一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法，所述铝硅基焊丝的增强方式为合金补偿和合金强化；所述铝硅基焊丝为Al‑Si(6.5％～7.5％)‑Mg(0.4％～1％)－Ce(0.4％～1％)‑Mn(0.4％～0.6％)。所述制备方法包括以纯铝、Al‑Si中间合金、Mg粒、Al‑Ce中间合金及Mn粉为原料，制得铸坯，均匀化热处理后，将铸坯经过热挤压、拉制和表面处理，即得。本发明专利技术制备的铝硅基焊丝适用于电弧增材制造技术。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法
本专利技术涉及一种铝硅基焊丝及其制备方法，具体地，涉及一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法。
技术介绍
铝合金具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀性，同时还具有良好的成形工艺性和焊接性，加之成本比较低，因此，成为航空、航天、船舶、汽车、列车、化工、军事等领域应用最广泛的一类有色金属结构材料。金属增材制造技术无需模具，可以根据零件三维模型直接成形，具备制造周期短、小批量零件生产成本低等特点，可以解决型号研制阶段快速响应的难题，与铝合金相结合，在航空航天领域取得了快速发展。随着航空航天、国防军工等高尖端领域对材料力学性能的要求越来越苛刻，不仅要求具备高强度高塑性，还需具有高的比刚度和比模量，导致对大型、复杂、精密的轻质高强高模材料构件的需求越来越迫切。铝硅合金具有良好铸造性能和耐磨性能，在铸造铝合金中用量最大。但铝硅基焊丝牌号少，成分添加不够完整，只作为焊接使用。国防军工等领域的飞速发展，对材料力学性能以及结构复杂程度提出了新的要求。电弧增材制造的出现可以很好地解决了上述难题，目前，金属材料增材制造的主要成形工艺有激光工程化净成形技术(LENS)，激光选区熔化(SLM)技术，电子束熔化(EBM)技术，电弧填丝熔敷成形(WAAM)等。采用激光作为热源，能够精确控制尺寸，使成形零件的表面质量好，材料利用率高。缺点是设备昂贵，致密性差，大型工件制造困难。而采用电弧填丝的增材制造工艺，相比于激光等能量束，具有一系列优势：1.制造成本低，采用普通金属丝材和普通焊接电源即可进行制造；2.生产效率高，对碳钢等材料而言，熔敷效率能够达8Kg/h；3.应用范围广，能够制造复杂结构，能够使用各类普通焊接焊丝，制造的零件应用于各个工业领域；4.制造零件力学性能好，焊接过程中的冶金作用使零件组织更致密、强度韧性更好；5.可增材的材料种类多，能够进行焊接的金属焊丝都可以进行增材制造。电弧增材制造相比激光增材制造沉积效率高，更适合打印大型零部件；在兼顾解决大型结构的同时，由于冷却速度快，可以细化晶粒，改善颗粒及合金元素分布，优化组织均匀性，提高材料的塑性、强度及耐腐蚀性能。国内外文献报导中铝硅基焊丝主要牌号为ER4043，合金组分及其重量百分比为：Si含量5％，Mg含量≤0.10％，Fe含量≤0.04％，Cu含量≤0.05％，余量为铝。研究重点主要在工艺参数和结构设计上，而力学性能评估中平均抗拉强度为245Mpa，平均延伸率为12.1％，仅能满足一般强度需求。因焊接所用的焊丝成分为接近母材成分，仅为适用于焊接过程进行了成分调整。将焊接所用的铝硅焊丝在电弧增材制造上直接应用性能低下，无法拓展电弧增材制造行业对于性能优化的要求，限制了电弧增材制造行业的进一步发展，因此铝硅合金在电弧增材制造行业应用的首要任务是建立全新的电弧增材制造用焊丝体系及标准。开发适用于电弧增材制造的高强韧铝合金焊丝体系必须综合考量焊丝的制造工艺以及电弧增材制造的工艺。常见的焊丝工艺需要经过盘条、机械去锈、酸洗、粗拉、中拉、热处理退火、电镀、细拉打轴、层绕、检验包装等步骤。之后成盘。随后衔接的是WAAM工艺即电弧增材制造系统。焊丝上盘，通过送丝系统输送。对于不同的焊接工艺，送丝系统会稍有差异，常用的TIG焊接与焊丝系统分开，焊丝系统额外向熔池输入焊丝，而MIG焊接和CMT焊接用金属焊丝替代电极，而CMT焊接工艺又在MIG焊接的基础上改进成为双送丝系统，可通过抽拉式的送丝系统有效控制熔池大小，进而降低焊接热，是铝合金焊丝的最推荐焊接工艺。但是双送丝系统对于焊丝的强韧性也提出了新的更高的要求。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，结合送丝系统和焊丝工艺综合考量，本专利技术的目的是提供一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法。本专利技术开发的硬度适中高强韧铝硅基焊丝，专用于电弧增材制造系统。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本专利技术提供一种铝硅基合金焊丝，所述焊丝由如下重量百分比含量的各组分组成：Al-Si(6.5％～7.5％)-Mg(0.4％～1％)－Ce(0.4％～1％)-Mn(0.4％～0.6％)。本专利技术中，Mn元素在其中的作用为平衡杂质元素，避免形成粗大的第二相，在本申请实施例1-5的组织中均未发现粗大第二相。低于0.4％Mn不足以平衡所有的杂质相，组织中易出现粗大相。0.6％以上Mn会对相图平衡温度产生推移，固而优选0.4％-0.6％。优选地，所述焊丝的直径为0.8、1.0、1.2、1.6或2.0mm。