权利要求
1.一种高强免固溶处理的电弧增材用
铝合金丝材，该合金丝材的成分及各组分质量百分比为：Zn 4.5～6.6%，Mg 1.8～2.6%，纳米陶瓷颗粒2.0～5.5%，Cu 0.25～0.60%，Zr 0.10～0.20%，Ti 0.03～0.10%以及Mn 0.15～0.45%，Cr 0.10～0.25%，Sc 0.05～0.25%中的任意1～3种，杂质元素Si≤0.10%,Fe≤0.12%，其它杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高强免固溶处理的电弧增材用铝合金丝材，该合金丝材的成分及各组分质量百分比为：Zn 4.8～5.5%，Mg 1.9～2.4%，纳米陶瓷颗粒2.5～5.0%，Cu0.30～0.55%，Zr 0.12～0.18%，Ti 0.03～0.08%。
3.如权利要求1所述的高强免固溶处理的电弧增材用铝合金丝材的制备方法，特征在于：所述包括以下几个步骤：
步骤1、根据铝合金组分配料，其中，Cr、Mn、Sc可选择一种、二种或三种同时加入，Al、Mg、Zn、Cu以纯金属方式加入，其他元素以中间合金方式加入;纳米陶瓷颗粒总量分为三部分，分三个阶段加入;
将纯
铝锭在熔炼炉内进行熔化，加入除Mg以及纳米陶瓷颗粒之外的合金元素，加热至750～800℃，充分熔化后在电磁搅拌状态下保温15～45min，保温完毕后降温至730～745℃加入纯镁，然后保持电磁搅拌状态下加入第一部分纳米陶瓷颗粒，充分熔化;
然后进行炉内精炼，精炼时加入第二部分纳米陶瓷颗粒，此时金属温度维持在720℃～735℃范围，精炼完毕后调整成分得到合金液，全过程保持搅拌开启;
步骤2、将所述合金液导入铸造系统，进行在线精炼及过滤，在此过程中加入剩余的纳米陶瓷颗粒，浇铸过程中金属合金液温度保持在690℃～710℃温度范围内，浇铸过程中保持搅拌处理;制备成Φ100～480mm的圆锭;
步骤3、对圆锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺，第一级温度为400～430℃，第二级均匀化温度为468～478℃;
步骤4、将所述圆锭扒皮处理后，制备成直径Φ1.2mm～4.0mm的光亮丝材。
4.根据权利要求3所述的制备方法，特征在于：步骤1中纳米陶瓷颗粒以含有25%～60%重量百分比纳米陶瓷颗粒的铝基复合丝材的方式加入，能够使成分更加均匀。
5.根据权利要求3所述的制备方法，特征在于：所述纳米陶瓷颗粒分三个阶段加入具体的含量为;第一阶段占所述铝合金成分中纳米陶瓷颗粒总含量的60～80%，第二阶段占总量15～30%，第三阶段加入剩余的纳米陶瓷颗粒。通过分批次定量加入纳米陶瓷颗粒，结合熔炼、均匀化等工艺，使该合金在不进行固溶时效处理而仅通过退火处理后，可达到高的强度。
6.根据权利要求3所述的制备方法，特征在于：步骤2中通过在线加入的方式加入剩余的纳米陶瓷颗粒。
7.根据权利要求3所述的制备方法，特征在于：步骤4)中丝材制备方式为：在加热炉内加热后进行挤压/连续轧制，中间退火，连续冷拉拔。
8.根据权利要求7所述的制备方法，特征在于：步骤4)中用于挤压/连续轧制棒材初始直径Φ90～450mm，棒材加热温度390～440℃，加热方式为空气循环炉加热，加热时间4～8h，中间退火工艺为：退火温度为300～360℃，保温时间1～3h，随炉空冷至120℃以下后出炉空冷。
9.根据权利要求3所述的制备方法，特征在于：步骤2浇铸过程中结晶器内采取电磁或者超声搅拌处理.。
10.根据权利要求3所述的制备方法，特征在于：所述纳米陶瓷颗粒是指平均粒径在5～50nm，种类为TiC、Al2O3、TiN、BN、SiC中的一种或多种。
