CN112440027B - 一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg 5.0％～15.0％、Cu 0.2％～3.0％、Mn 0.1％～1.0％，余量为Al；所述纳米增强相为纳米颗粒、纳米线、纳米管或纳米纤维，所述纳米增强相的材质为陶瓷、金属间化合物或金属。本发明通过对铝合金焊丝的成分进行合理设计，并引入纳米颗粒，将其用于电弧增材制造，打印所得的部件不需经过热处理即可以获得较好的力学性能，从而拓展电弧增材制造技术在铝合金领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝及其制备方法，属于金属材料、增材制造材料、材料制备技术领域。
背景技术
铝合金具有高的比强度、比刚度、疲劳强度和优异的耐腐蚀性能等优点，是实现结构轻量化的首选材料，在航空航天、汽车交通等领域具有广阔的应用。增材制造，又称3D打印，是采用软件对零件数字模型进行切分，将材料按照切分信息由二维轮廓逐层堆积制造出三维实体零件的新兴制造技术。该技术在铝合金零部件的制造上有广阔的应用前景，受到了广泛的关注。基于工作原理和热源类型的不同，增材制造技术主要包括激光增材制造技术、电子束增材制造技术、超声波增材制造技术和电弧增材制造技术等。其中，电弧增材制造是以电弧为载能束的增材制造技术，利用气体金属电弧焊、钨极气体保护焊或等离子弧焊等作为热源，逐层堆叠熔化丝材从而形成金属零件。相比于其他增材制造技术，电弧增材制造技术的沉积效率高、成型尺寸大、价格低廉，更适用于打印大型构件。
然而，目前可用于电弧增材制造的铝合金焊丝种类有限，现有铝合金焊丝经过电弧增材制造制成产品后，其打印零件的力学性能较差(如5xxx系铝合金焊丝)或者打印后需要经过热处理以提高零件的力学性能(如2xxx系铝合金焊丝)。这严重限制了电弧增材制造技术在大型铝合金构件制造上的应用，因为大型构件往往难以进行整体热处理。
蒋海涛等人(“退火温度对5B06铝合金电弧增材制造组织与力学性能的影响”)将直径为1.2mm的5B06铝合金焊丝用于电弧增材制造，并测试了打印试样的力学性能，结果表明，打印样品的强度较低，屈服强度只有220MPa，而抗拉强度仅为315MPa。
专利CN110340565A(一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法)开发了一种铝硅基焊丝，该焊丝用电弧增材制造技术制备的样品最终拉伸性能可以达到：屈服强度＞280MPa，抗拉强度＞350MPa，延伸率＞16％。然而，用该焊丝制造的电弧增材制造产品需要经过T6处理，才能达到所述的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝及其制备方法，通过对铝合金焊丝的成分进行合理设计，并引入纳米颗粒，将其用于电弧增材制造，制成的产品不需经过热处理即可以获得较好的力学性能，从而拓展电弧增材制造技术在铝合金领域的应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg 5.0％～15.0％、Cu0.2％～3.0％、Mn 0.1％～1.0％，余量为Al；所述纳米增强相为纳米颗粒、纳米线、纳米管或纳米纤维，所述纳米增强相的材质为陶瓷、金属间化合物或金属。
作为本发明所述复合材料的优选实施方式，所述陶瓷为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷中的至少一种，所述非氧化物陶瓷为碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳氮化物陶瓷中的至少一种。
作为本发明所述复合材料焊丝的优选实施方式，所述金属间化合物为Al3Ti、FeAl、AlNi中的至少一种。
作为本发明所述复合材料焊丝的优选实施方式，所述金属为钛、镍中的至少一种。
作为本发明所述复合材料焊丝的优选实施方式，所述纳米增强相在复合材料焊丝中的质量分数小于等于10％。
作为本发明所述复合材料焊丝的优选实施方式，所述纳米增强相的尺寸为30～300nm。当纳米增强相为颗粒状时，对其形状并没有严格的限制，可以为球形或非球形。对于非球形增强相，其尺寸通常指的是最大横截面的直径。当纳米增强相为一维形态，如纳米管、纳米线或纳米纤维时，所述纳米增强相的尺寸为径向尺寸。
作为本发明所述复合材料焊丝的优选实施方式，所述纳米增强相均匀地分布在基体合金中。
第二方面，本发明提供了上述复合材料焊丝的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)铸锭制备：将纯铝熔化，加入盐和纳米增强相的混合物；当盐熔化后，对熔体进行机械搅拌；搅拌完成后静置，然后除去熔体上层的熔盐和杂质；向熔体中依次加入纯Cu、纯Mg和Al-Mn中间合金，并添加精炼剂进行除气精炼；将精炼所得的熔体浇铸成铸锭；
(2)铸锭均匀化：将步骤(1)所得的铸锭进行均匀化处理，得到铸坯；
(3)铸坯挤压：对步骤(2)所得的铸坯进行挤压变形，制成线坯；
(4)线坯拉丝：对步骤(3)所得的线坯进行多道次拉丝，制成相应规格的丝材；
