本发明涉及铝合金技术领域，主要涉及铝合金的成形方法。
背景技术：
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。
铝合金通常使用铜、锌、锰、硅、镁等合金元素，20世纪初由德国人Alfred Wilm发明，对飞机发展帮助极大，一次大战后德国铝合金成分被列为国家机密。跟普通的碳钢相比有更轻及耐腐蚀的性能，但抗腐蚀性不如纯铝。在干净、干燥的环境下铝合金的表面会形成保护的氧化层。
造成电偶腐蚀(Galvanic corrosion)加速的情况有：铝合金与不銹钢接触的情况、其他金属的腐蚀电位比铝合金低或是在潮湿的环境下。如果铝和不銹钢要一同使用必须在有water-containing systems或是户外安装两金属间电子或电解隔离。
铝合金的成分需要向美国铝业协会(Aluminium Association，AA)注册。许多组织公布更具体制造铝合金的标准，包括美国汽车工程协会(Society of Automotive Engineers，SAE)特别是航空标准，还有美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials，ASTM)。
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶 铝合金及化学工业中已大量应用。
随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结 构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
纯铝的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大约是铁的1/3，熔点低(660℃)，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性(δ：32～40％，ψ：70～90％)，易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。
添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb值分别可达24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值σb/ρ)胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50％以上。
但是，铝合金在室温下的塑性很差，加工成形非常困难，限制了该材料的工程化应用。为此，研究人员正积极发展其近净成形技术，如粉末冶金、精密铸造、定向凝固和激光熔化沉积等。
激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[.如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者.
激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节 约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。
应用于激光熔覆的激光器主要有二氧化碳激光器和固体激光器(主要包括碟片激光器，光纤激光器和二极管激光器，老式灯泵浦激光器由于光电转化效率低，维护繁琐等问题已逐渐淡出市场)。对于连续二氧化碳激光熔覆，国内外学者已做了大量研究.高功率固体激光器的研制发展迅速，主要用于有色合金表面改性。据文献报道，采用二氧化碳激光进行铝合金激光熔覆，铝合金基体在二氧化碳激光辐照条件下容易变形，甚至塌陷。固体激光器，特别是碟片激光器输出波长为1.06μm，较二氧化碳激光波长小1个数量级，因而更适合此类金属的激光熔覆。
激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似，同步送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。
激光熔覆成形技术是在无需专用工装模具的情况下，通过高功率激光熔化同步输送的各种金属粉末，逐点逐层堆积来成形金属零件的过程。该技术采用增量生长的方式成形零件，可显著提高材料利用率，而且成形构件仅需最终精加工，能大大缩短零件制造和研制周期，提高研制效率，降低成本。另外，在一台设备上可进行多种材料和不同外形零件的制造，并可通过再编程方便地改变零件设计，具有很高的加工柔性，在由合金制造高性能零件的快速制备上具有广阔的开发应用前景。
铝合金在激光熔化沉积过程中由于较高热应力的存在，极易发生开裂。据国内外报道，激光成形制造的铝合金制品尺寸有限，一般只有60mm左右，另外易裂的问题很难通过改变工艺参数来解决。铝合金基体在预热时容易发生开裂，为避免该问题所采用的工艺变得复杂。本发明通过调整初始熔覆层的成形工艺和对基板的预热工艺，制造了无裂纹的铝合金材料，并在掌握成形该合金工艺的基础上，制造出尺寸较大的铝合金样品。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中铝合金容易开裂的问题，采用了如下技术方案：
本发明通过调整初始熔覆层的成形工艺和对基板的预热工艺来进行无裂纹铝合金激光立体成形，采用的具体技术方案如下：
1.一种铝合金的成形方法，所述方法包括：
(1)建立铝合金的三维模型，并对该三维模型进行剖分，根据剖分结果编制熔覆控制程序并加载到数控系统中；
(2)将所述数控系统设置成控制送粉喷嘴的扫描速度为150-180米/小时，将送粉系统的送粉速度设定为9至12克/分钟，并且将熔覆控制程序中每层的剖分高度设定为0.15-0.25mm，在基板上熔覆8-12层，从而形成基础熔覆层；
(3)再将送粉喷嘴的扫描速度调整为250-350米/小时，同时将送粉系统的送粉速度调整为8-12克/分钟，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.5-1.0mm，在所述基础熔覆层上进行均匀稳定的成形，直至成形过程结束。
2.如技术方案1所述的方法，其特征在于：所述基板的材料为含钛的铝合金。
3.如技术方案1或2所述的方法，其特征在于：所述基板的材料厚度为8-12mm。
4.如技术方案1至3中任一项所述的方法，其特征在于：所述熔覆的成形室内的氧含量低于80ppm。
5.如技术方案1至4中任一项所述的方法，其特征在于：首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量12-16升/分钟，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于100ppm。
6.如技术方案1至5中任一项所述的方法，其特征在于：所述送粉系统采用的铝合金粉末的粒度约50-300目。