11.一种高强免固溶处理的铝合金构件，所述构件采用权利要求1所述的丝材，通过电弧增材制造方式制备，特征在于：制备完毕后的构件进行退火处理，处理工艺为，360℃～400℃下保温0.5～2h，出炉空冷至室温。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于
铝合金材料领域，涉及一种电弧增材用Al-Zn-Mg-X系超高强铝合金丝材及其制备工艺以及制备所得构件。
背景技术
[0002]由于增材制造技术具有成形过程不受传统设计准则约束,材料利用率高,能够实现形状复杂零件的快速成形等优点，近些年来已经在航空、航天、兵器、电子、交通灯领域获得了广泛应用。在铝合金中，7xxx系铝合金由于其较高的强度和断裂韧度，良好的加工性能等特点，也以锻件、板材、挤压材等形式在上述领域广泛使用。为了缩短周期并降低制造成本，7xxx系铝合金增材制造成为现阶段航空、航天、兵器领域的研究热点。在铝合金的众多增材制造方法中，电弧增材制造可以使用常规电弧焊接设备，并以丝材为原材料，展现出成本低廉、原材料利用率高、制造效率高的特点。同时，制造过程无需使用充氩舱，在大尺寸结构的成型上显示出了独有的优势，已经在Al-Si、Al-Mg系合金中获得应用。然而，由于传统7xxx系铝合金成分特点，采取电弧增材制造过程中很容易产生裂纹、气孔等缺陷，而且电弧增材制造的7xxx系铝合金需要经过固溶时效处理之后才能获得较高的强度，对于结构复杂构件，固溶淬火处理很容易产生较大的淬火变形，导致尺寸外形难以满足使用要求;上述问题直接制约了7xxx系铝合金电弧增材制造技术的应用。为了解决这一问题，国内外众多研究者采取在7xxx系合金中引入少量陶瓷颗粒的方式来提高合金的焊接性能，极大改善了电弧增材制造构件的质量，但是由于陶瓷加入量有限(一般不超过1%)，还需要通过固溶时效处理才能获得较高的强度，仍无法解决复杂构件淬火变形的问题使用。
发明内容
[0003]本发明的目的是：针对航空、航天、兵器领域对于高强高冶金质量电弧增材铝合金构件的使用需求，提出一种电弧增材用高强免固溶时效处理铝合金丝材及其制备方法，使该合金在具有良好电弧增材制造工艺性能的同时，不通过固溶时效处理即可以获得较高的强度。
[0004]为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种高强免固溶处理的电弧增材用铝合金丝材，该合金丝材的成分及各组分质量百分比为：Zn 4.5～6.6%，Mg 1.8～2.6%，纳米陶瓷颗粒(NCP) 2.0～5.5%，Cu0.25～0.60%，Zr 0.10～0.20%，Ti 0.03～0.10%以及Mn 0.15～0.45%，Cr 0.10～0.25%，Sc0.05～0.25%中的任意1～3种，杂质元素Si≤0.10%,Fe≤0.12%，其它杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，余量为Al。
[0005]在优选的合金丝材成分中：Zn 4.8～5.5%，Mg 1.9～2.4%，纳米陶瓷颗粒(NCP)2.5～5.0%，Cu 0.30～0.55%，Zr 0.12～0.18%，Ti 0.03～0.08%。
[0006]另一方面提供所述的高强免固溶处理的电弧增材用铝合金丝材的制备方法，所述成分范围内的Al-Zn-Mg-X系超高强铝合金的制备方法，其步骤为：按照合金成分配比，对合金进行熔炼，制备成铸锭;铸锭均匀化处理后表面扒皮，加热后通过挤压/热连轧、中间退火、连续冷拉拔等方式制备成丝材。通过分批次加入纳米陶瓷颗粒，结合熔炼、均匀化等工艺，使纳米陶瓷颗粒均匀分布在铝合金中，并且在随后的电弧增材制造过程中作为凝固形核核心以及沉淀强化相，从而使采取该合金通过或电弧增材制备的构件在不进行固溶时效处理而仅通过退火处理后，同样有较高的强度。
