本發(fā)明涉及金屬材料增材制造的，特別是一種適用于電弧增材制造鋁銅合金絲材及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鋁銅合金具有良好的高低溫力學(xué)性能、良好的耐蝕性能和焊接性能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制造運(yùn)載火箭貯箱、過渡環(huán)和框梁等承載結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有大尺寸復(fù)雜鋁銅合金構(gòu)件生產(chǎn)工藝主要包括大規(guī)格鑄錠鑄造、均勻化熱處理、多向鍛開坯、沖孔、馬架擴(kuò)孔、環(huán)扎、變形熱處理、機(jī)加等，其生產(chǎn)過程繁雜，生產(chǎn)周期較長，制造成本高。隨著新一代裝備鋁合金構(gòu)件廣泛采用結(jié)構(gòu)/功能/性能一體化設(shè)計，原來分體式構(gòu)件變?yōu)檎w式，構(gòu)件力學(xué)性能一致性要求越來越高?，F(xiàn)有傳統(tǒng)制造技術(shù)已難以滿足其高效率、低成本、高性能制造需求。

2、電弧增材制造技術(shù)以三維切片模型為基礎(chǔ)，利用電弧將絲材熔化，沿規(guī)劃路徑逐層沉積制備毛坯構(gòu)件，再輔以少量機(jī)加工可制備大尺寸、高性能致密復(fù)雜構(gòu)件，非常適合大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備。國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)已驗(yàn)證了電弧增材制造鋁合金構(gòu)件的可行性。

3、電弧增材制造技術(shù)應(yīng)用的前提是高性能專用絲材的制備，保證電弧增材成形過程送絲穩(wěn)定、絲材熔滴過渡均勻、絲材成分和組織均勻，進(jìn)而確保電弧增材制造構(gòu)件化學(xué)成分、宏微觀組織和力學(xué)性能穩(wěn)定?，F(xiàn)有鋁銅合金絲材主要基于傳統(tǒng)焊接需求制備，絲材化學(xué)成分和組織均勻性較差，并未考慮電弧增材制造過程快速熔化/凝固/局部重熔/局部短時熱作用等復(fù)雜熱循環(huán)作用的影響。因此，迫切需要開發(fā)專門針對鋁銅合金電弧增材的專用絲材。

4、目前已公布的電弧增材制造用鋁銅合金絲材主要是通過降低雜質(zhì)元素含量(如fe、si等)，減少層間相析出，降低塑性各向異性。通過添加微量合金化元素(如ti、zr等)，形成al3(ti,zr)彌散質(zhì)點(diǎn)細(xì)化α-al基體，提升強(qiáng)度性能。但微量合金元素含量并未明確比例關(guān)系，并未綜合考慮微量合金化元素的綜合強(qiáng)化作用，易導(dǎo)致其含量超標(biāo)，形成金屬間化合物，降低鋁銅合金電弧增材成形構(gòu)件拉伸性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種適用于電弧增材制造鋁銅合金絲材及其制備方法。本發(fā)明所述的鋁銅合金絲材生產(chǎn)加工過程順暢，成分和組織均勻，適用于電弧增材制造。在本發(fā)明中，在調(diào)控微量合金元素含量的同時，添加凈化晶界元素ce，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，形成彌散分布析出相。經(jīng)電弧增材成形和固溶淬火時效熱處理后，構(gòu)件組織晶粒細(xì)小，強(qiáng)化相均勻分布，抗拉強(qiáng)度大于474mpa，屈服強(qiáng)度大于372mpa，延伸率大于15.5％，橫向和縱向無塑性各向異性。

2、第一方面，提供了一種適用于電弧增材制造鋁銅合金絲材，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比，成分為：銅cu：5.5～6.5％，錳mn：0.4～0.55％，鎂mg：≤0.02％，鋅zn：≤0.1％，釩v：0.3～0.4％，鈦ti：0.45～0.6％，鋯zr：0.3～0.45％，鈰ce：0.08～0.16％，鐵fe：≤0.08％，硅si：≤0.06％，其它單個雜質(zhì)元素：≤0.05％，其他雜質(zhì)元素合金：≤0.15％，余量為鋁al。

3、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，所述鋁銅合金絲材按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比的成分為：銅cu：5.5～6％，錳mn：0.5～0.55％，釩v：0.3～0.35％，鈦ti：0.45～0.5％，鋯zr：0.3～0.33％，鈰ce：0.08～0.10％。

4、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，所述鋁銅合金絲材按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比的成分為：銅cu：6～6.5％，錳mn：0.4～0.55％，釩v：0.35～0.4％，鈦ti：0.5～0.6％，鋯zr：0.33～0.4％，鈰ce：0.1～0.16％。

5、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比，ti：zr＝1.5:1。

6、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，所述鋁銅合金絲材在鋁基體內(nèi)形成有al3(ti,zr)相和ti2cu相。

7、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，鋁銅合金絲材用于電弧增材制造，在沉積態(tài)和固溶失效后均形成有θ(al2cu)組織。

8、第二方面，提供了一種如上述第一方面中的任意一種實(shí)現(xiàn)方式中所述的鋁銅合金絲材的制備方法，包括：

9、(1)配料：選取純al、al-cu中間合金、al-mn中間合金、al-fe中間合金、al-ce中間合金、al-zr中間合金、al-ti中間合金，按成分比例進(jìn)行配比；