(5)丝材剥皮：对步骤(4)所得的丝材进行剥皮处理，去除丝材表面的氧化膜以及有机物杂质，最后得到用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，熔化温度为700～900℃，静置时间为10～20min，机械搅拌速率为100～500rpm，机械搅拌时间为10～60min；所述步骤(2)中，均匀化处理的温度为430～480℃，保温时间为12～24h；所述步骤(3)中，挤压温度为430～450℃，挤压比为50～80；所述步骤(4)中，每拉丝3-4次后进行一次去应力退火，退火温度为200～350℃，退火时间为0.5～3h；所述步骤(5)中，铝基复合材料焊丝的直径为0.8～2.4mm。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，盐为氯化物、氟化物、含氧化合物中的至少一种，盐和纳米增强相的混合物中纳米增强相所占的体积分数为3％～20％，精炼剂为MgCl2和KCl的混合物。
优选地，所述氯化物为LiCl、NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2中的至少一种，所述氟化物为CaF2、KF、NaF、MgF2、BaF2中的至少一种，所述含氧化合物为Na2B4O7、NaNO3、Na2CO3中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明在铝中复合添加多种固溶强化效果显著的合金元素，包括Mg、Cu和Mn，并通过控制各种元素的含量，使这些元素在经过增材制造后仍然主要固溶在铝基体中，从而最大限度地发挥合金元素的固溶强化作用；
(2)本发明在铝合金基体中引入纳米增强相，这些纳米增强相既可以直接作为增强相来强化合金，又可以在凝固过程中抑制枝晶的形成和晶粒的长大，从而在打印产品中形成细小的等轴晶组织；此外，纳米相还可以细化合金中不可避免出现的第二相，以上因素有利于提高增材制造产品的强度和塑性；
(3)本发明中引入纳米增强相的方法为熔盐辅助法，该方法引入的纳米增强相在基体中的分布比较均匀，且纳米增强相的尺寸均一性较好，从而有利于充分发挥纳米增强相的作用；
(4)本发明所提供的铝基复合材料焊丝应用于电弧增材制造时，打印的产品不需要经过热处理即可以使增材制造部件的屈服强度高于300MPa，抗拉强度高于350MPa。；
(5)本发明所提供的铝基复合材料焊丝尤其适用于大型构件的电弧增材制造。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg6.5％、Cu 1.4％、Mn 0.8％，余量为Al；所述纳米增强相为TiB2颗粒，尺寸为50～150nm，其在复合材料中的质量分数为1.5％。
本实施例铝基复合材料焊丝的制备方法为：根据基体合金的成分及TiB2颗粒的质量分数计算所需的纯Al、纯Mg、纯Cu、Al-Mn中间合金和TiB2颗粒的质量。将纯Al在800℃的温度下熔化，然后加入TiB2颗粒和盐的混合物，其中盐的组成为MgF2 27wt.％、CaF221wt.％和BaF2 52wt.％。当盐熔化后，对熔体进行机械搅拌，搅拌速率为250rpm，时间为20min。搅拌完成后，静置10min，然后除去熔体上层的熔盐和杂质。向熔体中依次加入称量好的纯Cu、纯Mg和Al-Mn中间合金，然后加入MgCl2+KCl精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体浇铸成铸锭。将铸锭进行均匀化处理，温度为450℃，保温时间为16h。然后将均匀化处理后的铸锭挤压成线坯，挤压温度为430℃，挤压比为60。对线坯进行9道次的拉丝，每拉丝3次后进行一次去应力退火，退火温度为300℃，时间为2h。最后对拉丝后的线材进行剥皮处理，制得直径为1.6mm的焊丝，即为铝基复合材料焊丝。
实施例2
一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg7.5％、Cu 1.8％、Mn 0.8％，余量为Al；所述纳米增强相为TiC颗粒，尺寸为40～200nm，其在复合材料中的质量分数为1.0％。
本实施例铝基复合材料焊丝的制备方法为：根据基体合金的成分及TiC颗粒的质量分数计算所需的纯Al、纯Mg、纯Cu、Al-Mn中间合金和TiC颗粒的质量。将纯Al在700℃的温度下熔化，然后加入TiC颗粒和盐的混合物，其中盐的组成为KCl 54wt.％、NaCl 12wt.％和NaF 4wt.％，CaCl2 30wt.％。当盐熔化后，对熔体进行机械搅拌，搅拌速率为300rpm，时间为15min。搅拌完成后，静置15min，然后除去熔体上层的熔盐和杂质。向熔体中依次加入称量好的纯Cu、纯Mg和Al-Mn中间合金，然后加入MgCl2+KCl精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体浇铸成铸锭。将铸锭进行均匀化处理，温度为450℃，保温时间为16h。然后将均匀化处理后的铸锭挤压成线坯，挤压温度为430℃，挤压比为60。对线坯进行9道次的拉丝，每拉丝3次后进行一次去应力退火，退火温度为300℃，时间为2h。最后对拉丝后的线材进行剥皮处理，制得直径为1.6mm的焊丝，即为铝基复合材料焊丝。
