CN117444241A - 一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，通过层间塑性变形复合增材制造可获得具有细粗晶交替的组织特征，细粗晶组织的比例通过调节复合制造参数和/或热处理工艺参数来进行调控；所述复合制造参数包括增材热输入和/或层间塑性变形量；本发明结合了电弧熔丝增材制造技术、层间塑性变形工艺及后退火热处理工艺，通过改变增材制造热输入、变形量和后续退火温度及时间，可以实现对细粗晶组织比例的调控，能够获得力学性能更优的增材制造结构件。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料增材制造领域，具体涉及一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法。
背景技术
增材制造技术因加工速度快，材料消耗低和无需模具的限制，成为了航空航天制造的重要技术之一。增材制造技术可以直接通过三维数模进行分层切片，自下而上进行逐层堆叠打印，最终成形三维实体构件的数字化制造技术。电弧熔丝增材制造作为增材方式的一种，近些年收到了广泛的关注，电弧熔丝增材有沉积效率高、成本低、灵活性好等优势，在大型尺寸结构构件的制造有显著优势。由于电弧增材制造的零件存在初生粗大的柱状晶、残余应力和气孔缺陷等特点，使得增材制造出的零件力学性能并不高。因此，许多学者引入层间的塑性变形辅助增材制造，以达到细化组织、减少缺陷，改善增材制造零件的力学性能。
CN106735200A公开了一种金属结构件复合增材制造方法。该发明在激光增材制造加工完每一层后对层间结合界面采用超声振动锤击处理，将有效抑制增材制造产生的气孔，并提高结构件制造精度和力学性能。
CN114905053A公开了一种层间同步热捶复合增材制造方法。该发明通过层间的同步热捶，能够减少增材制造成形件的气孔、裂缝以及消除构件残余应力、减少变形，极大提高构件的力学性能。
CN114589381A公开了一种层间超声冲击复合CMT电弧增材制造方法。该发明通过层间超声冲击处理，有效消除残余拉应力并产生均匀塑性变形，从而调控初生粗大柱状晶的尺寸并改善构件机械性能的各向异性，以达到细化晶粒、减少缺陷，提升强度与塑性的效果。
目前层间塑性变形复合增材制造方面公开的专利主要集中在组织调控和提升力学性能的研究上。层间塑性变形复合增材制造的零件的显微组织会存在着细晶粒和粗晶粒交替的异质结构组织的现象，但并未有相关的专利报导。异质结构材料由于其优异的物理特性和高强度塑性等特点成为目前备受关注的焦点。目前，异质结构已广泛应用于镁、铝、铜、钛等合金和高熵合金中，并取得了卓越成效。目前在增材制造方面异质结构组织制造主要方法有：异种金属的增材制造、引入强化相的增材制造和层间冷塑性变形增材制造等方法。前两种方法由于是不同金属经过机械或冶金结合，无变形强化的引入，仅是组织的改变，在界面处易形成脆性金属间化合物，同时易产生冶金结合不良现象，会导致力学性能的下降。而采用冷变形+部分再结晶退火的方法能够较高效的制备不同晶粒尺寸呈现层状交替分布的异质结构组织。层间冷塑性变形(层间轧制、层间锤击)与每层沉积层热输入的引入相结合，在冷变形引入后形成了短时的原位热处理，构成了异质结构形成的条件，是制造异质结构的高效方式。且由于是单一金属的制造与加工硬化的引入，在冶金结合良好与加工硬化的共同作用，形成的异质结构组织能显著提升力学性能。基于此，本发明提供一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提出一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，结合了电弧熔丝增材制造技术、层间塑性变形工艺及后退火热处理工艺，通过改变增材制造热输入大小、变形量和退火温度及时间制备细粗晶交替的异质结构组织，并对细粗晶组织比例进行调控。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，通过层间塑性变形复合增材制造可获得具有细粗晶交替的组织特征，细粗晶组织的比例通过调节复合制造参数和/或热处理工艺参数来进行调控；所述热处理工艺参数包括退火温度和/或时间；所述复合制造参数包括增材热输入和/或层间塑性变形量；复合制造过程中层间塑性变形影响深度HD、再结晶影响深度HR和层间塑性变形后的单层平均层厚HA的关系具有以下不同情况，各情况下对细粗晶比例的调控方式为：
当HR<HA且HD<HA时，则通过调节增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HR>HA且HD>HA时，则得到全为细晶区的组织，无法通过增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HD<HA<HR时，则通过改变层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HR<HA<HD时，则通过调节增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控。
