一种电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织控制的方法
阅读说明：本技术 一种电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织控制的方法 (Method for controlling defects and structure of aluminum-lithium alloy manufactured by electric arc additive manufacturing ) 是由 王俊升 薛程鹏 郭跃岭 刘长猛 钱锋 唐水源 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织控制的方法,属于铝锂合金制备技术领域。所述方法采用轧制和热处理的组合工艺对利用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金进行处理,通过调控热处理以及轧制的步骤及工艺参数,有效减少了电弧增材制造过程中产生的孔洞,加速了沿晶界分布的粗大共晶组织的断裂、熔解,获得低孔洞率、细小共晶组织的微观组织,使电弧增材制造铝锂合金的力学性能得到显著提升,有利于扩大电弧增材制造铝锂合金的应用,而且该方法操作简单,生产效率高,具有很好的应用前景。(The invention relates to a method for controlling defects and structures of aluminum lithium alloy manufactured by electric arc additive manufacturing, and belongs to the technical field of aluminum lithium alloy preparation. The method adopts a combined process of rolling and heat treatment to process the aluminum-lithium alloy prepared by the arc fuse additive manufacturing technology, effectively reduces holes generated in the arc additive manufacturing process by regulating and controlling the steps and process parameters of the heat treatment and the rolling, accelerates the fracture and the melting of a coarse eutectic structure distributed along a grain boundary, obtains a microstructure with low hole rate and a fine eutectic structure, obviously improves the mechanical property of the aluminum-lithium alloy prepared by the arc additive manufacturing, is favorable for expanding the application of the aluminum-lithium alloy prepared by the arc additive manufacturing, and has the advantages of simple operation, high production efficiency and good application prospect.)
技术领域
本发明涉及一种电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织控制的方法，属于铝锂合金制备技术领域。
背景技术
铝锂合金具有优异的性能，例如低密度、高弹性模量、高比强度和刚度以及优异的耐腐蚀性，它已被广泛用于航空航天领域，并成为7×××系航空铝合金的主要替代材料之一，在航空航天领域有着广阔的应用前景。
电弧增材制造技术是将常规气体保护焊的方法改进并应用到增材制造领域，通过同步送丝熔化的方式进行材料/构件一体化快速成形，具有成形自由度高、熔敷效率高、原料利用率高等材料制备优势，非常有潜力实现轻质高性能铝锂合金复杂结构件的快速成形。由于铝锂合金比纯铝或其他铝合金更容易吸氢，氢溶解度更大，导致铝锂合金在电弧增材制造过程中产生大量气孔等缺陷；并且高能电弧熔丝成形过程中形成瞬间小尺寸熔池和快速移动温度场，铝锂合金发生快速非平衡凝固过程，合金显微组织复杂且控制难度较大，从而恶化了电弧增材制造技术所制备的铝锂合金的性能，大大限制了电弧增材制造铝锂合金的应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织控制的方法，能够有效减少电弧增材制造过程中产生的孔洞，而且优化其微观组织，从而能显著提高电弧增材制造铝合金的力学性能，满足航空航天领域的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织控制的方法，所述方法步骤如下：
(1)以铝锂合金丝材为原料，采用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金；
(2)将步骤(1)所制备的铝锂合金置于温度为480℃～530℃的热处理炉中，并保温20min～60min；
(3)在480℃～530℃下保温结束后，再将铝锂合金放置在轧机上进行变形量为20％～50％的轧制；
(4)轧制结束后，再将铝锂合金放置在温度为500℃～550℃的热处理炉中，并保温1h～4h；