第二方面，本专利技术提供一种所述铝硅基合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：S1、铸造：将纯铝、Al-Si中间合金熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，在熔炼所得的熔体中依次加入Mg粒、Al-Ce中间合金及Mn粉，然后添加精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体静置后得到铸锭；S2、均匀化：将步骤S1所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；S3、挤压：将步骤S2所得的铸坯挤压成铝合金线坯；S4、拉制：将步骤S3所得的铝合金线坯经过多道次拉制，且拉制与去应力退火交替进行，拉制的延伸率随道次递减，最后将所述铝基合金线坯拉制成各种规格的焊丝。优选地，步骤S1中，所述Al-Si中间合金中Si的质量含量为10％，所述Al-Ce中间合金中Ce的的质量含量为40％。优选地，步骤S1中，所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；所述升温为升温至750～850℃。优选地，步骤S1中，所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂；所述除气精炼的条件为：温度为650～750℃；所述静置的时间为30-45min。优选地，步骤S2中，所述均匀化退火的步骤为：在490-510℃温度下保温24-36h。优选地，步骤S3中，所述挤压的条件为：挤压比为9-10，挤压速度为1.5-3.0m/min。优选地，步骤S3中，所述铝合金线坯的直径为20mm。优选地，步骤S4中，所述去应力退火的温度为400-480℃，所述去应力退火的时间为3h-6h，且所述去应力退火的温度和时间随道次递增。优选地，步骤S4中，将所述铝基合金线坯拉制成直径为0.8、1.0、1.2、1.6或2.0mm规格的焊丝。优选地，还包括如下步骤：S5、表面处理：对步骤S4所得的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。优选地，所述酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，所述酸洗的温度为50-60℃，所述酸洗的时间为30-45s；所述抛光所用混合酸液组分为：H3PO4：50wt％；H2SO4:35wt％；HNO3:8wt％；H2O：7wt％；所述钝化采用质量分数为10％-15％的重铬酸钾，所述钝化的时间为5-10s。第三方面，本专利技术提供一种所述铝硅基合金焊丝的在电弧增材制造中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术提供一种高强度高韧性的铝硅基合金焊丝。2、本专利技术配备的制丝工序中通过去应力退火温度和时间随道次递增逐步提升，焊丝的强度硬度逐步提高，而韧性也能保持。具有这种性质的焊丝才能实现连续生产，与电弧丝打印所匹配。3、本专利技术所提供焊丝与电弧增材制造技术匹配应用，所打印的结构性能超过了现有的铝硅基焊丝。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝硅基合金焊丝，其特征在于，所述焊丝由如下重量百分比含量的各组分组成：Al‑Si(6.5％～7.5％)‑Mg(0.4％～1％)－Ce(0.4％～1％)‑Mn(0.4％～0.6％)。

【技术特征摘要】
1.一种铝硅基合金焊丝，其特征在于，所述焊丝由如下重量百分比含量的各组分组成：Al-Si(6.5％～7.5％)-Mg(0.4％～1％)－Ce(0.4％～1％)-Mn(0.4％～0.6％)。2.一种根据权利要求1所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、铸造：将纯铝、Al-Si中间合金熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，在熔炼所得的熔体中依次加入Mg粒、Al-Ce中间合金及Mn粉，然后添加精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体静置后得到铸锭；S2、均匀化：将步骤S1所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；S3、挤压：将步骤S2所得的铸坯挤压成铝合金线坯；S4、拉制：将步骤S3所得的铝合金线坯经过多道次拉制，且拉制与去应力退火交替进行，拉制的延伸率随道次递减，最后将所述铝基合金线坯拉制成各种规格的焊丝。3.根据权利要求2所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；所述升温为升温至750～850℃；所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂；所述除气精炼的条件为：温度为650～750℃；所述静置的时间为30-45min。4.根据权利要求2所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述均匀化退火的步骤为：在49...

【专利技术属性】
技术研发人员：李险峰，夏存娟，邓亚琪，陈东，王浩伟，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31