CN108500266B - 7000系铝合金增材制造方法及*** - Google Patents

7000系铝合金增材制造方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明适用于金属零件加工技术领域，提供了一种7000系铝合金增材制造方法及***，本方法中使用激光和间接电弧作为丝材的加热源，可充分发挥激光和间接电弧各自的优势，同时兼顾低热输入和高熔敷率；同时本方法中使用异质三丝合成7000系铝合金，不仅了解决了7000系铝合金丝材状原材料制备困难的问题，还弥补采用粉末状原材料成形效率低的弊端。

Description

7000系铝合金增材制造方法及***
技术领域
本发明属于金属零件加工技术领域，尤其涉及一种7000系铝合金增材制造方法及***。
背景技术
增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控***将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
随着先进制造技术的快速发展，不断涌现出了以激光、电子束、电弧为加热热源的金属增材制造方法，这些方法在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域有着广阔的应用前景，但上述方法应用在7000系铝合金增材制造时存在明显的缺点：如果原料采用粉末，熔敷效率低；采用丝材，7000系铝合金由于其超强的力学性能致使其丝材制备困难。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种7000系铝合金增材制造方法及***，以解决现有技术中原料制备困难和熔敷效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种7000系铝合金增材制造方法，包括以下步骤：
为欲制作的金属零件建立几何模型，并进行分层离散；
将异质双丝分别连接间接电弧电源的两个电极，异质双丝之间形成间接电弧；
利用间接电弧能量使所述异质双丝熔化形成熔滴，利用脉冲激光照射熔滴产生蒸发反冲力辅助熔滴过渡至熔池；
利用丝粉同轴装置将第三丝和混合粉末送进熔池，所述异质双丝熔化形成的熔滴和第三丝在熔池中混合实现7000系铝合金的成分构成，混合粉末在7000系铝合金熔体上形成陶瓷颗粒，陶瓷颗粒在熔池凝固过程中促进等轴晶的形成及晶粒细化，直至此实心位置凝固成形；
三维运动机构沿XY水平方向运动至工件的下一个实心位置，直到金属丝材成形于工件中本层全部的实心位置；
三维运动机构沿Z方向移动一个层高，直到金属丝材成形于工件中各层实心位置上，堆积成一个实体；
去除实体底部的基材，获得等轴晶组织的7000系铝合金增材制造零件。
进一步地，所述异质双丝为直径为1.2毫米的2219铝合金丝材和直径为1.2毫米的5183铝合金丝材。
进一步地，所述异质双丝的送丝速度为0.1-15米/分钟。
进一步地，所述混合粉末为200目的钛粉和碳化硼粉。
进一步地，所述第三丝为直径0.8毫米的锌丝材。
进一步地，所述第三丝的送丝速度为0.1-15米/分钟。
进一步地，所述混合粉末的送粉速度为0-50克/分钟。
进一步地，所述间接电弧电源输出电流为方波电流，峰值电流为20-300安培。
进一步地，所述陶瓷颗粒为TiB2陶瓷颗粒和TiC陶瓷颗粒。
一种7000系铝合金增材制造***，包括异质双丝、间接电弧电源、送丝装置、丝粉同轴送进装置、激光器、三维运动控制***和基材，所述异质双丝分别连接所述间接电弧电源的两个电极，所述异质双丝和所述丝粉同轴送进装置均位于所述基材的上部，所述异质双丝安装在所述送丝装置中，所述间接电弧电源、所述激光器、所述送丝装置和所述丝粉同轴送进装置均连接所述三维运动装置。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过设计一种7000系铝合金增材制造方法，本方法中使用激光和间接电弧作为丝材的加热源，可充分发挥激光和间接电弧各自的优势，同时兼顾低热输入和高熔敷率；同时本方法中使用异质三丝合成7000系铝合金，不仅了解决了7000系铝合金丝材状原材料制备困难的问题，还弥补采用粉末状原材料成形效率低的弊端。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的7000系铝合金增材制造方法的逻辑流程图；
图2是本发明实施例提供的7000系铝合金增材制造***的结构示意图。
图中：1、异质双丝；2、间接电弧电源；3、三维运动控制***；4、激光器；5、丝粉同轴送进装置；6、基材；7、熔滴；8、熔池。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，为本发明实施例提供的7000系铝合金增材制造方法的逻辑流程图，7000系铝合金增材制造方法，包括以下步骤：