进一步地，所述的细粗晶比例为单层内细晶区与粗晶区深度的比值。
进一步地，所述HD必须大于重熔深度HM，如果小于重熔深度，层间变形的影响消失，则工艺就只是一般的增材制造工艺了，没有粗晶和细晶的划分了。
进一步地，所述层间塑性变形量为沿沉积方向进行层间塑性变形工艺复合增材制造后，单层沉积层的平均变形量。
进一步地，所述调控方法，具体步骤为：
A.开展层间塑性变形复合增材制造试验：在单层沉积制造后冷却至室温，引入层间塑性变形工艺达到所需变形量，随后再次进行单层沉积制造，重复交替进行完成复合增材制造试验，并对HD、HR、HM和HA这4个参数的值进行测量；
B.根据测量得到的HD、HR、HM和HA的值，确定HD是否大于重熔深度HM以及HD、HR和HA的关系，调节复合制造参数，即可调控细粗晶比例。
进一步地，还包括步骤C.将复合增材制造的铝合金样件进行退火处理：将复合增材制造样件放入热处理炉内退火，随后取出空冷，完成对细粗晶交替异构组织的调控。
进一步地，步骤B通过调节增材热输入来调整HR，通过调节层间塑性变形量来调整HD和HA，实现对异构组织内细粗晶比例的调控。
进一步地，增材制造热源可以是电弧(TIG、MIG和CMT)、激光或电子束中的一种。
进一步地，步骤A层间塑性变形工艺包括层间锤击、层间轧制、层间超声冲击和层间激光冲击强化中的一种，锤击设备为气锤、液压锤和电磁锤中的一种。
进一步地，步骤C所述的退火温度为180℃～240℃，保持在设定温度的±5℃范围，保温10～60min，直至完成退火工艺。
本发明的原理为：
层间塑性变形复合增材制造的零件的组织会出现细粗晶粒交替的现象，这种细晶粒与粗晶粒交替的周期性组织结构形成原理为：增材制造生成的晶粒尺寸较大，经过层间塑性变形工艺后晶粒内部产生大量位错生成亚晶，在后续层增材(沉积)热输入的作用下以亚晶为形核晶粒发生再结晶，从而晶粒尺寸明显减小。将发生再结晶的区域记为细晶区，未发生再结晶的区域记为粗晶区。单层细晶粒区的产生是层间塑性变形和后续层沉积热相互作用发生再结晶所导致的结果。因此，调节增材制造过程的热输入、变形量和后热处理等工艺参数能够改变细粗晶的比例，通过调节这三方面的工艺参数能够对细粗晶比例进行调控并改善力学性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，可通过调节层间塑性变形复合增材制造过程中的热输入、变形量和退火温度及时间，制造细粗晶交替的异质结构组织并对细粗晶的比例进行调控，可以有效减少铝合金增材制造的缺陷和细化组织，并显著改善力学性能，对提升增材制造铝合金结构件在航空航天工程的实际应用具有重要意义。
附图说明
图1为层间塑性变形复合增材制造过程示意图；
图2为HR、HD与HA之间关系对细粗晶异质结构组织影响的示意图；
图3为不同变形量下复合增材制造细粗晶粒异质结构组织的示意图；
图4为工艺调控下变形量为22％和48％复合增材制造的细粗晶异质结构组织的示意图；
图5为变形量为48％复合增材制造后，在不同退火温度后得到的细粗晶异质结构组织的示意图；
图6为不同工艺下的拉伸结果图。
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白，以下结合附图及实施例，对本发明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。
本发明提供一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，主要通过层间塑性变形复合增材制造(过程如图1所示)可以获得具有细粗晶交替的组织特征，细粗晶组织主要是由层间塑性变形复合增材制造过程引入的塑性变形和增材热输入交互作用所导致的，细粗晶组织的比例主要由HD(层间塑性变形影响深度：单层塑性变形工艺所引起的加工硬化深度)、HR(再结晶影响深度：后续层触发变形层再结晶的临界温度所对应的深度范围)和HA(层间塑性变形后的单层平均层厚)以及后续热处理工艺控制；因此，细粗晶组织的比例通过调节复合制造参数和/或热处理工艺参数来进行调控；所述热处理工艺参数包括退火温度和/或时间；所述复合制造参数包括增材热输入和/或层间塑性变形量；复合制造过程中层间塑性变形影响深度HD、再结晶影响深度HR和层间塑性变形后的单层平均层厚HA的关系具有四种不同情况，各情况下对细粗晶比例的调控方式为：
