CN116586724A - 一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属增材制造领域,具体涉及一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,本发明通过在基板上形成液态熔池,将含钪铝镁合金丝材送入液态熔池,含钪铝镁合金丝材熔化为液态,焊枪在熔池上方形成保护气氛,移动焊枪,使熔池凝固为固态,从而形成单层沉积,重复移动和提升焊枪,完成含钪铝镁合金构件的打印,最后进行激光冲击强化,完成制造,本发明采用特定的打印策略来增强钪铝镁合金大型构件在非热处理态下的强度和力学性能,非常适合于大型高强构件的快速成型。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造领域,具体涉及一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法。
背景技术
含钪铝镁合金自从上个世纪被苏联专家提出后,凭借着微量钪元素对于铝合金综合力学性能的显著提升,被世界学者广泛研究。并且钪的引入,使得原本5系不可热处理铝合金,有了新的强化手段。V.I.Elagin等人系统地研究了各元素对于含钪铝合金的作用与影响,并且提出可以通过调控材料成分的手段进行含钪铝合金强韧化的手段。
目前,含钪铝镁合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能,广泛应用于航空航天、核能、舰船工业等领域。有许多学者对于传统铸态铝镁钪合金进行了研究,证明了其优异的性能,并解释了其强化机理。同时增材制造的发展给了Al-Mg-Sc合金新的制造思路,SLM技术制造的Al-Mg-Sc工件在能够达到优异力学性能的同时,能够进行快速原型的制造,可以更快地交付高度定制的产品,或者以极大的设计自由度按需交付工程产品。WAAM技术作为增材制造中新兴的技术,适用于制造超大型构件,摆脱了设备尺寸的限制。Al-Mg-Sc合金作为不可热处理合金,在沉积态就有着优异的性能,非常适合于制造难以进行热处理的大型构件。近年来,学者们将越来越多的目光聚焦于WAAM制造含钪铝镁合金,更多的机理被揭示。近日Relativity Space发射的Terran 1 3D打印火箭,采用了WAAM技术,其中就不乏Al-Mg-Sc合金材料。新型运载火箭和新一代卫星等宇航装备需采用铝镁钪合金替代型号传统使用的5A06和2A14铝合金,以满足减重和提高有效载荷等需求,并保证使用可靠。
目前国内外对铝镁钪合金WAAM成形技术研究较少,尤其是其沉积态高强构件的WAAM技术更是少之又少。
由于含钪铝镁合金具有易氧化的特性,焊接时易产生气孔、氧化等质量缺陷,严重影响构件的力学性能和耐腐蚀性能。因此,如何在保证合金质量的前提下实现高质量的熔化极气体保护焊增材制造,是当前需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,能够形成力学性能高于现有同成分电弧熔丝增材成型构件的含钪铝镁合金。
为了达到上述目的,本发明包括以下步骤:
采用铝合金板材作为基板,采用含钪铝镁合金丝材作为熔化极气体保护焊焊枪的增材;
开启焊枪,在基板上形成液态熔池,将含钪铝镁合金丝材送入液态熔池,含钪铝镁合金丝材熔化为液态,焊枪在熔池上方形成保护气氛,移动焊枪,使熔池凝固为固态;
持续移动焊枪,使第一层沉积完成;
提升焊枪,将第二层熔体沉积在第一层熔体上;
重复移动和提升焊枪,直至沉积至所需的含钪铝镁合金构件尺寸;
采用水流覆盖增材制造的样品;
采用激光对样品表面进行冲击强化,完成含钪铝镁合金构件的制造。
含钪铝镁合金丝材的直径为0.4mm~1.5mm,含钪铝镁合金丝材的钪含量为0.15%~0.45%。
移动焊枪进行每一层沉积时,沉积路径为三角锯齿状摆动路径。
在沉积第一层到第八层时,焊枪采用CMT+P模式,在沉积第八层以上时,焊枪采用CMT+PA模式。
在沉积第一层到第八层时,含钪铝镁合金丝材的送丝速度为9m/min,在沉积第八层以上时,含钪铝镁合金丝材的送丝速度为7m/min。
在沉积第一层到第六层时,焊枪的移动速度为0.6m/min,在沉积第六层以上时,焊枪的移动速度为0.7m/min。
激光对样品表面进行冲击强化时,激光功率为2.4J,光斑直径为2mm,搭接率为50%,冲击1次。
水流覆盖冲击前的样品时,水膜厚度0.5~2mm。
