一种适用于电弧3D打印的耐热铝合金材料及其制备方法

本发明属于有色金属材料，特别涉及一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、增材制造技术采用逐层累加材料的方式快速制造形状复杂零件，相较于传统的减材制造、粉末冶金制造技术，增材制造技术无需多余的夹具，模具和大型热加工设备，可制造内腔复杂的工件，实现轻量化减重、个性化定制、制造成本降低和易于修复与再制造等优点。

2、目前，应用最普遍的增材制造技术之一是激光粉末床熔融技术(powder bedfusion-laser beam,pbf-lb)，其加工由计算机设置好的路径，运用激光对铺粉器预铺的一层金属粉末进行扫描，金属粉末熔化且与前一层构成冶金，进而形成实体。但铝合金粉末材料制粉困难、利用率低、成本高。目前，已经工业化应用的激光粉末床熔覆铝合金主要为中等强度的al-si体系中的alsi10mg(zl 202111590710.0)和al-mg-sc系稀土铝合金；以及高强度的al-mn-mg-sc-zr系(zl 202111620782.5)、al-zn-mg-zr(zl 201980053543.0)系铝合金。alsi10mg合金的室温抗拉强度为455mpa，延伸率为6％，合金致密度可达98％以上。al-mg-sc-zr合金的室温抗拉强度为382mpa，延伸率为18％。而al-mn-mg-sc-zr系(zl202111620782.5)、al-zn-mg-zr(zl 201980053543.0)系铝合金经过3d打印成型后强度可以达到500mpa以上。专利文献1(公开号：cn109202062b)公开了一种用于增材制造的al-mg-li-sc-zr铝合金粉末及其制备方法，其沉积态试样棒的室温抗拉强度为380mpa，通过热处理后试样棒室温抗拉强度达到450mpa。除了上述以追求强度为目标的专利技术外，还出现了通过添加高si、高fe、ni、mn，(zl202310030680.0)，高fe、高cr、高mo(zl202110708534.x)以及添加高稀土ce、y(zl202011601822.7)为主要合金元素，以提高高温力学性能为目标的激光粉末床熔覆增材制造铝合金材料及打印成形技术。但这些添加高si、高fe、高cr、高mo以及高稀土元素的铝合金室温延伸率都比较低，不适合于加工成丝材应用于电弧增材制造工艺。而激光粉末床熔覆增材工艺的缺点就是制粉成本高、粉末利用率低、综合成本高，不能满足航天先进飞行器结构的低成本制造要求。

3、与之对应的则是电弧增材制造技术(waam),它是利用分层叠加制造原理，以金属丝材为原料，通过电弧提供热源熔化丝材，并逐层堆积从而形成金属复杂结构零件毛坯的近净成形技术。该方法的材料利用率相对较高，具有成本低的特点。其要求首先把增材制备成丝材，一般直径为0.6-1.5mm。这就要求增材合金不仅具有优异的增材成形工艺性与高的力学性能，而且还要求优良的增材前的丝材成形工艺性。目前，采用waam方法增材制造的铝合金有如下几类：一是现有成熟的工业化铝合金，如2319、2219、5183等合金，它们的室温抗拉强度为260-290mpa，延伸率为5.6％。另一类则是以不同特定性能目标为导向，通过成分设计及丝材制备获得适用于电弧增材制造的铝合金材料及制备工艺。比如以高强度为目标的电弧增材铝合金技术(zl202211342950.3、zl202010110340.5)；以轻量化为目标的电弧增材铝合金技术(zl202010110318.0、zl202110275417.9)；以获得高表面张力的电弧增材铝合金技术(zl202210505416.3)，以及以提高电弧增材制品耐热性能的al-ce、al-si丝材制备技术(zl202210770787.4、zl202010105755.3)。但是，这些即使是以提高耐热性能为目标的专利技术，它们最终能够达到的高温力学性能都不高。其中，zl202210770787.4专利文献报道的室温拉伸性能为200-220mpa，200℃拉伸性能仅为174-205mpa；zl202010105755.3专利文献报道的室温强度为370-372mpa，200℃拉伸强度也只有为265-269mpa。如此低的高温力学性能根本无法满足先进航天飞行器的要求。

技术实现思路

1、为了解决电弧增材铝合金材料高温力学性能不足的问题，本发明提供了一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料，该耐热铝合金材料拥有良好的室温力学性能和高温力学性能，可适用于航空航天飞行器构件的制造。

2、本发明还提供了一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料的制备方法。

3、本发明通过以下技术方案实现：

4、本发明提供一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料，以质量分数计，所述耐热铝合金材料的化学成分为：

5、cu:5.7～7.0％,mg:0.11～0.35％,ag:0.7～1.5％,mn:0.2～0.6％,ti:0.10～

6、0.35％,v:0.1～0.4％,zr:0.01～0.10％,cd:0.1～0.3％,ce:0.01～0.1％,cr:0.1～0.35％,b:0.01～0.05％,fe≤0.06％,si≤0.06％；余量为al以及其它不可避免的杂质元素；

