝合金复合材料再次放置于加热装置中进行处理，保温结束后放置于水中进行淬火处理，继续将淬火处理后的铝合金复合材料置于温度为100℃～150℃的热处理炉中，保温12h～48h，得到强韧性7系铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，S3中加热装置温度控制在470℃～550℃，保温30min～120min。
3.根据权利要求1所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，S4中再次放置于加热装置中进行处理的温度为470℃～550℃，保温30min～120min。
4.根据权利要求1-3任意一条所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，5系铝合金和7系均为铝合金焊丝。
5.根据权利要求4所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，S2材料制备中将打磨、清洗和烘干后的基板固定于工作台上，第一层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，采用循环往复的方式，通过电弧增材制造方式在基板上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为2.5mm的5系铝合金熔覆层；
焊接送丝速度为6～10m/min、焊接电流为150～220A、焊接电压为10～20V、焊接速度为30～60cm/min、焊接保护气采用99.999％氩气，气体流量为10～25L/min。
6.根据权利要求5所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，第二层选用直径为1.2mm的7系铝合金焊丝，通过电弧增材制造方式在第一层上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为5mm厚的7系铝合金熔覆层；
焊接送丝速度为8～12m/min、焊接电流为180～250A、焊接电压为12～22V、焊接速度与气体流量与第一层一致。
7.根据权利要求6所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，第三层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，在第二层上沉积堆焊长度为150mm，宽度为100mm，厚度为5mm厚的5系铝合金熔覆层，焊接工艺参数与第二层保持一致。
8.根据权利要求7所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，第四层选用直径为1.2mm的7系铝合金焊丝，沉积堆焊长度、宽度、厚度和焊接工艺参数与第二层保持一致。
9.根据权利要求8所述的一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法,其特征在于，第五层选用直径为1.2mm的5系铝合金焊丝，沉积堆焊长度、宽度、厚度和焊接工艺参数与第一层保持一致。
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