相邻的沉积层的温度差为50~200℃。
含钪铝镁合金的孔隙率为0.070%,含钪铝镁合金的极细晶粒为85%~90%。
与现有技术相比,本发明通过在基板上形成液态熔池,将含钪铝镁合金丝材送入液态熔池,含钪铝镁合金丝材熔化为液态,焊枪在熔池上方形成保护气氛,移动焊枪,使熔池凝固为固态,从而形成单层沉积,重复移动和提升焊枪,完成含钪铝镁合金构件的打印,最后进行激光冲击强化,完成制造,本发明采用特定的打印策略来增强钪铝镁合金大型构件在非热处理态下的强度和力学性能,非常适合于大型高强构件的快速成型。本发明成型的含钪铝镁合金构件具有超细晶粒组织,且伴有Al3Sc组织均匀析出,晶界含有铝镁析出相,并且力学性能优异。
附图说明
图1为实施例1试样的横向力学性能图;
图2为实施例1和对比例1的试样力学性能对比图;
图3为实施例1和对比例2中激光冲击对于试样力学性能对比图;
图4为本发明沉积的含钪铝镁合金的超细二次析出金相图;其中,(a)为含钪铝镁合金的超细二次析出金相图,(b)为图(a)中A处的放大图,(c)为图(b)中B处的放大图,(d)为图(c)中C处的放大图;
图5为本发明沉积的含钪铝镁合金的近纯细晶组织构成图;
图6为本发明沉积的含钪铝镁合金的等轴细晶颗粒尺寸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明包括以下步骤:
S1,采用铝合金板材作为基板,采用含钪铝镁合金丝材作为熔化极气体保护焊焊枪的增材;含钪铝镁合金丝材的直径为0.4mm~1.5mm,含钪铝镁合金丝材的钪含量为0.15%~0.45%。
S2,开启焊枪,在基板上形成液态熔池,将含钪铝镁合金丝材送入液态熔池,含钪铝镁合金丝材熔化为液态,焊枪在熔池上方形成保护气氛,移动焊枪,使熔池凝固为固态;
S3持续移动焊枪,使第一层沉积完成,沉积路径为三角锯齿状摆动路径;
S4,提升焊枪,将第二层熔体沉积在第一层熔体上;
S5,重复移动和提升焊枪,直至沉积至所需的含钪铝镁合金构件尺寸;
其中,在沉积第一层到第八层时,焊枪采用CMT+P模式,在沉积第八层以上时,焊枪采用CMT+PA模式。
在沉积第一层到第八层时,含钪铝镁合金丝材的送丝速度为9m/min,在沉积第八层以上时,含钪铝镁合金丝材的送丝速度为7m/min。
在沉积第一层到第六层时,焊枪的移动速度为0.6m/min,在沉积第六层以上时,焊枪的移动速度为0.7m/min。
沉积过程采用气保护装置进行防氧化和氮的污染。
沉积过程中,第一层至第六层沉积时熔化极气体保护焊的电流为0~300A。
沉积过程中,第一层至第六层沉积时熔化极气体保护焊的电压为0~55V。
沉积过程中,第七层至第八层沉积时熔化极气体保护焊的电流为0~300A。
沉积过程中,,第七层至第八层沉积时熔化极气体保护焊的电压为0~40V。
沉积过程中,第八层以后沉积时熔化极气体保护焊的电流为-330~330A。
沉积过程中,第八层以后沉积时熔化极气体保护焊的电压为-40~55V。
相邻的沉积层的温度差为50~200℃。
S6,采用水流覆盖增材制造的样品,水膜厚度0.5~2mm,;
S7,采用激光对样品表面进行冲击强化,激光功率为2.4J,光斑直径为2mm,搭接率为50%,冲击1次,完成含钪铝镁合金构件的制造。
其中,含钪铝镁合金构件的细晶晶粒度约为7.8um,最小直径可达2.5um。钪铝镁合金构件的粗晶晶粒度约为70.6um。含钪铝镁合金的孔隙率为0.070%,含钪铝镁合金的极细晶粒为85%~90%。
实施例1:
基于交流钨极氩弧焊电源,含钪铝镁合金丝材直径1.2mm,前8层成型时的送丝速度为9m/min,焊枪采用CMT+P模式,在8层后成型时的送丝速度为7m/min,焊枪采用CMT+PA模式,在前6层成型时的焊枪移动速度为0.6m/min,在6层后成型时的焊枪移动速度为0.7m/min,并且移动路径均为矩形摆动,控制层厚0.6~0.7mm,在铝合金基板上多层单道累加成形75mm高直臂墙。且将此墙体进行激光冲击强化,覆盖于样品的水膜厚度控制在0.5~1.5mm。激光能量设置为2.4J,光斑直径为2mm,搭接率设置为50%,冲击1次。依据GB-T228.1-2010测试样品力学性能,结果如图1所示。
对比例1:
