CN112025136A

CN112025136A - 一种适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN112025136A
Application number: CN202010675222.9A
Authority: CN
Inventors: 易江龙; 牛犇; 潘琳琳; 陈俊孚; 易耀勇
Original assignee: China Uzbekistan Welding Research Institute of Guangdong Academy of Sciences
Current assignee: China Uzbekistan Welding Research Institute of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2040-07-14
Also published as: CN112025136B

Abstract

本发明公开了一种适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，按总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下成分：Mg粉:1.0‑3.0％,Ge粉:1.0‑5.0％,陶瓷颗粒:5.0‑20.0％，余量为Al粉。通过锗Ge的加入提升原有Al‑Si基体的室温和高温强度，提升增材制造组织在多层多道焊作用下的抗热疲劳性能，添加与铝基体有较好晶格匹配度的陶瓷颗粒作为异质形核剂，细化晶粒、实现增材制造组织及性能调控，改善增材制造组织与性能各向异性的同时，随着陶瓷颗粒添加量的增加还能作为强化相，进一步提升增材制造件的力学性能。

Description

一种适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝及其制备方法

技术领域：

本发明涉及铝合金焊丝，具体涉及一种适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝及其制备方法。

背景技术：

金属粉末床增材制造技术的应用日趋广泛，但是在航空航天、交通运输等领域迫切需要的大型精密零部件制造方面则有明显局限性，特别是针对化学性质活泼的铝、镁轻质合金，粉末床增材制造还存在一定的安全隐患。采用电弧熔丝增材制造技术则能更好实现大型轻质合金结构件的安全、高效增材制造。而该技术应用的前提是高性能专用丝材的制备，关键是成分设计、组织调控及可控成形，既能保证丝材的高纯净化、高质量表面成形，又能使熔丝增材制造构件的化学成分、宏微观组织及力学性能保持均一稳定性。

目前已有焊接及成形性能优良的Al-Si系丝/粉材的增材制造应用，但此类铝合金增材制造后得到的零部件强度偏低，难以满足高强度零部件轻量化制造需求。同时这类丝材的设计也主要考虑如何满足焊接工艺和焊接接头的综合性能，并未有针对性的考虑增材制造过程中多层多道的多重热循环对组织与性能的影响。因此，迫切需要开发专门针对轻质合金，尤其是铝合金的专用电弧增材制造丝材。

CN110885944A公开了一种适用于丝材增材制造的铝铜合金丝材，该发明以Cu为基本强化元素，通过其与θ相起固溶强化和弥散强化作用，Mn与Al、Cu反应形成T相，固溶处理时呈弥散质点析出，提高室温和高温强度。同时少量Ti和Zr元素，可与Al生成Al3Ti和Al3Zr相，作为弥散质点析出，细化α-Al晶粒；少量Sn添加可在时效时促进强化相的析出与弥散分布，提升铝铜合金的力学性能。经增材成形堆积体热处理后，组织晶粒细小，强化相分布均匀，性能稳定，且横纵向性能均匀，是适合丝材增材制造的最优高强韧铝合金材料。

CN111215786A公开了一种适用于增材制造的铝硅合金焊丝，该发明以Al-Si为主体合金，添加的Mg元素在时效过程中析出的Mg2Si粒子弥散分布在集体中，提高合金强度，少量的 Ti元素在合金凝固时产生大量的非均质形核质点(Al3Ti)，在铝合金凝固时起到细化晶粒作用。同时Ti的引入使得合金的初始过冷度显著减小，Ti含量越高，则在丝材增材制造过程快熔快冷过程中初生的Al3Ti的析出倾向越大，则表现出的非均质形核作用越强。此外Sr和La 元素还能起到联合变质作用，改善合金共晶硅形貌。经增材成形堆积体经T6热处理后组织均匀、具良好的室温性能及高温性能稳定性，且各向性能无差异。

目前已公布的增材制造专用铝合金丝材主要是通过添加微量合金元素，如Ti、Zr、RE 等利用其在增材制造过程中与Al基体原位生成的少量弥散分布析出相，作为非均质形核的核心，细化晶粒，提升力学性能，改善性能各向异性。基于微合金元素的添加量，目前已有公布的增材制造专用焊丝沉积过程的异质形核剂量均有一定限制。