实施例3
一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg9.0％、Cu 2.5％、Mn 1.0％，余量为Al；所述纳米增强相为TiC颗粒，尺寸为40～200nm，其在复合材料中的质量分数为1.0％。
本实施例铝基复合材料焊丝的制备方法为：根据基体合金的成分及TiC颗粒的质量分数计算所需的纯Al、纯Mg、纯Cu、Al-Mn中间合金和TiC颗粒的质量。将纯Al在720℃的温度下熔化，然后加入TiC颗粒和盐的混合物，其中盐的组成为KCl 54wt.％、NaCl 12wt.％和NaF 4wt.％，CaCl2 30wt.％。当盐熔化后，对熔体进行机械搅拌，搅拌速率为300rpm，时间为15min。搅拌完成后，静置15min，然后除去熔体上层的熔盐和杂质。向熔体中依次加入称量好的纯Cu、纯Mg和Al-Mn中间合金，然后加入MgCl2+KCl精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体浇铸成铸锭。将铸锭进行均匀化处理，温度为450℃，保温时间为16h。然后将均匀化处理后的铸锭挤压成线坯，挤压温度为430℃，挤压比为60。对线坯进行9道次的拉丝，每拉丝3次后进行一次去应力退火，退火温度为300℃，时间为2h。最后对拉丝后的线材进行剥皮处理，制得直径为1.6mm的焊丝，即为铝基复合材料焊丝。
实施例4
一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg5.0％、Cu 0.2％、Mn 0.1％，余量为Al；所述纳米增强相为TiB2颗粒，尺寸为50～150nm，其在复合材料中的质量分数为5.0％。
本实施例铝基复合材料焊丝的制备方法同实施例1。
实施例5
一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg15.0％、Cu 3.0％、Mn 1.0％，余量为Al；所述纳米增强相为TiB2颗粒，尺寸为50～150nm，其在复合材料中的质量分数为10.0％。
本实施例铝基复合材料焊丝的制备方法同实施例1。
对比例1
一种铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg 6.5％、Mn 0.8％，余量为Al；所述纳米增强相为TiB2颗粒，尺寸为50～150nm，其在复合材料中的质量分数为1.5％。
本对比例铝基复合材料焊丝的制备方法为：根据基体合金的成分及TiB2颗粒的质量分数计算所需的纯Al、纯Mg、Al-Mn中间合金和TiB2颗粒的质量。将纯Al在800℃的温度下熔化，然后加入TiB2颗粒和盐的混合物，其中盐的组成为MgF2 27wt.％、CaF2 21wt.％和BaF2 52wt.％。当盐熔化后，对熔体进行机械搅拌，搅拌速率为250rpm，时间为20min。搅拌完成后，静置10min，然后除去熔体上层的熔盐和杂质。向熔体中依次加入称量好的纯Mg和Al-Mn中间合金，然后加入MgCl2+KCl精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体浇铸成铸锭。将铸锭进行均匀化处理，温度为450℃，保温时间为16h。然后将均匀化处理后的铸锭挤压成线坯，挤压温度为430℃，挤压比为60。对线坯进行9道次的拉丝，每拉丝3次后进行一次去应力退火，退火温度为300℃，时间为2h。最后对拉丝后的线材进行剥皮处理，制得直径为1.6mm的焊丝，即为铝基复合材料焊丝。
对比例2
一种铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg 7.5％、Cu 1.8％，余量为Al；所述纳米增强相为TiC颗粒，尺寸为40～200nm，其在复合材料中的质量分数为1.0％。
本对比例铝基复合材料焊丝的制备方法为：根据基体合金的成分及TiC颗粒的质量分数计算所需的纯Al、纯Mg、纯Cu和TiC颗粒的质量。将纯Al在700℃的温度下熔化，然后加入TiC颗粒和盐的混合物，其中盐的组成为KCl 54wt.％、NaCl 12wt.％和NaF 4wt.％，CaCl2 30wt.％。当盐熔化后，对熔体进行机械搅拌，搅拌速率为300rpm，时间为15min。搅拌完成后，静置15min，然后除去熔体上层的熔盐和杂质。向熔体中依次加入称量好的纯Cu和纯Mg，然后加入MgCl2+KCl精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体浇铸成铸锭。将铸锭进行均匀化处理，温度为450℃，保温时间为16h。然后将均匀化处理后的铸锭挤压成线坯，挤压温度为430℃，挤压比为60。对线坯进行9道次的拉丝，每拉丝3次后进行一次去应力退火，退火温度为300℃，时间为2h。最后对拉丝后的线材进行剥皮处理，制得直径为1.6mm的焊丝，即为铝基复合材料焊丝。
对比例3
