本發(fā)明屬于增材制造，涉及兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法。

背景技術：

1、當前電弧增材(waam)成形2219鋁合金屈服強度偏低，尚不能滿足大型輕質(zhì)高強鋁合金關鍵承力構件制造需求。waam成形2219鋁合金殼體通常具有環(huán)筋、加強肋等特征結構，難以整體進行冷變形，一般只能采用t6熱處理。通過優(yōu)化成形工藝和熱處理制度，當前生產(chǎn)的2219鋁合金產(chǎn)品本體屈服強度最高達300mpa，距關鍵承力構件要求的350mpa屈服強度還有較大差距。這一問題已成為制約waam技術在航天高強鋁合金關鍵承力構件中應用的瓶頸。

2、采用合金化、微合金化方法研制waam用al-cu合金，提升waam構件的強度，是突破上述瓶頸問題最具前景的技術途徑之一，但面臨低開裂敏感性、高強韌性高強鋁合金成分設計難題。waam過程具有非均勻快速加熱與冷卻、多頻次熱循環(huán)等特點，在成形能量/質(zhì)量輸入、結構形狀等因素影響下，會造成不同程度的宏-微觀偏析、熱裂紋、微觀組織及性能不均勻等問題，針對這些問題匹配設計的waam用高強鋁合金尚屬空白。

3、針對這一難題，需要研究一種兼顧熱裂敏感性與強度的電弧增材高強鋁合金成分設計方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提出兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，解決傳統(tǒng)al-cu-mn高強鋁合金電弧增材無法兼顧低熱裂敏感性與高強度的難題。

2、本發(fā)明解決技術問題的方案是：提出一種兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，包括以下步驟：

3、(1)計算al-cu-mn高強鋁合金標準成分的熱裂敏感性指標的基準值e0；

4、(2)以cu+cd+sc、cu+ag+mg+sc的元素含量作為變量，采用正交試驗設計方法，設計不同成分配比，計算每種成分配比下的熱裂敏感性指標e1，以e1小于1.1e0的成分配比作為高強鋁合金的優(yōu)選成分配比；

5、(3)針對步驟(2)選出的每一種高強鋁合金成分配比：制備成絲材，電弧增材成形單壁墻試板，并加工成平板環(huán)縫對接試片，進行拘束條件下的環(huán)焊縫焊接試驗；統(tǒng)計環(huán)焊縫凝固裂紋長度占焊縫總長度的比例，對不同成分高強鋁合金熱裂敏感性進行驗證，進而篩選出低熱裂敏感性成分配比；

6、(4)根據(jù)步驟(3)篩選出的成分配比中主、微合金元素摩爾分數(shù)比例，建立考慮微合金化元素作用的al-cu-mn-x合金時效析出動力學模型，計算時效過程中cu質(zhì)量分數(shù)和納米強化相半徑、數(shù)量及體積分數(shù)的變化；建立考慮固溶強化、第二相沉淀強化的屈服強度預測模型，以所述時效析出動力學模型的計算結果為輸入，計算屈服強度隨時效溫度、時間的變化，進而篩選出屈服強度滿足條件的成分配比，其中x表示cd+sc或者ag+mg+sc之一；

7、(5)綜合熱裂敏感性、屈服強度計算結果，通過電弧增材單壁墻試件測試高強鋁合金的力學性能，選出步驟(4)中力學性能符合要求的成分配比作為兼顧熱裂敏感性與強度的電弧增材用al-cu-mn高強鋁合金成分。

8、進一步的，計算al-cu-mn高強鋁合金標準成分的熱裂敏感性指標的基準值e0，具體包括：

9、采用thermal-calc熱力學軟件計算al-cu-mn合金標準成分下的凝固路徑，即溫度-固相質(zhì)量分數(shù)t-fs曲線，提取凝固末期固相質(zhì)量分數(shù)為0.9-0.99時，溫度-固相質(zhì)量分數(shù)平方根曲線t-fs0.5斜率絕對值的最大值|dt/d(fs0.5)|max，即凝固熱裂紋指標，作為該標準成分的熱裂敏感性指標的基準值e0。

10、進一步的，計算凝固路徑時的冷卻速度為100k/s，二次枝晶間距為10μm。

11、進一步的，計算每種成分配比下的熱裂敏感性指標e1，條件如下：

12、凝固末期固相質(zhì)量分數(shù)為0.9-0.99時，e1＝|dt/d(fs0.5)|max。

13、進一步的，所述篩選出低熱裂敏感性成分配比，具體為：

14、設步驟(2)選出的高強鋁合金成分配比所對應的環(huán)焊縫凝固裂紋長度占焊縫總長度的比例實測值為f1，高強鋁合金標準成分所對應的環(huán)焊縫凝固裂紋長度占焊縫總長度的比例的f0，篩選出f1小于1.1f0的成分配比。

15、進一步的，所述納米強化相包括：cd在界面偏聚、{100}α-al慣習面析出的al2cu過渡相θ'；ag-mg在界面二元偏聚、{111}α-al慣習面析出的類al2cu成分過渡相ω。