步骤S101，为欲制作的金属零件建立几何模型，并进行分层离散。
步骤S102，将异质双丝1分别连接间接电弧电源2的两个电极，异质双丝1之间形成间接电弧。
步骤S103，利用间接电弧能量使异质双丝1熔化形成熔滴7，利用脉冲激光照射熔滴7产生蒸发反冲力辅助熔滴7过渡至熔池8。
步骤S104，利用丝粉同轴装置将第三丝和混合粉末送进熔池8，异质双丝1熔化形成的熔滴7和第三丝在熔池8中混合实现7000系铝合金的成分构成，混合粉末在7000系铝合金熔体上形成陶瓷颗粒，陶瓷颗粒在熔池8凝固过程中促进等轴晶的形成及晶粒细化，直至此实心位置凝固成形。
步骤S105，三维运动机构沿XY水平方向运动至工件的下一个实心位置，直到金属丝材成形于工件中本层全部的实心位置。
步骤S106，三维运动机构沿Z方向移动一个层高，直到金属丝材成形于工件中各层实心位置上，堆积成一个实体。
步骤S107，去除实体底部的基材6，获得等轴晶组织的7000系铝合金增材制造零件。
本方法相比于现有技术具有以下优点：
(1)相比激光与传统电弧的复合热源，使用激光与间接电弧复合作为金属丝材的加热源，可充分发挥激光和间接电弧各自的优势，同时兼顾低热输入和高熔敷率。
(2)使用异质三丝合成7000系铝合金，不仅了解决了7000系铝合金丝材状原材料制备困难的问题，还弥补采用粉末状原材料成形效率低的弊端。
(3)使用混合粉末在铝合金熔体上形成陶瓷颗粒，可促进凝固过程中等轴晶组织的形成及晶粒细化。
如图2所示，为本发明实施例提供的7000系铝合金增材制造***的结构示意图，7000系铝合金增材制造***包括异质双丝1、间接电弧电源2、送丝装置、丝粉同轴送进装置5、激光器4、三维运动控制***3和基材6，异质双丝1分别连接间接电弧电源2的两个电极，异质双丝1和丝粉同轴送进装置5均位于基材6的上部，异质双丝1安装在送丝装置中，间接电弧电源2、激光器4、送丝装置和丝粉同轴送进装置5均连接三维运动装置。工作时，异质双丝1由于连接间接电弧电源2，二者之间形成间接电弧将异质双丝1形成熔滴7，激光器4照射熔滴7产生蒸发反冲力辅助熔滴7过渡至熔池8，丝粉同轴送进装置5将第三丝和混合粉末送进熔池8，异质双丝1形成的熔滴7和第三丝在熔池8中形成7000系铝合金的成分构成，混合粉末在7000系铝合金上形成陶瓷颗粒。然后三维运动控制***3控制三维运动机构按照设定的坐标进行运动最终形成7000系铝合金零件。
本发明7000系铝合金增材制造***使用激光-间接电弧复合热源进行7000系铝合金工件的制作，可充分发挥激光和间接电弧各自的优势，同时兼顾低热输入和高熔敷率；同时使用异质三丝合成7000系铝合金，不仅了解决了7000系铝合金丝材状原材料制备困难的问题，还弥补采用粉末状原材料成形效率低的弊端。
本发明的一个实施例中，异质双丝1的送丝速度为0.1-15米/分钟，第三丝的送丝速度为0.1-15米/分钟，混合粉末的送粉速度为0-50克/分钟。异质双丝1的送丝速度、第三丝送丝速度和送粉速度均可调，根据实际具体生产7000系铝合金的型号进行速度的设定，以满足7000系铝合金的成分构成。
本发明的一个实施例中，混合粉末为200目的钛粉和碳化硼粉。钛粉和碳化硼粉在7000系铝合金熔体上形成TiB2陶瓷颗粒和TiC陶瓷颗粒，可促进凝固过程中等轴晶组织的形成及晶粒细化。
下面列举一个生产7050铝合金增材制造过程进行说明：
(1)给欲制作的金属零件建立几何模型，并进行分层离散；由计算机中的软件完成制件模型的切片处理，生成制件各层数据后，对三维运动控制***3进行控制。
(2)将异质双丝1直径为1.2mm的2219铝合金丝材和5183铝合金丝材分别连接间接电弧电源2的两个电极，异质双丝1之间形成间接电弧，采用电流幅值为100A，2219铝合金丝材送丝速度为2.1m/min，5183铝合金丝材送丝速度3.4m/min。
(3)利用间接电弧的能量使异质双丝1熔化形成熔滴7，利用光纤激光器4产生脉冲激光照射熔滴7产生蒸发反冲力辅助熔滴7过渡至熔池8，脉冲激光频率为30Hz，功率1000W。
(4)利用丝粉同轴装置将第三丝(Zn丝材)和混合粉末(Ti和B4C)送进熔池8，异质双丝1熔化形成的熔滴7与Zn丝材在熔池8中实现7000系铝合金(Al-Zn-Mg-Cu)的成分构成，Ti和B4C粉末在铝合金熔体上形成TiB2陶瓷颗粒和TiC陶瓷颗粒，Zn丝材送丝速度为0.6m/min，Ti和B4C粉末送粉速度为5g/min，TiB2陶瓷颗粒和TiC陶瓷颗粒在熔池8凝固过程中促进等轴晶的形成及晶粒细化，直至此实心位置凝固成形。
(5)三维运动机构10沿XY水平方向运动至零件的下一个实心位置，直到金属丝材成形于零件中本层全部的实心位置。
