一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材

1.本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材。


背景技术：

2.7xxx系铝合金为al-zn-mg-cu系铝合金，具有高比强度、比模量和良好的抗疲劳性，在航空航天、轨道车辆、汽车制造等领域应用广泛。电弧增材制造技术以电弧为热源，以金属丝材为原材料，通过电弧加热熔化丝材形成熔池，按照预定路径逐层堆积，直接制得零部件。此技术具有材料利用率高、制造周期短、成本低等优势，在7xxx系铝合金大型构件制造中具有广阔应用前景。
3.受限于7xxx系铝合金的冶金特性(合金化元素含量高、结晶温度区间宽)和电弧增材制造技术的工艺特点(热输入大、熔池温度梯度高、冷却速度慢)，电弧增材制造7xxx系铝合金存在裂纹敏感性高和组织不均匀与元素偏析导致成形试样性能较低的不足，成为制约其推广应用的瓶颈。在增材制造过程中向熔池内添加微、纳米级强化颗粒，可以促进异质形核效应，细化结晶组织。一方面，促进微区释放局部拉应力，抑制裂纹产生。另一方面，第二相颗粒与铝合金基体中位错运动产生交互作用，提升增材构件强度。
4.现有的电弧增材制造颗粒增强7xxx系铝合金填充丝材及方法中：(1)专利cn111266702a公开了一种同轴弧内送丝+弧外送粉的tig电弧增材装置，基于此装置通过向熔池内送入第二相颗粒粉末，实现电弧增材制造7xxx系铝合金颗粒增强，但是电弧力对第二相颗粒的排斥作用使其无法全部送入熔池，造成第二相增强颗粒含量不可控，并且粉末的送进存在安全隐患。(2)专利cn115106620a提出了一种双丝电弧增材得到7xxx系铝合金的方式，通过将5xxx系铝合金焊丝与7xxx系铝合金焊丝交替往复逐层堆积并进行热处理和轧制等后处理得到7xxx系铝合金材料，但该方式所得7xxx系铝合金材料存在成分不均匀的问题，并且很难进行微量合金元素的成分调控；因此，开发适用于增材制造的7xxx系铝合金颗粒增强丝材，提升电弧增材7xxx系铝合金构件的抗裂性和强度，是本领域亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.采用铝合金药芯填充丝的方法易于添加微纳米增强颗粒并调控合金成分，这为降低电弧增材铝合金构件裂纹敏感性，提升力学性能提供了新思路。
6.本发明旨在解决现有电弧增材制造技术中，填充丝材成分不可控或无法添加微纳米增强颗粒的问题，结合铝合金粉芯丝材易于调控合金成分和微纳米增强颗粒促进异质形核效应，设计了一种用于双丝电弧增材制造微纳米颗粒增强7075系铝合金的无缝粉芯填充丝。采用现有的7075系铝合金填充丝材，电弧增材构件易产生合金元素烧损和热裂纹缺陷，构件内部微观组织粗大且强度低。使用本发明填充丝及其应用方法，利用粉芯丝材易于调控合金成分和增强颗粒促进异质形核的特点，可达到细化晶粒组织、降低裂纹敏感性、改善
力学性能的目的，推进电弧增材制造技术在7xxx系铝合金构件生产制造中的应用进程。
7.本发明通过以下技术方案来实现：一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材，其特征在于：粉芯丝材由无缝铝管外皮和粉芯两部分组成。其中，选用外径为23-30mm，内径13-20mm的铝镁合金无缝管材作为填充丝材的外皮。
8.粉芯成分及其质量百分比：mg：0.2-1wt％；zn：25-40wt％；cu：4-12wt％；微纳米增强颗粒：1-8wt％；cr：0.1-0.4wt％；ti：1-5wt％；al：余量。
9.进一步地，上述微纳米增强颗粒包括tib2、sic、tic、tin等中的至少一种，可以任意质量比例混合。
10.进一步地，经过大量实验，上述合金粉末粒径为75μm-300μm，优选150μm-200μm，颗粒形状为球形或近球形。
11.进一步地，所述无缝粉芯丝材其直径在1.0-2.0mm，粉芯填充率在20-25％。
12.本发明的药芯粉末元素成分设计与选择的依据如下：
13.ti粉的加入会在增材制造过程中原位生成al3ti强化颗粒，与原位添加的微纳米颗粒协同作用，起到限制晶界运动，阻碍晶粒生长，从而起到细化晶粒尺寸，限制柱状晶生长，抑制热裂纹扩展的作用。
14.zn：7075系合金主强化元素，向熔池过渡锌元素。
15.mg：7075合金的主要强化元素，向焊缝金属中过渡镁元素，与zn元素形成强化效果显著的mgzn2相，提升其热处理效果，提高抗拉强度，提高耐蚀性。
16.cu：7075系强化元素，cu含量超过1.25％可以明显增加合金的强度与硬度。
17.cr：cr在铝中形成(crfe)al7和(crmn)al
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等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。
18.本发明中微纳米颗粒的添加起到以下作用：
①
促进异质形核效应，细化结晶组织。
②
与铝合金基体中位错运动产生交互作用，钉扎晶界并阻碍位错运动，降低热裂倾向，提升增材构件强度。
19.铝镁合金管材内外径及成品填充丝材尺寸
20.铝镁合金外径(mm)23252830铝镁合金内径(mm)13151720填充丝直径(mm)1.01.21.62.0
21.所得颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝和商用er7075实芯丝以tig电弧为热源，进行双丝电弧增材制造超高强铝合金单壁墙的工艺为：采用相同角度的旁轴送丝，电弧电流为100-250a，实芯丝送丝速度为1.3-2.0m/min，粉芯丝的送丝速度1.3-2.0m/min，扫描速度为80-100mm/min，保护气流量为15l/min，控制层间温度为70℃，保护气体为纯度高于99.99％的高纯氩气。
22.采用所得颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝和商用er7075实芯丝以tig电弧为热源增材制造超高强铝合金单壁墙时，通过改变实芯填充丝和无缝粉芯填充丝的送丝速度，从而实现微量合金元素的调控和第二相粒子向沉积层的过渡，最终达到实芯填充丝和无缝粉芯填充丝共熔池增材制造7075铝合金，从而实现丝材成分调控、提高沉积态试样强度，减少气孔和裂纹的目的。