[0007]具体地，所述方法包括以下几个步骤：
步骤1、根据铝合金组分配料，其中，Cr、Mn、Sc可选择一种、二种或三种同时加入，Al、Mg、Zn、Cu以纯金属方式加入，其他元素以中间合金方式加入;
将纯铝锭在熔炼炉内进行熔化，加入除Mg以及纳米陶瓷颗粒之外的合金元素，加热至750～800℃，充分熔化后在电磁搅拌状态下保温15～45min，保温完毕后降温至730～745℃加入纯镁，然后保持电磁搅拌状态下加入占总含量为60～80%的纳米陶瓷颗粒，充分熔化后除去表面浮渣;
然后进行炉内精炼，精炼时加入占总量15～30%的纳米陶瓷颗粒，此时金属温度维持在720～735℃范围，精炼完毕后调整成分并去除浮渣，全过程保持电磁搅拌开启;
步骤2、将精炼完毕并调整完成分的合金液导入铸造系统，进行在线精炼及过滤，在此过程中通过在线加入的方式在线加入占据总量5%～10%纳米陶瓷颗粒(剩余量)，浇铸过程中金属液温度保持在690～710℃温度范围内，浇铸过程中结晶器内采取电磁或者超声搅拌处理;制备成Φ100～480mm的圆锭;
步骤3、对圆锭进行均匀化处理，处理时采取双级加热工艺，第一级温度为400～430℃，第二级均匀化温度为468～478℃;
步骤4、将均匀化处理后的所述圆锭扒皮处理后，制备成直径Φ1.2mm～4.0mm的光亮丝材。
[0008]步骤1中纳米陶瓷颗粒以含有25%～60%重量百分比纳米陶瓷颗粒的铝基复合丝材的方式加入，能够使成分更加均匀。
[0009]所述纳米陶瓷颗粒分三个阶段加入具体的含量为：第一阶段占所述铝合金成分中纳米陶瓷颗粒总含量的60～80%，第二阶段占总量15～30%，第三阶段加入剩余的纳米陶瓷颗粒。
[0010]通过分批次定量加入纳米陶瓷颗粒，结合熔炼、均匀化等工艺，使纳米陶瓷颗粒均匀分布在铝合金中，并且在随后的电弧增材制造过程中作为凝固形核核心以及沉淀强化相，从而使采取该合金通过或电弧曾材制备的构件在不进行固溶时效处理而仅通过退火处理后，同样达到高强度(≥500MPa)。
[0011]步骤4)中丝材制备方式为：在加热炉内加热后进行挤压/连续轧制，中间退火，连续冷拉拔。
[0012]步骤4)中用于挤压/连续轧制棒材初始直径Φ90～450mm，棒材加热温度390～440℃，加热方式为空气循环炉加热，保温时间4～8h，中间退火工艺为：退火温度为300～360℃，保温时间1～3h，随炉空冷至120℃以下后出炉空冷。
[0013]纳米陶瓷颗粒是指平均粒径在5～50nm，种类为TiC、Al2O3、TiN、BN、SiC中的一种或多种。
[0014]一种高强免固溶处理的铝合金构件，所述构件采用权利要求1所述的丝材，通过电弧增材制造方式制备，制备完毕后的构件进行退火处理，处理工艺为，360℃～400℃下保温0.5～2h，出炉空冷至室温。
[0015]优选地，步骤1中在保温炉内进行炉内精炼。
[0016]优选地，步骤3在空气循环炉内对铸锭进行均匀化处理。
[0017]本发明的有益效果是：
1、本发明针对航天、航空、兵器等领域对电弧增材用超高强铝合金构件的使用需求，发明一种电弧增材用高强免固溶时效处理铝合金及其制备方法，通过合理设计主合金元素以及微合金化元素的成分，并引入适量纳米陶瓷颗粒的方式获得具有优良增材制造性能和退火后具有较高强度7xxx系铝合金。同时，针对合金的成分特点开发了铸锭的熔铸、均匀化以及丝材制备工艺，使合金中加入的较高质量分数的纳米陶瓷颗粒均匀分布在合金内部，从而可以细化合金晶粒组织，并在电弧增材制造过程中作为形核核心以及沉淀强化相抑制电弧增材制造过程中的热裂、成分偏析以及晶粒长大，使其在退火状态下获得较高的强度(≥500MPa)。