发明内容：

本发明的目的是提供一种适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝及其制备方法，通过锗 Ge的加入与铝基体形成Al-Ge共晶组织和β-Si(Ge)固溶体，铝基体由铝带和铝粉形成，提升原有Al-Si基体的室温和高温强度，提升增材制造组织在多层多道焊作用下的抗热疲劳性能，添加与铝基体有较好晶格匹配度的陶瓷颗粒作为异质形核剂，细化晶粒、实现增材制造组织及性能调控，改善增材制造组织与性能各向异性的同时，由于采用射频等离子预熔的方式得到陶瓷颗粒与铝粉均匀弥散分布的复合粉体，随着陶瓷颗粒添加量的增加还能作为强化相，进一步提升增材制造件的力学性能。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，外皮的铝带为4047铝带，为Al-12Si，其中硅的含量为12％；按总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉:1.0-3.0％,Ge粉:1.0-5.0％,陶瓷颗粒:5.0-20.0％，余量为Al粉，Mg、Ge、Al粉末的粒径范围为100-150μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为 18-30％，焊丝直径范围为1.0-2.0mm。

所述的陶瓷颗粒为TiC，TiN，SiC，WC，Al₂O₃中的一种，粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％。

所述适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采用射频等离子将陶瓷颗粒及铝粉预熔混合，得到陶瓷颗粒弥散分布的复合铝粉；

S2：将S1制备的复合铝粉及Mg、Ge粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；

S3：将S2制备的药芯粉末按照所需填充率加入到4047铝带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到所需直径的铝合金焊丝。

本发明还保护所述适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝在电弧熔丝增材制造中的应用。特别地，送丝速度8-10m/min，双丝CMT模式，焊接电流120-160A，焊接速度0.5-2m/min。

本发明提供的铝合金焊丝具有以下有益效果：

1)Ge的加入可与药芯焊丝中铝基体形成Al-Ge共晶组织和β-Si(Ge)固溶体，提升原有 Al-Si基体的室温和高温强度，提升增材制造组织在多层多道焊作用下的抗热疲劳性能；

2)采用射频等离子预熔的方式可得到陶瓷颗粒均匀弥散分布于铝粉复合粉体，大幅提升增材制造组织的显微硬度和力学性能；

3)与现有挤压拉拔、连铸连轧等成形工艺制备的实芯铝焊丝不同，本发明采用铝带内包药芯粉末的方式制备铝基药芯焊丝，基于药芯铝焊丝中药芯粉末添加的灵活性，可基于使用需要调节陶瓷颗粒加入量；

4)采用电弧熔丝增材制造技术，药芯各成分可在电弧的作用力下，原位混合反应，得到陶瓷颗粒弥散分布的增材制造组织；

5)弥散分布的陶瓷颗粒，一方面可在增材制造的多重热循环作用下作为铝基体凝固前沿的异质形核剂，诱导柱状晶生成等轴晶，显著细化基体组织；另一方面随着陶瓷颗粒量的增加，还可作为基体强化相，显著提升增材制造组织的综合力学性能。

附图说明：

图1是实施例1采用射频等离子预熔得到的复合铝粉电镜图。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

一种适用于电弧熔丝增材制造用的铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，铝带为4047铝带，按药芯粉末总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉为3.0％，Ge粉为1.0％，陶瓷颗粒为TiC为10％，余量为Al粉，其中Mg、Ge、Al粉的粒径范围为100-150μm，TiC颗粒的粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为28％。

实施例1的铝合金焊丝制备方法具体步骤如下：

S1：采用射频等离子雾化设备将质量分数为10％的TiC与铝粉预熔混合，得到陶瓷颗粒弥散分布的复合铝粉，其电镜图如图1所示；

S2：将S1制备的复合铝粉及质量分数为3％的Mg粉、1.0％的Ge粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；

S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到4047铝带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到所需直径1.2mm的铝合金焊丝。

对比例1：

一种铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，铝带为4047铝带，按药芯粉末总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉为3.0％，Ge粉为 1.0％，余为Al粉，其中Mg、Ge、Al粉的粒径范围为100-150μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为28％。

对比例1的铝合金焊丝制备方法具体步骤如下：

S1：将Mg粉、Ge粉、Al粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；

S2：将S1制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到4047铝带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到所需直径1.2mm的铝合金焊丝。

对比例2：

一种铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，铝带为4047铝带，按药芯粉末总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉为3.0％，Si粉为1.0％，陶瓷颗粒为TiC为10％，余量为Al粉，其中Mg、Si、Al粉的粒径范围为100-150μm，TiC颗粒的粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为28％。

对比例2的铝合金焊丝制备方法具体步骤如下：

S1：采用射频等离子雾化设备将质量分数为10％的TiC与铝粉末预熔混合，得到陶瓷颗粒散分布的复合铝粉；

S2：将S1制备的复合铝粉及质量分数为3％的Mg粉、1.0％的Si粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；