一种铝基复合材料焊丝，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金包含如下质量百分比的组分：Mg 9.0％、Cu 2.5％、Mn1.0％，余量为Al。
本对比例铝基复合材料焊丝的制备方法为：根据合金的成分计算所需的纯Al、纯Mg、纯Cu和Al-Mn中间合金的质量。将纯Al在720℃的温度下熔化，然后向熔体中依次加入称量好的纯Cu、纯Mg和Al-Mn中间合金，然后加入MgCl2+KCl精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体浇铸成铸锭。将铸锭进行均匀化处理，温度为450℃，保温时间为16h。然后将均匀化处理后的铸锭挤压成线坯，挤压温度为430℃，挤压比为60。对线坯进行9道次的拉丝，每拉丝3次后进行一次去应力退火，退火温度为300℃，时间为2h。最后对拉丝后的线材进行剥皮处理，制得直径为1.6mm的焊丝，即为铝基复合材料焊丝。
效果例
应用MIG焊接热源，将实施例1～5和对比例1～3制备得到的铝基复合材料焊丝进行电弧增材制造，并对制造试样进行拉伸性能测试，结果如表1所示。
表1
由表1可知，实施例1～5在本发明的范围内，其制备得到的铝基复合材料焊丝经过增材制造后具有良好的屈服强度、抗拉强度和延伸率。对比例相对于实施例1，基体合金中不含Cu，其制备得到的铝基复合材料焊丝增材制造后的屈服强度、抗拉强度和延伸率不如实施例1；对比例2相对于实施例2，基体合金中不含Mn，其制备得到的铝基复合材料焊丝增材制造后的屈服强度、抗拉强度不如实施例2；对比例3相对于实施例3，未采用熔盐辅助法制备，其制备得到的铝基复合材料焊丝经过增材制造后的屈服强度、抗拉强度不如实施例3。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝的制备方法，其特征在于，所述复合材料焊丝包括基体合金和分布在所述基体合金中的纳米增强相，所述基体合金由如下质量百分比的组分组成：Mg 5.0%~15.0%、Cu 0.2%~3.0%、Mn 0.1%~1.0%，余量为Al；所述纳米增强相为纳米颗粒、纳米线、纳米管或纳米纤维，所述纳米增强相的材质为陶瓷、金属间化合物或金属；
所述复合材料焊丝的制备方法包括以下步骤：
（1）铸锭制备：将纯铝熔化，加入盐和纳米增强相的混合物；当盐在700~900℃熔化后，对熔体进行机械搅拌，机械搅拌速率为100~500rpm，时间为10~60min；搅拌完成静置10~20min，然后除去熔体上层的熔盐和杂质；向熔体中依次加入纯Cu、纯Mg和Al-Mn中间合金，并添加精炼剂进行除气精炼；将精炼所得的熔体浇铸成铸锭；
（2）铸锭均匀化：将步骤（1）所得的铸锭进行均匀化处理，得到铸坯；
（3）铸坯挤压：对步骤（2）所得的铸坯进行挤压变形，制成线坯，其中挤压温度为430~450℃，挤压比为50~80；
（4）线坯拉丝：对步骤（3）所得的线坯进行多道次拉丝，制成相应规格的丝材，其中，每拉丝3-4次后进行一次去应力退火，退火温度为200~350℃；
（5）丝材剥皮：对步骤（4）所得的丝材进行剥皮处理，去除丝材表面的氧化膜以及有机物杂质，最后得到用于电弧增材制造的铝基复合材料焊丝。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷为氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷中的至少一种，所述非氧化物陶瓷为碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳氮化物陶瓷中的至少一种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属间化合物为Al3Ti、FeAl、AlNi中的至少一种。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属为钛、镍中的至少一种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米增强相在复合材料中的质量分数小于等于10%。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米增强相的尺寸为30~300nm。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米增强相均匀地分布在基体合金中。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，均匀化处理的温度为430~480℃，保温时间为12~24h；所述步骤（4）中，退火的时间为0.5~3h；所述步骤（5）中，铝基复合材料焊丝的直径为0.8~2.4mm。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，盐为氯化物、氟化物、含氧化合物中的至少一种，盐和纳米增强相的混合物中纳米增强相所占的体积分数为3%~20%，精炼剂为MgCl2和KCl的混合物。
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