如图2所示，当HR<HA且HD<HA时，则通过调节增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HR>HA且HD>HA时，则得到全为细晶区的组织，无法通过增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HD<HA<HR时，则通过改变层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HR<HA<HD时，则通过调节增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控。
其中，所述的细粗晶比例为单层内细晶区与粗晶区深度的比值。
其中，所述HD必须大于HM(重熔深度：新层沉积时使上一层发生重熔的深度)，有细晶区说明HD大于重熔深度HM，否则是没有细晶区的。
其中，所述变形量为沿沉积方向进行层间塑性变形工艺复合增材制造后，单层沉积层的平均变形量。
所述调控方法，具体步骤为：
A.开展层间塑性变形复合增材制造试验：在单层沉积制造后冷却至室温，引入层间塑性变形工艺达到所需变形量，随后再次进行单层沉积制造，重复交替进行完成复合增材制造试验，并对HD、HR、HM和HA这4个参数的值进行测量；
其中，增材制造热源可以是电弧(TIG、MIG和CMT)、激光或电子束中的一种。
其中，层间塑性变形工艺包括层间锤击、层间轧制、层间超声冲击和层间激光冲击强化中的一种，锤击设备为气锤、液压锤和电磁锤中的一种；
B.根据测量得到的HD、HR、HM和HA的值，确定HD是否大于重熔深度HM以及属于四种情况中的哪种情况，调节复合制造参数，即可调控细粗晶比例；
通过调节增材热输入来调整HR，通过调节层间塑性变形量来调整HD和HA，实现对异构组织内细粗晶比例的调控。热源若采用CMT增材制造，可通过调节电压大小、电流大小、送丝速度、焊枪移动速度中的一种或几种方式调节增材热输入，变形若采用锤击，可通过调节锤击频率、锤击次数和锤头移动速度中的一种或几种调节层间塑性变形量。
还可以包括步骤C.将复合增材制造的铝合金样件进行退火处理：将复合增材制造样件放入热处理炉内退火，退火温度为180℃～240℃，保持在设定温度的±5℃范围，保温10～60min，直至完成退火工艺，随后取出空冷，完成对细粗晶交替异构组织的调控。
实施例1
一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，具体步骤如下：
(1)如图1所示，开展层间塑性变形复合增材制造试验：使用电弧增材制造复合层间锤击进行5B06铝合金的复合制造，确定最佳的电弧增材制造工艺参数为：电流95A，电压8.8V，送丝速度5.0m/min，焊枪移动速度10mm/s，氩气作为保护气体，直径为1.2mm的5B06铝合金供给丝材进行烘干处理后，填充进电弧熔丝增材制造系统进行增材制造；
(2)沉积制造单层并冷却至室温后，以气锤作为层间塑性变形设备，调节层间锤击处理设备，对已沉积部分进行层间锤击变形处理，进行一次锤击产生了22％的变形量，气锤头在机器人的控制下沿设定轨迹单道移动，在层间锤击处理过程中，气锤头以脉冲形式作用在已沉积层顶部；
(3)重复增材与层间锤击工艺步骤，最终完成零件的复合制造；
基于上述最佳增材制造工艺参数，进行系列层间塑性变形复合增材制造实验，取22％的变形量进行复合制造，在最佳增材参数和层间变形的交互作用下细晶区单层深度为1mm，即HR＝1mm；
变形量为22％试样的单层塑性变形工艺所引起的加工硬化深度经显微硬度测量得HD＝4.6mm>HA＝1.8mm，符合HR<HA<HD条件；在22％的变形量下细晶区与粗晶区在单层的比例约为1：1，如图3所示。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(2)中进行三次锤击产生了48％的变形量，其余步骤与实施例1相同，重复增材与层间锤击工艺步骤，最终获得48％变形量下的复合制造试样。
在与实施例1相同的增材参数和48％变形量的层间变形的交互作用下细晶区单层深度仍保持为1mm，即HR＝1mm；变形量为48％试样的单层塑性变形工艺所引起的加工硬化深度经显微硬度测量得HD＝9.2mm>HA＝1.2mm，符合HR<HA<HD条件，在48％的变形量下细晶区与粗晶区在单层的比例为4：1，如图3所示。
本发明实施例1、2中使用固定的增材参数，则热输入影响的深度不变，从而单层细晶粒区深度(单层再结晶深度)不变。随层间塑性变形参数的改变，变形量发生变化，会影响单层层厚。但由于单层细晶粒区深度不变，因此单层内的细晶粒区比例会发生变化。
实施例3
将实施例2的48％变形量下的复合制造试样放入热处理炉中分别进行两组不同温度的退火试验，第一组将复合制造试样从室温迅速升温到180℃，保温15min；第二组将复合制造试样从室温升温到240℃，保温15min。热处理结束后均取出空冷至室温。
对该变形量下复合制造试样进行不同温度退火的显微组织如图4所示，细晶区与粗晶区比例由未退火状态下的4：1在180℃退火温度下不变；在240℃退火温度下比例转变为1：5。显微组织如图5所示，细晶区晶粒细小，粗晶区晶粒尺寸较大。