(5)在500℃～550℃下保温结束后，再将铝锂合金置于10℃～30℃的水中或油中进行淬火处理；
(6)先将淬火处理后的铝锂合金置于温度为100℃～150℃的热处理炉中，保温3h～5h后，再将热处理炉继续加热至180℃～200℃并保温3h～5h；
(7)在180℃～200℃下保温结束后，再将铝锂合金置于空气中进行冷却，即完成对电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织的控制处理。
进一步地，步骤(3)中，优选在5s～60s内将铝锂合金从480℃～530℃的热处理炉转移到轧机上进行轧制。
进一步地，步骤(3)中，优选在5min～10min内完成铝锂合金的轧制。
进一步地，步骤(5)中，优选在5s～60s内将铝锂合金从500℃～550℃的热处理炉转移到10℃～30℃的水中或油中。
进一步地，步骤(5)中，淬火处理的时间优选10min～180min。
进一步地，步骤(6)中，热处理炉的升温速率优选5℃/min～20℃/min。
进一步地，步骤(7)中，优选在5s～60s内将铝锂合金从180℃～200℃的热处理炉转移到空气中。
进一步地，步骤(1)中，采用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金时，优选如下工艺参数：铝锂合金丝材直径1mm～4mm，电弧电流100A～300A，电弧长度5mm～10mm，扫描速度100mm/min～500mm/min，送丝速度200mm/min～400mm/min，送丝角度10°～70°，脉冲频率2Hz～5Hz。
进一步地，所述铝锂合金的化学成分及各化学成分的质量百分数如下：Li 0.5％～2.0％，Cu 1.0％～5.0％，Mg 0.1％～0.8％，Zr 0.1％～0.5％，Ag 0.1％～0.6％，Zn0.1％～1.0％，Mn 0.001％～0.005％，Ti 0.01％～0.08％，余量为Al。
有益效果：
本发明通过轧制和热处理的组合工艺，有效减少了电弧增材制造过程中产生的孔洞，加速了沿晶界分布的粗大共晶组织的断裂、熔解，获得低孔洞率、细小共晶组织的微观组织，使电弧增材制造铝锂合金的力学性能得到显著提升，有利于扩大电弧增材制造铝锂合金的应用。同时，本发明所述方法设备操作简单，生产效率高。
附图说明
图1为实施例1步骤(1)采用电弧熔丝增材制造技术制备的铝锂合金的微观组织扫描电子显微镜图。
图2为实施例1步骤(7)冷却后铝锂合金的孔洞扫描电子显微镜图。
图3为实施例2步骤(7)冷却后铝锂合金的孔洞扫描电子显微镜图。
图4为实施例3步骤(7)冷却后铝锂合金的孔洞扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
(1)以铝锂合金丝材为原料，采用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金；
其中，电弧熔丝增材制造技术的工艺参数如下：铝锂合金丝材直径1mm，电弧电流100A，电弧长度5mm，扫描速度100mm/min，送丝速度200mm/min，送丝角度20°，脉冲频率2Hz；
(2)先将热处理炉预热至480℃，再将步骤(1)所制备的铝锂合金置于预热好的热处理炉中，并保温20min；
(3)在480℃下保温结束后，在10s内将铝锂合金从热处理炉中取出并转移至轧机上，在5min内完成铝锂合金变形量为20％的轧制；
(4)轧制结束后，再将铝锂合金放置在已预热至温度为500℃的热处理炉中，并保温1h；
(5)在500℃下保温结束后，在5s内将铝锂合金从热处理炉转移到20℃的水中进行淬火处理；
(6)淬火处理1h后，再将铝锂合金置于已预热至温度为120℃的热处理炉中，保温3h后，以5℃/min的升温速率再将热处理炉加热至180℃并保温3h；
(7)在180℃下保温结束后，在5s内将铝锂合金从热处理炉中取出置于空气中，在空气中冷却至室温，即完成对电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织的控制处理。
本实施例所制备的铝锂合金的化学成分及各化学成分的质量百分数如下：Li0.8％，Cu 1.5％，Mg 0.1％，Zr 0.1％，Ag 0.1％，Zn 0.1％，Mn 0.001％，Ti 0.01％，余量为Al。
从图1中可以看出，步骤(1)直接采用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金中，粗大网状白色共晶组织(Al2CuMg+Al2Cu)沿晶界分布，较大的孔洞在铝锂合金基体中随机分布。从图2中可以看出，经过步骤(2)～(7)处理后，铝锂合金中的粗大共晶相断裂、熔解为细条状或球状，共晶组织含量下降，孔洞数量密度下降，孔洞含量为0.8％，枝晶间共晶相组成为Al2CuMg+Al2Cu，共晶组织含量为1.0％。
参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(1)所制备的铝锂合金的抗拉强度264MPa，屈服强度191MPa，延伸率2.0％；测得步骤(7)冷却后的铝锂合金的抗拉强度375MPa，屈服强度295MPa，延伸率7.0％。
实施例2
(1)以铝锂合金丝材为原料，采用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金；
其中，电弧熔丝增材制造技术的工艺参数如下：铝锂合金丝材直径2mm，电弧电流150A，电弧长度7mm，扫描速度200mm/min，送丝速度250mm/min，送丝角度40°，脉冲频率3Hz；
(2)先将热处理炉预热至500℃，再将步骤(1)所制备的铝锂合金置于预热好的热处理炉中，并保温30min；
(3)在500℃下保温结束后，在10s内将铝锂合金从热处理炉中取出并转移至轧机上，在7min内完成铝锂合金变形量为30％的轧制；
(4)轧制结束后，再将铝锂合金放置在已预热至温度为520℃的热处理炉中，并保温2h；