10、(2)合金熔煉：將所配制金屬原料進(jìn)行真空熔煉，熔煉溫度為750～850℃，熔煉時間為2～3h；

11、(3)半連續(xù)鑄造：待熔體靜置后，將其進(jìn)行連鑄加工，連續(xù)鑄造速度為200-250mm/min，得到鑄錠；

12、(4)均勻化處理：將鑄錠放入退火爐進(jìn)行均勻化處理，升溫至540～550℃后保溫，得到均質(zhì)化的鑄錠；

13、(5)鑄錠表面加工處理：對均質(zhì)化鑄錠進(jìn)行表面車削加工處理，除去表面氧化皮和油污，表面粗糙度ra<3.2，得到表面加工處理的鑄錠；

14、(6)熱擠壓加工：將表面加工處理的鑄錠進(jìn)行擠壓加工，擠壓速度為12～14mm/s，得到直徑為φ8～10mm棒材；

15、(7)拉拔加工：將所制備的棒材進(jìn)行多次拉拔加工和退火加工處理，制備得到直徑為φ1.29mm絲材；

16、(8)刮削處理：將制備的絲材進(jìn)行刮削剝皮處理，剝皮厚度為0.06-0.1mm，除去表面氧化膜，得到實(shí)心絲材；

17、(9)超聲波清洗處理：將實(shí)心絲材進(jìn)行超聲波清洗處理，清洗時間為10-15min，并烘干。

18、結(jié)合第二方面，在第二方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，步驟(3)中冷卻速率為100-120k/s。

19、結(jié)合第二方面，在第二方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，步驟(3)中靜置時間為20-30min。

20、結(jié)合第二方面，在第二方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，步驟(4)中均勻化時間為25-30h。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方案至少包括以下有益技術(shù)效果：

22、1.本發(fā)明進(jìn)一步提高了mn元素含量，增加了t相數(shù)量，細(xì)化α-al基體晶粒。增加了v元素含量，進(jìn)一步降低鋁銅合金熱裂紋敏感性，提升了電弧增材制造構(gòu)件防開裂能力和后續(xù)固溶淬火防開裂能力。

23、2.本發(fā)明調(diào)整了ti和zr元素含量比例，對于基體晶粒細(xì)化抑制再結(jié)晶和防止開裂晶間相形成效果明顯。

24、3.本發(fā)明添加了ce元素，可促進(jìn)基體形核和增加球狀界面生長穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)al13fe相變質(zhì)，改善合金強(qiáng)度和塑性。

25、4.本發(fā)明所述的鋁銅合金絲材經(jīng)電弧增材成形和固溶時效熱處理后，構(gòu)件抗拉強(qiáng)度為475～505mpa，屈服強(qiáng)度367～394mpa，延伸率為13.2～16.4％，且橫向和縱向無塑性各向異性，滿足航空航天使用需求。

技術(shù)特征：

1.一種適用于電弧增材制造鋁銅合金絲材，其特征在于，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比，成分為：銅cu：5.5～6.5％，錳mn：0.4～0.55％，鎂mg：≤0.02％，鋅zn：≤0.1％，釩v：0.3～0.4％，鈦ti：0.45～0.6％，鋯zr：0.3～0.45％，鈰ce：0.08～0.16％，鐵fe：≤0.08％，硅si：≤0.06％，其它單個雜質(zhì)元素：≤0.05％，其他雜質(zhì)元素合金：≤0.15％，余量為鋁al。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，所述鋁銅合金絲材按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比的成分為：銅cu：5.5～6％，錳mn：0.5～0.55％，釩v：0.3～0.35％，鈦ti：0.45～0.5％，鋯zr：0.3～0.33％，鈰ce：0.08～0.10％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，所述鋁銅合金絲材按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比的成分為：銅cu：6～6.5％，錳mn：0.4～0.55％，釩v：0.35～0.4％，鈦ti：0.5～0.6％，鋯zr：0.33～0.4％，鈰ce：0.1～0.16％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比，ti：zr＝1.5:1。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，所述鋁銅合金絲材在鋁基體內(nèi)形成有al3(ti,zr)相和ti2cu相。

6.根據(jù)權(quán)利要求1至3、5中任一項(xiàng)所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，鋁銅合金絲材用于電弧增材制造，在沉積態(tài)和固溶失效后均形成有θ(al2cu)組織。

7.一種如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的鋁銅合金絲材的制備方法，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，步驟(3)中冷卻速率為100-120k/s。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，步驟(3)中靜置時間為20-30min。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋁銅合金絲材，其特征在于，步驟(4)中均勻化時間為25-30h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于電弧增材制造鋁銅合金絲材及其制備方法。絲材按質(zhì)量百分比計：銅Cu：5.5～6.5％，錳Mn：0.4～0.55％，鎂Mg：0.02％，鋅Zn：0.1％，釩V：0.3～0.4％，鈦Ti：0.45～0.6％，鋯Zr：0.3～0.45％，鈰Ce：0.08～0.16％，鐵Fe：0.08％，硅Si：0.06％，余量為鋁Al或雜質(zhì)。按上述合金成分比例原料經(jīng)過配料、合金熔煉、半連續(xù)鑄造、均勻化處理、鑄錠表面加工處理、熱擠壓拉拔加工等制備高質(zhì)量鋁銅合金絲材，經(jīng)電弧增材制造和固溶時效后，試樣抗拉強(qiáng)度大于474MPa，屈服強(qiáng)度大于372MPa，延伸率大于15.5％，橫向和縱向無塑性各向異性。

技術(shù)研發(fā)人員：謝勇,張睿澤,馮晨,鮑曉通,羅志偉,王福德,劉琦,卓航,馬麗翠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：首都航天機(jī)械有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8