具体实施方式
23.为了进一步明确本发明的目的、发明思想及技术方案，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
24.实施例1
25.用于7075超高强铝合金tig电弧双丝增材制造的添加微纳米颗粒的无缝粉芯丝材采用5052铝镁合金管材外皮尺寸为外径23mm，内径13mm，填充率为15％，填充丝经过拉拔、减径后最终成品丝材直径为1.0mm，粉芯的成分质量配比为mg：0.4wt％；zn：35wt％；cu：8wt％；微纳米tib2颗粒：3.5wt％；cr：0.4wt％；ti：2.7wt％；al：余量；与er7075实芯填充丝一起进行tig电弧增材，粉芯填充丝送丝速度为2m/min，实芯填充丝送丝速度为1.3m/min，扫描速度为100mm/min，保护气体为纯度高于99.99％的高纯氩气，气流量为15l/min，成型电流为100a，层间温度控制在70℃，熔覆50层。
26.本实施例在双丝增材过程中，电弧稳定燃烧，两类填充丝均熔化充分，增材过程连续且稳定，所得到的增材单壁墙体成型良好，所得到的增材单壁墙体未见明显气孔和裂纹，内部组织分布均匀，呈现电弧丝材金属增材制造的微观结构特征，经室温单轴拉伸可得抗拉强度为436mpa，显微硬度为156hv。
27.实施例2
28.用于7075超高强铝合金tig电弧双丝增材制造的添加微纳米颗粒的无缝粉芯丝材采用5052铝镁合金管材外皮尺寸为外径25mm，内径15mm，填充率为20％，填充丝经过拉拔、减径后最终成品丝材直径为1.2mm，粉芯的成分质量配比为mg：0.4wt％；zn：35wt％；cu：7wt％；微纳米tic颗粒：2.6wt％；cr：0.34wt％；ti：2.5wt％；al：余量；与er7075实芯填充丝一起进行tig电弧增材，粉芯填充丝送丝速度为1.8m/min，实芯填充丝送丝速度为1.4m/min，扫描速度为90mm/min，保护气体为纯度高于99.99％的高纯氩气，气流量为15l/min，成型电流为120a，层间温度控制在70℃，熔覆50层。
29.本实施例在双丝增材过程中，电弧稳定燃烧，两类填充丝均熔化充分，增材过程连续且稳定，所得到的增材单壁墙体成型良好，所得到的增材单壁墙体未见明显气孔和裂纹，内部组织分布均匀，呈现电弧丝材金属增材制造的微观结构特征，经室温单轴拉伸可得抗拉强度为453mpa，显微硬度为161hv。
30.实施例3
31.用于7075超高强铝合金tig电弧双丝增材制造的添加微纳米颗粒的无缝粉芯丝材采用5052铝镁合金管材外皮尺寸为外径28mm，内径17mm，填充率为25％，填充丝经过拉拔、减径后最终成品丝材直径为1.6mm，粉芯的成分质量配比为mg：0.4wt％；zn：31wt％；cu：5.7wt％；微纳米tin颗粒：2.1wt％；cr：0.3wt％；ti：2.4wt％；al：余量；与er7075实芯填充丝一起进行tig电弧增材，粉芯填充丝送丝速度为1.5m/min，实芯填充丝送丝速度为1.6m/min，扫描速度为80mm/min，保护气体为纯度高于99.99％的高纯氩气，气流量为15l/min，成型电流为140a，层间温度控制在70℃，熔覆50层。
32.本实施例在双丝增材过程中，电弧稳定燃烧，两类填充丝均熔化充分，增材过程连续且稳定，所得到的增材单壁墙体成型良好，所得到的增材单壁墙体未见明显气孔和裂纹，内部组织分布均匀，呈现电弧丝材金属增材制造的微观结构特征，经室温单轴拉伸可得抗拉强度为427mpa，显微硬度为159hv。
33.实施例4
34.用于7075超高强铝合金tig电弧双丝增材制造的添加微纳米颗粒的无缝粉芯丝材采用5052铝镁合金管材外皮尺寸为外径30mm，内径20mm，填充率为30％，填充丝经过拉拔、减径后最终成品丝材直径为2.0mm，粉芯的成分质量配比为mg：0.4wt％；zn：26wt％；cu：4.7wt％；微纳米sic颗粒：1.7wt％；cr：0.3wt％；ti：2.3wt％；al：余量；与er7075实芯填充丝一起进行tig电弧增材，粉芯填充丝送丝速度为1.3m/min，实芯填充丝送丝速度为2.0m/min，扫描速度为80mm/min，保护气体为纯度高于99.99％的高纯氩气，气流量为15l/min，成型电流为160a，层间温度控制在70℃，熔覆50层。
35.本实施例在双丝增材过程中，电弧稳定燃烧，两类填充丝均熔化充分，增材过程连续且稳定，所得到的增材单壁墙体成型良好，所得到的增材单壁墙体未见明显气孔和裂纹，内部组织分布均匀，呈现电弧丝材金属增材制造的微观结构特征，经室温单轴拉伸可得抗拉强度为431mpa，显微硬度为155hv。
36.对比例1
37.采用两根相同的市售er7075实芯填充丝进行双丝tig电弧增材，送丝速度均为1.6m/min，保护气体为纯度高于99.99％的高纯氩气，气流量为15l/min，扫描速度为90mm/min，成型电流为120a，层间温度控制在70℃，熔覆50层。
38.本实施例在双丝增材过程中，电弧稳定燃烧，两根er7075填充丝均熔化充分，增材过程连续且稳定，所得到的增材单壁墙体成型良好，所得到的增材单壁墙体有少量气孔，未见明显裂纹，内部组织分布均匀，呈现电弧丝材金属增材制造的微观结构特征，经室温单轴拉伸可得抗拉强度为301mpa，显微硬度为124hv。
39.对比例2
40.采用两根相同的市售er7075实芯填充丝进行双丝tig电弧增材，送丝速度均为1.8m/min，保护气体为纯度高于99.99％的高纯氩气，气流量为15l/min，扫描速度为90mm/min，成型电流为140a，层间温度控制在70℃，熔覆50层。
41.本实施例在双丝增材过程中，电弧稳定燃烧，两根er7075填充丝均熔化充分，增材过程连续且稳定，所得到的增材单壁墙体成型良好，所得到的增材单壁墙体有少量气孔，未见明显裂纹，内部组织分布均匀，呈现电弧丝材金属增材制造的微观结构特征，经室温单轴拉伸可得抗拉强度为316mpa，显微硬度为132hv。
42.表1各实施例及对比例增材工艺参数
[0043][0044]
表2各实施例和对比例沉积层的化学成分含量及力学性能对比
[0045]