(6)三维运动机构10沿Z方向移动一个层高，直到金属丝材成形于零件中各层实心位置上，堆积成一个实体。
(7)去除实体底部的基材6，获得等轴晶组织的7050铝合金增材制造零件。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
为欲制作的金属零件建立几何模型，并进行分层离散；
将异质双丝分别连接间接电弧电源的两个电极，异质双丝之间形成间接电弧；
利用间接电弧能量使所述异质双丝熔化形成熔滴，利用脉冲激光照射熔滴产生蒸发反冲力辅助熔滴过渡至熔池；
利用丝粉同轴装置将第三丝和混合粉末送进熔池，所述异质双丝熔化形成的熔滴和第三丝在熔池中混合实现7000系铝合金的成分构成，混合粉末在7000系铝合金熔体上形成陶瓷颗粒，陶瓷颗粒在熔池凝固过程中促进等轴晶的形成及晶粒细化，直至此实心位置凝固成形；
三维运动机构沿XY水平方向运动至工件的下一个实心位置，直到金属丝材成形于工件中本层全部的实心位置；
三维运动机构沿Z方向移动一个层高，直到金属丝材成形于工件中各层实心位置上，堆积成一个实体；
去除实体底部的基材，获得等轴晶组织的7000系铝合金增材制造零件；
其中，所述异质双丝包括2219铝合金丝材和5183铝合金丝材；
所述第三丝包括锌丝材；
所述混合粉末包括钛粉和碳化硼粉；
相应的，所述混合粉末在7000系铝合金熔体上形成陶瓷颗粒包括：
所述钛粉和碳化硼粉在7000系铝合金熔体上形成TiB2陶瓷颗粒和TiC陶瓷颗粒。
2.根据权利要求1所述的7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，所述异质双丝为直径为1.2毫米的2219铝合金丝材和直径为1.2毫米的5183铝合金丝材。
3.根据权利要求1所述的7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，所述异质双丝的送丝速度为0.1-15米/分钟。
4.根据权利要求1所述的7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，所述混合粉末为200目的钛粉和碳化硼粉。
5.根据权利要求1所述的7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，所述第三丝为直径0.8毫米的锌丝材。
6.根据权利要求1所述的7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，所述第三丝的送丝速度为0.1-15米/分钟。
7.根据权利要求1所述的7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，所述混合粉末的送粉速度大于0克/分钟，且不大于50克/分钟。
8.根据权利要求1所述的7000系铝合金增材制造方法，其特征在于，所述间接电弧电源输出电流为方波电流，峰值电流为20-300安培。
9.一种7000系铝合金增材制造***，其特征在于，包括异质双丝、间接电弧电源、送丝装置、丝粉同轴送进装置、激光器、三维运动控制***和基材，所述异质双丝分别连接所述间接电弧电源的两个电极，所述异质双丝和所述丝粉同轴送进装置均位于所述基材的上部，所述异质双丝安装在所述送丝装置中，所述间接电弧电源、所述激光器、所述送丝装置和所述丝粉同轴送进装置均连接所述三维运动装置；
其中，为欲制作的金属零件建立几何模型，并进行分层离散；
将所述送丝装置中的异质双丝分别连接间接电弧电源的两个电极，异质双丝之间形成间接电弧；
利用间接电弧能量使所述异质双丝熔化形成熔滴，利用所述激光器的脉冲激光照射熔滴产生蒸发反冲力辅助熔滴过渡至熔池；
利用丝粉同轴送进装置将第三丝和混合粉末送进熔池，所述异质双丝熔化形成的熔滴和第三丝在熔池中混合实现7000系铝合金的成分构成，混合粉末在7000系铝合金熔体上形成陶瓷颗粒，陶瓷颗粒在熔池凝固过程中促进等轴晶的形成及晶粒细化，直至此实心位置凝固成形；
所述三维控制***控制三维运动机构，所述三维运动机构沿XY水平方向运动至工件的下一个实心位置，直到金属丝材成形于工件中本层全部的实心位置；
三维运动机构沿Z方向移动一个层高，直到金属丝材成形于工件中各层实心位置上，堆积成一个实体；
去除实体底部的基材，获得等轴晶组织的7000系铝合金增材制造零件；
其中，所述异质双丝包括2219铝合金丝材和5183铝合金丝材；
所述第三丝包括锌丝材；
所述混合粉末包括钛粉和碳化硼粉；
相应的，所述混合粉末在7000系铝合金熔体上形成陶瓷颗粒包括：
所述钛粉和碳化硼粉在7000系铝合金熔体上形成TiB2陶瓷颗粒和TiC陶瓷颗粒。
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