(5)在520℃下保温结束后，在5s内将铝锂合金从热处理炉转移到20℃的水中进行淬火处理；
(6)淬火处理2h后，再将铝锂合金置于已预热至温度为130℃的热处理炉中，保温4h后，以10℃/min的升温速率再将热处理炉加热至190℃并保温4h；
(7)在190℃下保温结束后，在10s内将铝锂合金从热处理炉中取出置于空气中，在空气中冷却至室温，即完成对电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织的控制处理。
本实施例所制备的铝锂合金的化学成分及各化学成分的质量百分数如下：Li1.2％，Cu 2.5％，Mg 0.3％，Zr 0.3％，Ag 0.2％，Zn 0.3％，Mn 0.002％，Ti 0.03％，余量为Al。
从图3中可以看出，本实施例处理后的铝锂合金的扫描电子显微表征结果与实施例1类似，处理后铝锂合金中沿晶界分布的粗大网状白色共晶组织(Al2CuMg+Al2Cu)断裂、熔解为细条状或球状，共晶组织含量下降，孔洞数量密度急剧下降，孔洞含量为0.37％，枝晶间共晶相组成为Al2CuMg+Al2Cu，共晶组织含量为0.8％。
参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(1)所制备的铝锂合金的抗拉强度259MPa，屈服强度182MPa，延伸率1.5％；测得步骤(7)冷却后的铝锂合金的抗拉强度433MPa，屈服强度371MPa，延伸率6.0％。
实施例3
(1)以铝锂合金丝材为原料，采用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金；
其中，电弧熔丝增材制造技术的工艺参数如下：铝锂合金丝材直径3mm，电弧电流200A，电弧长度9mm，扫描速度400mm/min，送丝速度300mm/min，送丝角度60°，脉冲频率4Hz；
(2)先将热处理炉预热至510℃，再将步骤(1)所制备的铝锂合金置于预热好的热处理炉中，并保温40min；
(3)在510℃下保温结束后，在15s内将铝锂合金从热处理炉中取出并转移至轧机上，在9min内完成铝锂合金变形量为40％的轧制；
(4)轧制结束后，再将铝锂合金放置在已预热至温度为530℃的热处理炉中，并保温3h；
(5)在530℃下保温结束后，在5s内将铝锂合金从热处理炉转移到20℃的油(如二甲基硅油)中进行淬火处理；
(6)淬火处理1h后，再将铝锂合金置于已预热至温度为140℃的热处理炉中，保温5h后，以15℃/min的升温速率再将热处理炉加热至200℃并保温5h；
(7)在200℃下保温结束后，在15s内将铝锂合金从热处理炉中取出置于空气中，在空气中冷却至室温，即完成对电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织的控制处理。
本实施例所制备的铝锂合金的化学成分及各化学成分的质量百分数如下：Li1.6％，Cu 3.5％，Mg 0.5％，Zr 0.4％，Ag 0.4％，Zn 0.6％，Mn 0.003％，Ti 0.06％，余量为Al。
从图4中可以看出，本实施例处理后的铝锂合金的扫描电子显微表征结果与实施例1类似，处理后铝锂合金中沿晶界分布的粗大网状白色共晶组织(Al2CuMg+Al2Cu)断裂、熔解为细条状或球状，共晶组织含量下降，孔洞数量密度急剧下降，孔洞含量为0.01％，枝晶间共晶相组成为Al2CuMg+Al2Cu，共晶组织含量为0.6％。
参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(1)所制备的铝锂合金的抗拉强度250MPa，屈服强度180MPa，延伸率2.0％；测得步骤(7)冷却后的铝锂合金的抗拉强度443MPa，屈服强度374MPa，延伸率7.0％。
实施例4
(1)以铝锂合金丝材为原料，采用电弧熔丝增材制造技术制备铝锂合金；
其中，电弧熔丝增材制造技术的工艺参数如下：铝锂合金丝材直径4mm，电弧电流300A，电弧长度10mm，扫描速度500mm/min，送丝速度400mm/min，送丝角度70°，脉冲频率5Hz；
(2)先将热处理炉预热至530℃，再将步骤(1)所制备的铝锂合金置于预热好的热处理炉中，并保温60min；
(3)在530℃下保温结束后，在20s内将铝锂合金从热处理炉中取出并转移至轧机上，在10min内完成铝锂合金变形量为50％的轧制；
(4)轧制结束后，再将铝锂合金放置在已预热至温度为550℃的热处理炉中，并保温4h；
(5)在550℃下保温结束后，在5s内将铝锂合金从热处理炉转移到20℃的油(如二甲基硅油)中进行淬火处理；
(6)淬火处理1h后，再将铝锂合金置于已预热至温度为150℃的热处理炉中，保温5h后，以20℃/min的升温速率再将热处理炉加热至200℃并保温5h；
(7)在200℃下保温结束后，在20s内将铝锂合金从热处理炉中取出置于空气中，在空气中冷却至室温，即完成对电弧增材制造铝锂合金缺陷和组织的控制处理。
本实施例所制备的铝锂合金的化学成分及各化学成分的质量百分数如下：Li2.0％，Cu 5.0％，Mg 0.8％，Zr 0.5％，Ag 0.6％，Zn 1.0％，Mn 0.005％，Ti 0.08％，余量为Al。
本实施例处理后的铝锂合金的扫描电子显微表征结果与实施例1类似，处理后铝锂合金中沿晶界分布的粗大网状白色共晶组织(Al2CuMg+Al2Cu)断裂、熔解为细条状或球状，共晶组织含量下降，孔洞数量密度急剧下降，孔洞含量为0.005％，枝晶间共晶相组成为Al2CuMg+Al2Cu，共晶组织含量为0.5％。
参考标准GB/T228.1-2010，测得步骤(1)所制备的铝锂合金的抗拉强度260MPa，屈服强度182MPa，延伸率1.0％；测得步骤(7)冷却后的铝锂合金的抗拉强度441MPa，屈服强度370MPa，延伸率7.0％。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。