7.如技术方案1所述的方法，其特征在于：形成所述基础熔覆层时，设定激光功率参数为500-1000W。
8.根据技术方案1至7中任一项所述的方法，其特征在于：进行所述均匀稳定的成形时，设定激光功率参数为1500-2500W。
9.根据技术方案1至7中任一项所述的方法，其特征在于：所述送粉系统采用的铝合金粉末的粒度约100-200目。
10.根据技术方案1至7中任一项所述的方法，其特征在于：：形成所述基础熔覆层时，设定激光功率参数为600-800W。
本发明采用激光立体快速成形技术进行制造，该技术是根据快速成形原理采用高功率激光束直接将同步输送的铝合金粉末熔化，然后快速凝固，随着激光束和送粉喷嘴的同步运动，连续逐层熔覆出致密的高性能金属结构件的制造方法。本发明通过设定不同的剖分高度，控制机床的不同运行速度(喷嘴的扫描速度)，设定送粉系统不同的送粉速度，即可制造无裂纹的铝合金材料或铝铝基其它易裂合金材料。与传统工艺相比，采用该工艺方法制造铝合金材料，可以避免熔覆过程中出现铝合金容易产生裂纹的现象，制造出无裂纹的铝合金材料，为铝合金在快速制造领域实现工程化奠定了基础。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明做详细的说明。
本发明采用激光立体成形技术制造无裂纹铝合金材料，该方法所用设备为激光立体成形设备，其可以通过商购获得。
优选地，激光器1采用4KW二氧化碳快轴流激光器；基板6采用铝合金材料，在该基板上面进行熔覆；铝合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100目-200目。
采用上述设备制备无裂纹铝合金材料的步骤如下：
首先，将要成形材料所用铝合金板材用工装卡具固定在水冷机床台面上，然后封闭成型室。此时成形室内为空气，由于铝合金的熔覆需要在氧含量低于80ppm才能进行熔覆，所以需要先充入氩气以排除空气，流量12-16升/分钟。当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统进一步降低氧含量(因为净化系统在氧含量较高时工作容易损坏净化系统)，当氧含量低于80ppm时便可以开启熔覆程序。
然后打开激光器，将高纯二氧化碳、高纯He、高纯N2的压力调节至0.5MPa左右，使激光器1产生的激光束经过反射镜4后在基板6上形成一束光斑并形成熔池；然后打开送粉器2，粉末经过送粉喷嘴5后汇聚于激光光斑焦点上；设定送粉速度为5克/分钟，送粉气体流量5-6L/min。
然后，制备熔覆铝合金的基础熔覆层(或称为初始层)，其中利用三维建模软件建立用于熔覆成形样品的三维模型，采用剖分软件将三维模型剖分根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统。
比如可以建立样品三维模型。以尺寸为60mm×150mm×3.5mm的样品为例，首先建立名称为shiyang1.prt的文件，然后建立直角坐标系，输入长宽高分别为60mm、150mm和3.5mm的参数，便建立了样品的三维模型，然后将模型保存为shiyang1.stl格式后存盘退出UG系统。之后采用激光成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，打开剖分软件(专用软件)，导入shiyang1.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制计算机3。每层的剖分高度设定为0.15-0.25mm；选取的基板为厚度约8-12mm的铝合金板材。开启设备运行键后，激光器和送粉系统以及机床同时启动，激光束和送粉喷嘴沿着剖分软件生成的运动路径进行扫描运动，粉末输送到激光焦点上并经熔化和凝固后形成熔覆层，这样随着机床的运动便开始了连续的熔覆过程。开始进行第一层熔覆时调整送粉喷嘴的扫描速度为150-180米/小时，送粉速度为9至12克/分钟，连续熔覆8-12层形成铝合金初始层。
接着，在铝合金初始层熔覆完成后，采用激光成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分。首先打开剖分软件(专用软件)，导入shiyang1.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制系统计算机。每层的剖分高度设定为0.4mm-0.6mm；调整送粉喷嘴的扫描速度为250-350米/小时，送粉速度8-12克/分钟，使其稳定熔覆成形，熔覆控制程序运行结束后成形样品实体件完成，整个激光熔覆成形过程结束。
之后关闭成形室的进气阀门和激光器，调整数控系统为手动模 式，将水冷机床台面调至原始位置，打开成形室门对其进行通风换气，20min后操作人员进入成形室，待成形样品冷却后清除多余铝合金粉末，打开工装卡具将基板从水冷机床台面上取下，基板上成形的铝合金样品即为所成形的铝合金材料。
实施例1：本实施例制造宽60mm、高150mm、壁厚3.5mm的铝合金样品。具体制造步骤如下：
选取厚度约12mm的铝合金板材，用工装卡具固定在机床上。开启激光器，设定激光功率参数为800W，高纯二氧化碳、高纯He、高纯N2的压力调节至0.5MPa左右，冷却水流量约20L/min。将铝合金粉末装入送粉器。建立模型并采用成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，每层的剖分高度设定为0.15mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为150米/小时，送粉速度10克/分钟。熔覆10层时，采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.5mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为250米/小时，送粉速度8克/分钟；功率为2000W，送粉气体流量12L/min。在250-350米/小时之间微调整送粉喷嘴的扫描速度使生长速度稳定，当熔覆成形完成时，停止设备。关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面调至原始位置，样品冷却后将基板从水冷机床台面上取下，基板上成形的铝合金样品即尺寸为60mm×150mm×3.5mm铝合金材料。
实施例2：本实施例制造高度宽40mm、高50mm、壁厚10mm的铝合金样品。具体制造步骤与实施例1基本相同，只是在熔覆12层时，采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.6mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为300米/小时，送粉速度10克/分钟；功率为2500W，送粉气体流量8L/min。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。