[0018]2、本发明方法工艺简单，在现有的铝合金熔铸设备，丝材的挤压、轧制、拉拔设备上就可完成工业化制备;不需要通过固溶时效处理，可实现铝合金构件的高效率工业化批量制备与应用。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为纳米陶瓷颗粒分批加入后的铸锭形貌图;
图2为纳米陶瓷颗粒一次性加入后的铸锭形貌图;
图3为不同断口形貌;其中(a)为纳米陶瓷颗粒一次性加入后断口平齐呈现出明显的脆性断口形貌，(b)为典型的杯锥状塑性断裂。
具体实施方式
[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
[0023]在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
[0024]实施例1
采用本发明所涉及的一种电弧增材用高强免固溶时效处理铝合金及其制备方法，所对应的合金成分及重量百分比为：Zn 5.1%，Mg 2.2%，Cu 0.45%，Ti 0.04%，Mn 0.22%，Zr0.12%，Si 0.08%，Fe 0.12%，余量为Al;所用纳米陶瓷颗粒为平均粒径在20～25nm，体积比为1:1的TiC与TiN混合颗粒，纳米陶瓷颗粒添加量为3.0%(重量百分比)。
[0025]按照成分配比加入纯铝、纯
锌、纯
铜、Al-Zr、Al-Ti、Al-Mn中间合金，放入熔炼炉内加热至充分熔化，然后将温度控制在800℃，电磁搅拌状态下保温20min，降温至735℃加入纯镁充分溶解后扒渣干净，然后在电磁搅拌状态下加入纳米陶瓷颗粒含量为50%(重量百分比)的铝基陶瓷颗粒复合丝材，按照纳米陶瓷颗粒总加入量的70%加入，充分熔化后扒渣干净，导入保温炉内在725℃对金属液进行精炼，精炼过程中再次通过铝基陶瓷颗粒复合丝材的方式加入占总加入量20%的纳米陶瓷颗粒。精炼完毕后，炉前调控成分至设计值，除净表层浮渣将铝液转移至浇铸系统，全过程保持电磁搅拌开启。
[0026]在经过在线除气、在线过滤后，采取铝基陶瓷颗粒复合丝材方式在线加入占总加入量10%的纳米陶瓷颗粒，浇铸过程中金属液温度保持在695℃，在结晶器内采取电磁搅拌处理，浇铸成Φ310mm规格的圆锭;
将铸锭在空气循环炉内进行均匀化处理，采取双级均匀化，第一级为410℃/6～8h，第二级为473℃/20～30h;
将均匀化处理后的铸锭扒皮成Φ300mm的圆锭，放入空气循环炉内加热，加热温度400℃，保温5h，然后通过连续轧制的方式制备成直径Φ5.0mm的丝材，将丝材在340℃下保温1h，随炉空冷至120℃以下后出炉空冷至室温，然后通过连续拉拔的方式制备成Φ2.0mm的光亮丝材。
[0027]采用双丝MIG焊接方式将2.0mm的丝材增材制造成最大壁厚25mm的构件，制备完毕后进行退火处理，退火工艺为370℃保温0.5h，出炉空冷至室温。
[0028]从退火完毕的构件上取样，测量构件的拉伸性能，并与不加入纳米陶瓷颗粒的基体铝合金T7452状态锻件进行对比，可以发现，加入纳米陶瓷颗粒之后增材制造构件退火后的拉伸性能达到了500MPa以上，且与基体合金的T7452状态相当，具体如表1所示。
[0029]表1电弧增材制造构件与基体合金锻件性能对比
[0030]实施例二
采用本发明所涉及的一种电弧增材用高强免固溶时效处理铝合金及其制备方法，所对应的合金成分及重量百分比为：Zn 4.7%，Mg 2.0%，Cu 0.30%， Ti 0.05%，Cr 0.15%，Zr0.16%，Si 0.08%，Fe 0.10%，余量为Al;所用纳米陶瓷颗粒为平均粒径在5～15nm，体积比为2:1的TiC与SiC混合颗粒，纳米陶瓷颗粒添加量为4.5%(重量百分比)。