基于交流钨极氩弧焊电源,含钪铝镁合金丝材直径1.2mm,在前6层成型时的焊枪移动速度为0.6m/min,在6层后成型时的焊枪移动速度为0.7m/min,并且移动路径均为矩形摆动,控制层厚0.6~0.7mm,在铝合金基板上多层单道累加成形75mm高直臂墙。且将此墙体进行激光冲击强化,覆盖于样品的水膜厚度控制在0.5~1.5mm。激光能量设置为2.4J,光斑直径为2mm,搭接率设置为50%,冲击1次。前8层成型时的送丝速度为9m/min,焊枪采用CMT+P模式,在8层后成型时的送丝速度为7m/min,焊枪采用CMT模式。性能对比图如图2所示。
对比例2:
基于交流钨极氩弧焊电源,含钪铝镁合金丝材直径1.2mm,前8层成型时的送丝速度为9m/min,焊枪采用CMT+P模式,在8层后成型时的送丝速度为7m/min,焊枪采用CMT+PA模式,在前6层成型时的焊枪移动速度为0.6m/min,在6层后成型时的焊枪移动速度为0.7m/min,并且移动路径均为矩形摆动,控制层厚0.6~0.7mm,在铝合金基板上多层单道累加成形75mm高直臂墙。且将此墙体进行激光冲击强化,覆盖于样品的水膜厚度控制在0.5~1.5mm。未进行激光冲击强化,性能对比图如图3所示。
本发明的创新点在于使用特定的打印策略来增强钪铝镁合金大型构件在非热处理态下的强度和力学性能,打印策略包括成形材料成分含量调控、成型步骤与参数。本发明非常适合于大型高强构件的快速成型。本分明利用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形,成型件几乎以超细晶粒构成,无各项异性,在非热处理状态下即可拥有高强性能。
Claims (10)
1.一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
采用铝合金板材作为基板,采用含钪铝镁合金丝材作为熔化极气体保护焊焊枪的增材;
开启焊枪,在基板上形成液态熔池,将含钪铝镁合金丝材送入液态熔池,含钪铝镁合金丝材熔化为液态,焊枪在熔池上方形成保护气氛,移动焊枪,使熔池凝固为固态;
持续移动焊枪,使第一层沉积完成;
提升焊枪,将第二层熔体沉积在第一层熔体上;
重复移动和提升焊枪,直至沉积至所需的含钪铝镁合金构件尺寸;
采用水流覆盖增材制造的样品;
采用激光对样品表面进行冲击强化,完成含钪铝镁合金构件的制造。
2.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,含钪铝镁合金丝材的直径为0.4mm~1.5mm,含钪铝镁合金丝材的钪含量为0.15%~0.45%。
3.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,移动焊枪进行每一层沉积时,沉积路径为三角锯齿状摆动路径。
4.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,在沉积第一层到第八层时,焊枪采用CMT+P模式,在沉积第八层以上时,焊枪采用CMT+PA模式。
5.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,在沉积第一层到第八层时,含钪铝镁合金丝材的送丝速度为9m/min,在沉积第八层以上时,含钪铝镁合金丝材的送丝速度为7m/min。
6.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,在沉积第一层到第六层时,焊枪的移动速度为0.6m/min,在沉积第六层以上时,焊枪的移动速度为0.7m/min。
7.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,激光对样品表面进行冲击强化时,激光功率为2.4J,光斑直径为2mm,搭接率为50%,冲击1次。
8.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,水流覆盖冲击前的样品时,水膜厚度0.5~2mm。
9.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,相邻的沉积层的温度差为50~200℃。
10.根据权利要求1所述的一种含钪铝镁合金的熔化极气体保护焊增材制造方法,其特征在于,含钪铝镁合金的孔隙率为0.070%,含钪铝镁合金的极细晶粒为85%~90%。
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PB01 | Publication | ||
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