本发明中制备的细粗晶交替的异质结构并非粗晶和细晶混合分布的，而是细晶区和粗晶区分层交替分布。如此一来，便形成了不同晶粒尺度的异质结构，这种具有不同比例的细粗晶交替排列的异质结构，具有性能强化的效果。
本发明各实施例得到的试样，取样进行拉伸试验，拉伸试样的制备及测试均按照GB/T228.1-2010标准进行，加载初始应变速率为2mm/min，结果如图6所示。实施例1变形量为22％的复合制造试样，经检测其抗拉强度370MPa，屈服强度279MPa，伸长率11.2％；实施例2变形量为48％的复合制造试样，经检测其抗拉强度401MPa，屈服强度295MPa，伸长率13.7％，达到同步强韧化效果；实施例3变形量为48％的复合制造试样经180℃退火，保温15min后，经检测其拉伸强度366MPa，屈服强度260MPa，伸长率29.2％；实施例3变形量为48％的复合制造试样经240℃退火，保温15min后，经检测其拉伸强度330MPa，屈服强度166MPa，伸长率26.3％。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：通过层间塑性变形复合增材制造可获得具有细粗晶交替的组织特征，细粗晶组织的比例通过调节复合制造参数和/或热处理工艺参数来进行调控；所述热处理工艺参数包括退火温度和/或时间；所述复合制造参数包括增材热输入和/或层间塑性变形量；复合制造过程中层间塑性变形影响深度HD、再结晶影响深度HR和层间塑性变形后的单层平均层厚HA的关系具有以下不同情况，各情况下对细粗晶比例的调控方式为：
当HR<HA且HD<HA时，则通过调节增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HR>HA且HD>HA时，则得到全为细晶区的组织，无法通过增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HD<HA<HR时，则通过改变层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控；当HR<HA<HD时，则通过调节增材热输入和/或层间塑性变形量对细粗晶比例进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：所述的细粗晶比例为单层内细晶区与粗晶区深度的比值。
3.根据权利要求1所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：所述HD必须大于重熔深度HM。
4.根据权利要求1所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：所述层间塑性变形量为沿沉积方向进行层间塑性变形工艺复合增材制造后，单层沉积层的平均变形量。
5.根据权利要求1所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：所述调控方法，具体步骤为：
A.开展层间塑性变形复合增材制造试验：在单层沉积制造后冷却至室温，引入层间塑性变形工艺达到所需变形量，随后再次进行单层沉积制造，重复交替进行完成复合增材制造试验，并对HD、HR、HM和HA这四个参数的值进行测量；
B.根据测量得到的HD、HR、HM和HA的值，确定HD是否大于重熔深度HM以及HD、HR和HA的关系，调节复合制造参数，即可调控细粗晶比例。
6.根据权利要求5所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：还包括步骤C.将复合增材制造的铝合金样件进行退火处理：将复合增材制造样件放入热处理炉内退火，随后取出空冷，完成对细粗晶交替异构组织的调控。
7.根据权利要求5所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：步骤B通过调节增材热输入来调整HR，通过调节层间塑性变形量来调整HD和HA，实现对异构组织内细粗晶比例的调控。
8.根据权利要求5所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：增材制造热源为电弧、激光或电子束中的一种。
9.根据权利要求5所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：步骤A层间塑性变形工艺包括层间锤击、层间轧制、层间超声冲击和层间激光冲击强化中的一种，锤击设备为气锤、液压锤和电磁锤中的一种。
10.根据权利要求6所述的一种具有细粗晶交替组织特征的铝合金异质结构调控方法，其特征在于：步骤C所述的退火温度为180℃～240℃，保温10～60min。
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