7、其中，cu和mg的质量比cu/mg≥20。

8、优选的，以质量分数计，所述耐热铝合金材料的化学成分为：

9、cu:6.0～6.5％,mg:0.13～0.25％,ag:0.8～1.2％,mn:0.25～0.40％,ti:0.20～0.30％,v:0.18～0.25％,zr:0.05～0.10％,cd:0.15～0.30％,ce:0.02～0.07％,cr:0.1～0.2％,b:0.02～0.05％,fe≤0.06％,si≤0.06％；余量为al以及其它不可避免的杂质元素；

10、其中，cu和mg的质量比cu/mg≥25。

11、适用于同一发明构思，本发明提供一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料的制备方法，所述制备方法包括：

12、将预热后的纯金属al、mg、ag和cd，以及中间合金al-cu、al-mn、al-v、al-zr、al-ti、al-ce、al-cr和al-ti-b进行熔炼，后进行浇铸，得到铸锭；

13、将所述铸锭进行热挤压或热轧，获得铝杆；

14、将所述铝杆进行多次拉拔，每次拉拔后进行中间退火处理，获得目标尺寸丝材；

15、通过电弧3d打印工艺将所述丝材加工成al-cu-ag合金构件；

16、将所述al-cu-ag合金构件进行高温固溶处理，水淬后进行人工时效处理，获得耐热铝合金材料。

17、进一步的，所述将将预热后的纯金属al、mg、ag和cd，以及中间合金al-cu、al-mn、al-v、al-zr、al-ti、al-ce、al-cr和al-ti-b进行熔炼，后进行浇铸，得到铸锭，具体包括：

18、将预热后的纯金属al、mg、ag和cd，以及中间合金al-cu、al-mn、al-v、al-zr、al-ti、al-ce、al-cr和al-ti-b全部熔化后通入氩气，对熔体进行精炼、除渣后将熔液温度控制在730～740℃，进行静置10mins后浇铸，得到铸锭。

19、进一步的，所述将所述铸锭进行热挤压或热轧，获得铝杆，具体包括：

20、将所述铸锭热挤压至直径为10mm的铝杆，挤压比为25-35；

21、或者，将所述铸锭热轧成直径为10mm的铝杆。

22、进一步的，所述将所述铝杆进行多次拉拔，每次拉拔后进行中间退火处理，获得目标尺寸丝材，具体包括：

23、将所述铝杆进行多次拉拔，每次拉拔的变形量为5～10％，每次拉拔后进行中间退火处理，获得直径为0.6～3.0mm的丝材；

24、其中，所述中间退火处理的退火温度为350～450℃，保温时间为4～8h。

25、进一步的，所述通过电弧3d打印工艺将所述丝材加工成al-cu-ag合金构件，具体包括：

26、将基板安装在电弧3d打印设备的工作台上，以所述丝材为原料，通过电弧3d打印工艺在所述基板上逐层沉积出al-cu-ag合金构件。

27、其中，基板和丝材可预先进行表面处理，清除表面氧化物和油污。

28、进一步的，所述将所述al-cu-ag合金构件进行高温固溶处理，水淬后进行人工时效处理，获得耐热铝合金材料，具体包括：

29、将所述al-cu-ag合金构件在520～530℃下进行固溶处理，保温4～12h，水淬后进行人工时效处理，获得耐热铝合金材料；

30、其中，所述人工时效处理的工艺参数为：温度165℃，保温12～20h。

31、进一步的，所述基板采用al-cu系铝合金，所述电弧3d打印工艺的工艺参数如下：成形模式脉冲+变极性冷金属过渡成形，电压11.7v、电流88a、送丝速度83mm/s、成形速度6mm/s、层间冷却时间60s，整个过程通入高纯度氩气进行气氛保护。

32、优选地，所述丝材的直径为0.6～2.0mm。

33、可选的，所述al-cu-ag合金构件尺寸为120～180mm×60～90mm×7～10mm。

34、适用于同一发明构思，本发明提供一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料的制备方法在制备航空航天飞行器构件中的应用。

35、本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

36、1.本发明一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料，通过合金成分设计、改进丝材制备工艺以及调控增材制件热处理工艺制度，制得的耐热铝合金打印试块的室温(25℃)抗拉强度360～443mpa，延伸率3.7～7.1％，200℃抗拉强度317～370mpa，延伸率5.5～11.0％；300℃抗拉强度224mpa，延伸率为6.2％，合金的致密度高达99.99％，且未发现热裂纹存在，通过合金成分设计和制备工艺改进相配合，使该耐热铝合金材料拥有优异的高温力学性能和良好的室温塑性，可适用于航空航天飞行器构件的制造，确保了航空航天飞行器的服役安全性。

37、2.本发明一种适用于电弧3d打印的耐热铝合金材料，其中丝材的增强方式为合金补偿和合金强化，配备的制丝工序中，将铸锭热挤压或热轧至直径为10mm的铝杆，再通过多次拉拔和去应力退火，得到的直径0.6～3.0mm的铝合金丝材的强度硬度和韧性仍能保持，丝材的合金成分设计能够保证在增材制造过程中少量mg挥发损失后仍然具有足够的含量和强化水平；丝材经过表面光亮处理后，具有良好的增材制造工艺性，能够实现连续生产，可广泛运用于电弧增材制造。