实施例2

一种适用于电弧熔丝增材制造用的铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，铝带为4047铝带，按药芯粉末总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉为3.0％，Ge粉为3.0％，陶瓷颗粒为TiN为15％，余量为Al粉，其中Mg、Ge、Al粉的粒径范围为100-150μm，TiN颗粒的粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为30％。

实施例2的铝合金焊丝制备方法具体步骤如下：

S1：采用射频等离子雾化设备将质量分数为15％的TiN与铝粉预熔混合，得到陶瓷颗粒弥散分布的复合铝粉；

S2：将S1制备的复合铝粉及质量分数为3％的Mg粉、3.0％的Ge粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；

S3：将S2制备所得药芯粉末按照所需填充率加入到4047铝带中，依次经过轧制、拉拔、清洗、层绕后得到所需直径1.6mm的铝合金焊丝。

实施例3

一种适用于电弧熔丝增材制造用的铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，铝带为4047铝带，按药芯粉末总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉为1.0％，Ge粉为1.0％，陶瓷颗粒为SiC为20％，余量为Al粉，其中Mg、Ge、Al粉的粒径范围为100-150μm，SiC颗粒的粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为30％。

实施例3的铝合金焊丝制备方法具体步骤如下：

S1：采用射频等离子雾化设备将质量分数为20％的SiC与铝粉预熔混合，得到陶瓷颗粒弥散分布的复合铝粉；

S2：将S1制备的复合铝粉及质量分数为1％的Mg粉、1.0％的Ge粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；

实施例4

一种适用于电弧熔丝增材制造用的铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，铝带为4047铝带，按药芯粉末总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉为3.0％，Ge粉为5.0％，陶瓷颗粒为WC为5％，余量为Al粉，其中Mg、Ge、Al粉的粒径范围为100-150μm，WC颗粒的粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为20％。

实施例4的铝合金焊丝制备方法具体步骤如下：

S1：采用射频等离子雾化设备将质量分数为5％的WC与铝粉预熔混合，得到陶瓷颗粒弥散分布的复合铝粉；

S2：将S1制备的复合铝粉及质量分数为3％的Mg粉、5.0％的Ge粉加入到V型混粉机，混合30min后得到混合均匀的药芯粉末；

实施例5

一种适用于电弧熔丝增材制造用的铝合金焊丝，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，铝带为4047铝带，按药芯粉末总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下质量百分含量的成分：Mg粉为3.0％，Ge粉为5.0％，陶瓷颗粒为Al₂O₃为5％，余量为Al粉，其中Mg、 Ge、Al粉的粒径范围为100-150μm，Al₂O₃颗粒的粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为18％。

实施例5的铝合金焊丝制备方法具体步骤如下：

S1：采用射频等离子雾化设备将质量分数为5％的Al₂O₃与铝粉预熔混合，得到陶瓷颗粒弥散分布的复合铝粉；

采用双丝CMT电弧焊设备对本实施例1-5、对比例1-2制备的适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝进行焊接接头性能测试，焊接工艺为：送丝速度9m/min，双丝CMT模式，焊接电流157A，焊接速度1m/min。采用显微维氏硬度计在焊缝试样等同间距0.2mm打5个测量点，加载负荷为50g，持续时间为10s，得到硬度的均值。力学性能的检测按GB2651-2008 《焊接接头拉伸试验方法》的有关要求进行。结果如下表1所示。

表1

Claims

1.一种适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝，其特征在于，由外皮的铝带及内包的药芯粉末组成，外皮的铝带为4047铝带，为Al-12Si，其中硅的含量为12％；按总质量百分比为100％计，药芯粉末包括以下成分：Mg粉:1.0-3.0％,Ge粉:1.0-5.0％,陶瓷颗粒:5.0-20.0％，余量为Al粉，Mg、Ge、Al粉末的粒径范围为100-150μm，纯度均为99.9％，药粉填充率为18-30％，焊丝直径范围为1.0-2.0mm。

2.根据权利要求1所述的适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝，其特征在于，所述的陶瓷颗粒为TiC，TiN，SiC，WC，Al₂O₃中的一种，粒径范围为15-30μm，纯度均为99.9％。

3.权利要求1所述适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2：将S1制备的复合铝粉及Mg、Ge粉加入到V型混粉机，得到混合均匀的药芯粉末；

4.权利要求1所述适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝在电弧熔丝增材制造中的应用。

5.根据权利要求4所述适用于电弧熔丝增材制造用铝合金焊丝在电弧熔丝增材制造中的应用，其特征在于，送丝速度8-10m/min，双丝CMT模式，焊接电流120-160A，焊接速度0.5-2m/min。