[0031]按照成分配比加入纯铝、纯锌、纯铜、Al-Zr、Al-Ti、Al-Cr中间合金，放入熔炼炉内加热至充分熔化，然后将温度控制在770℃，电磁搅拌状态下保温15min，降温至730℃加入纯镁充分溶解后扒渣干净，然后在电磁搅拌状态下加入纳米陶瓷颗粒含量为45%(重量百分比)的铝基陶瓷颗粒复合丝材，按照纳米陶瓷颗粒总加入量的65%加入，充分熔化后扒渣干净，导入保温炉内在720℃对金属液进行精炼，精炼过程中再次通过铝基陶瓷颗粒复合丝材的方式加入占总加入量30%的纳米陶瓷颗粒。精炼完毕后，炉前调控成分至设计值，除净表层浮渣将铝液转移至浇铸系统，全过程保持电磁搅拌开启。
[0032]在经过在线除气、在线过滤后，采取铝基陶瓷颗粒复合丝材方式在线加入占总加入量5%的纳米陶瓷颗粒，浇铸过程中金属液温度保持在700℃，在结晶器内采取电磁搅拌处理，浇铸成Φ210mm规格的圆锭;
将铸锭在空气循环炉内进行均匀化处理，采取双级均匀化，第一级为400℃/6～8h，第二级为475℃/20～26h;
将均匀化处理后的铸锭扒皮成Φ195mm的圆锭，放入空气循环炉内加热，加热温度425℃，保温4h，然后通过连续轧制的方式制备成直径Φ4.0mm的丝材，将丝材在340℃下保温1h，随炉空冷至120℃以下后出炉空冷至室温，然后通过连续拉拔的方式制备成Φ1.6mm的光亮丝材。
[0033]采用激光+MIG复合焊接方式将1.6mm的丝材增材制造成最大壁厚50mm的构件，制备完毕后进行退火处理，退火工艺为360℃保温1h，出炉空冷至室温。
[0034]从退火完毕的构件上取样，测量构件的三向拉伸性能，并与不加入纳米陶瓷颗粒的同厚度基体铝合金T7651状态厚板进行对比，可以发现，加入纳米陶瓷颗粒之后增材制造构件退火后三个方向的抗拉强度达到了500MPa以上，伸长率均高于11%，三向拉伸性能均高于基体的T7651状态，具体如表2所示。
[0035]表2电弧增材制造构件与基体合金板材性能对比
[0036]对比例1：
此外，在实施例1的基体合金成分基础上增加了重量百分比为3.0%的纳米陶瓷颗粒，纳米陶瓷颗粒在熔炼时一次性加入，其余工艺与实施例1相同。从铸锭相同位置取样检测后，可以发现与分批次加入方法制备的铸锭相比，一次性加入纳米陶瓷颗粒制备的铸锭中发生了严重的纳米陶瓷颗粒团聚现象.采取不同加入方式制备的铸锭组织形貌如图1、图2所示，图2中黑色条带为纳米陶瓷团聚区域。
[0037]对比例2：
在实施例2的基体合金成分基础上增加了重量百分比为4.5%的纳米陶瓷颗粒，纳米陶瓷颗粒在熔炼时一次性加入，其余工艺与实施例2相同。制备成直径210mm的圆锭。由于一次性加入纳米陶瓷颗粒导致性能差，在后续制备丝材是会发生碎裂，对比例2无法制备类似实施例2中的丝材。因此制备成圆锭进行取样检测对比。
[0038]将圆锭进行均匀化处理后从D/2位置取样测量拉伸性能，可以发现一次性加入纳米陶瓷颗粒制备的铸锭拉伸试样的伸长率及抗拉强度显著低于分批次加入纳米颗粒制备的铸锭拉伸试样，如表3所示。从拉伸试样断口形貌来看，前者断口平齐呈现出明显的脆性断口形貌，后者为典型的杯锥状塑性断裂，如图3(a)(b)所示。
[0039]表3不同加入方式制备铸锭的拉伸性能及断口形貌
[0040]通过对比结果可以看出，本发明工艺通过分批次定量加入纳米陶瓷颗粒，结合熔炼、均匀化等工艺，使纳米陶瓷颗粒均匀分布在铝合金中，并且在随后的电弧增材制造过程中作为凝固形核核心以及沉淀强化相，从而使采取该合金通过或电弧曾材制备的构件在不进行固溶时效处理而仅通过退火处理后，同样达到高强度。
[0041]最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
说明书附图(3)
声明：
“高强免固溶处理的电弧增材用铝合金丝材及其制备方法、构件” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
262
编辑：北方有色网
来源：中国航发北京航空材料研究院
咨询细节