16、進一步的，建立考慮微合金化元素作用的al-cu-mn-x合金時效析出動力學模型，具體包括：

17、團簇孕育時間：t0＝f(c0)，其中c0是溶質(zhì)原子的初始摩爾濃度；

18、強化相形核率：j＝f(cm，ce(tm)，tm)，其中tm為時效溫度，cm為溶質(zhì)原子平均摩爾濃度，ce是平衡態(tài)的溶質(zhì)原子平均摩爾濃度，ce(tm)是在時效溫度tm下，平衡態(tài)的溶質(zhì)原子平均摩爾濃度；

19、強化相半徑：r＝f(t，t0，cm，cr(r(t-δt)，ce(tm))，ce(tm)，d(cm))，其中t是時效時間，d(cm)是與溶質(zhì)原子濃度相關的擴散系數(shù)，cr為析出相界面溶質(zhì)原子平衡濃度，δt為微小時間間隔，r(t-δt)是前δt時刻計算出的強化相半徑；

20、當cm≤cr時，強化相開始粗化，則r＝f(t，t0，tpa，ce(tm)，tm，d(cm)，r(tpa))，其中tpa為峰時效時間，即cm≤cr首次出現(xiàn)的時刻。

21、進一步的，建立考慮固溶強化、第二相沉淀強化的屈服強度預測模型，具體包括：

22、σy＝σ0+σss(cm)+σppt(t，t0，j，fv(t，t0，tpa，j，r))

23、其中σ0為合金固有強度(mpa)，σss為溶質(zhì)原子固溶強化貢獻(mpa)，σppt為第二相強化貢獻(mpa)，fv為析出相體積分數(shù)。

24、進一步的，篩選出屈服強度滿足條件的成分配比，具體為：

25、篩選出室溫屈服強度大于等于350mpa的成分配比。

26、進一步的，步驟(5)中所要測試的力學性能指標及對應的指標要求包括：

27、室溫條件下，平行于沉積方向和垂直于沉積方向：抗拉強度大于等于430mpa，屈服強度大于等于350mpa，斷后伸長率大于等于6％；

28、220℃高溫條件下，平行于沉積方向和垂直于沉積方向：抗拉強度大于等于350mpa、屈服強度大于等于330mpa、斷后伸長率大于等于6％。

29、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：

30、(1)通過本發(fā)明成分設計方法得到的al-cu-mn合金相比常規(guī)2219鋁合金，熱裂敏感性增加不超過10％；

31、(2)通過本發(fā)明成分設計方法得到的al-cu-mn合金相比常規(guī)2219鋁合金，屈服強度提升20％。

技術特征：

1.兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，計算al-cu-mn高強鋁合金標準成分的熱裂敏感性指標的基準值e0，具體包括：

3.根據(jù)權利要求2所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，計算凝固路徑時的冷卻速度為100k/s，二次枝晶間距為10μm。

4.根據(jù)權利要求2所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，計算每種成分配比下的熱裂敏感性指標e1，條件如下：

5.根據(jù)權利要求1所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，所述篩選出低熱裂敏感性成分配比，具體為：

6.根據(jù)權利要求1所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，所述納米強化相包括：cd在界面偏聚、{100}α-al慣習面析出的al2cu過渡相θ'；ag-mg在界面二元偏聚、{111}α-al慣習面析出的類al2cu成分過渡相ω。

7.根據(jù)權利要求1所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，建立考慮微合金化元素作用的al-cu-mn-x合金時效析出動力學模型，具體包括：

8.根據(jù)權利要求6所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，建立考慮固溶強化、第二相沉淀強化的屈服強度預測模型，具體包括：

9.根據(jù)權利要求1所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，篩選出屈服強度滿足條件的成分配比，具體為：

10.根據(jù)權利要求1所述的兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法，其特征在于，步驟(5)中所要測試的力學性能指標及對應的指標要求包括：

技術總結
本發(fā)明涉及兼顧熱裂敏感性和強度的電弧增材鋁合金成分設計方法：計算高強鋁合金標準成分的熱裂敏感性指標的基準值E0；以Cu+Cd+Sc、Cu+Ag+Mg+Sc的元素含量作為變量，采用正交試驗設計方法設計不同成分配比，計算每種成分配比下的熱裂敏感性指標E1，選出E1小于1.1E0的成分配比；對選出的每種高強鋁合金成分配比進行拘束條件下的環(huán)焊縫焊接試驗，篩選出低熱裂敏感性成分配比；計算屈服強度隨時效溫度、時間的變化，進一步篩選出屈服強度滿足條件的成分配比；通過電弧增材單壁墻試件測試高強鋁合金的力學性能，選出力學性能符合要求的成分配比作為最終高強鋁合金成分。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)Al?Cu?Mn高強鋁合金電弧增材無法兼顧低熱裂敏感性與高強度的難題。

技術研發(fā)人員：李權,王國慶,劉琦,趙衍華,馮晨,董鵬,王福德,梁曉康,于暘
受保護的技術使用者：首都航天機械有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8