技术特征：
1.一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材，由金属粉末和外皮构成，其特征在于，铝镁合金无缝管材作为外皮；粉芯中各合金成分的质量百分比为：金属mg粉0.4％-1％，金属zn粉含25％～35％，金属cu粉6％～8％，金属cr粉0.2％-0.4％，金属ti粉1％-3％，微纳颗粒粉1％-5％，微纳颗粒为tib2、sic、tic、tin中的至少一种，余量为金属al粉。2.按照权利要求1所述的一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯丝材的药粉填充率为20-25％，直径1.0-2.0mm。3.按照权利要求1所述的一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材，其特征在于，合金粉粒径为75μm-300μm，颗粒形状为球形或近球形。4.按照权利要求1所述的一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材，其特征在于，cr粉、ti粉、mg粉、zn粉、cu粉以纯度大于99.9％的金属粉的形式加入。5.应用如权利要求1-4任一项所述的一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材的方法，其特征在于，以tig电弧为热源，采用旁轴送丝，成型电流为100-250a，实芯丝送丝速度为1.3-2.0m/min，无缝粉芯丝的送丝速度1.3-2.0m/min，增材速度为80-100mm/min，保护气流量为15l/min，控制层间温度为70℃，保护气体为氩气。

技术总结
一种用于双丝电弧增材的颗粒增强7075铝合金无缝粉芯丝材，属于增材制造技术领域，该丝材由金属粉末和无缝铝管外皮构成，其中粉芯中合金元素成分及其质量百分比为：金属Mg粉0.4％-1％，金属Zn粉25％～35％，金属Cu粉6％～8％，金属Cr粉0.2％-0.4％，金属Ti粉1％-3％，微纳颗粒粉1％-5％，微纳颗粒为TiB2、SiC、TiC、TiN等中的至少一种，余量为金属Al粉；其外包层可为铝镁合金无缝管材，药粉填充率为20-25％。采用本发明药芯丝材的增材构件的综合力学性能显著提高。学性能显著提高。


技术研发人员：李红 刘玮 栗卓新 王义朋 纪梦涵
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/6