本發(fā)明屬于金屬材料電弧熔絲增材制造領(lǐng)域，具體是一種電弧熔絲增材制造高強(qiáng)鋁合金的方法。

背景技術(shù)：

1、電弧熔絲增材制造技術(shù)以電弧為熱源，金屬絲材為供給原料，在計(jì)算機(jī)的輔助下完成結(jié)構(gòu)件的快速成形。因其具有成形效率高、制造成本低、不依賴傳統(tǒng)模具等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)在航空航天領(lǐng)域倍受關(guān)注。但是由于其逐層熔覆的工藝特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象及層間區(qū)域孔隙缺陷的存在。此外，結(jié)構(gòu)件在電弧熔絲增材制造過(guò)程中難免會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的熱歷史，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件內(nèi)部存在應(yīng)力集中、晶粒粗化及元素偏析等缺陷。這些缺陷的存在，嚴(yán)重危害了結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能。

2、層間塑性變形復(fù)合增材制造技術(shù)是改善鋁合金組織缺陷并提高其力學(xué)性能的有效手段。采用層間塑性變形復(fù)合增材制造的方式能夠獲得細(xì)小晶粒組織，并實(shí)現(xiàn)對(duì)成形件的位錯(cuò)強(qiáng)化，提高構(gòu)件力學(xué)性能。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化型高強(qiáng)鋁合金，固溶時(shí)效熱處理是改善其力學(xué)性能必不可少的后處理工藝。然而，經(jīng)過(guò)層間變形處理后的增材制造結(jié)構(gòu)件在經(jīng)歷后續(xù)高溫固溶熱處理的過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，從而顯著降低甚至消除層間變形所帶來(lái)的晶粒細(xì)化及位錯(cuò)強(qiáng)化效果。因此，如何同時(shí)保留層間塑性變形所帶來(lái)的位錯(cuò)強(qiáng)化效果以及固溶時(shí)效熱處理所帶來(lái)的沉淀強(qiáng)化效果，是進(jìn)一步提升電弧熔絲增材制造鋁合金結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的主要措施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提出一種電弧熔絲增材制造高強(qiáng)鋁合金的方法。該方法可以在電弧熔絲增材制造過(guò)程中，分段式的對(duì)已沉積部分進(jìn)行原位固溶處理及層間變形處理，為結(jié)構(gòu)件提供固溶強(qiáng)化之后，又對(duì)其提供了加工硬化效應(yīng)，再通過(guò)后續(xù)整體的低溫時(shí)效熱處理，獲得具有充分沉淀強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化的鋁合金結(jié)構(gòu)件，從而顯著提高結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度，促進(jìn)結(jié)構(gòu)件組織均勻化，削弱結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力，減少結(jié)構(gòu)件內(nèi)部孔隙缺陷。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：當(dāng)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行電弧熔絲增材制造時(shí)，每沉積一層或設(shè)定層數(shù)后，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，將已沉積部分加熱并保溫在某一設(shè)定溫度，進(jìn)行原位固溶處理。當(dāng)已沉積部分完成原位固溶處理后，通過(guò)層間變形裝置對(duì)其進(jìn)行塑性變形處理，以已沉積部分的變形量為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定變形量后，完成層間變形處理。電弧熔絲增材制造、原位固溶處理、層間變形處理三者循環(huán)往復(fù)，直至完成結(jié)構(gòu)件的整體制造，最終對(duì)整體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理，完成結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)化。

3、一種電弧熔絲增材制造高強(qiáng)鋁合金的方法，包括以下步驟：

4、步驟1：對(duì)結(jié)構(gòu)件整體建模后，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行分層切片，并規(guī)劃成形軌跡，焊槍(5)在機(jī)器人的控制下，沿成形軌跡逐層沉積；

5、步驟2：將基板(2)表面清理干凈并去除表面氧化膜后，固定于冷卻水箱(8)內(nèi)的工作臺(tái)(1)上，在保護(hù)氣(4)的保護(hù)下，被電弧融化為熔池(7)，跟隨焊槍(5)沿設(shè)定成形軌跡進(jìn)行電弧熔絲增材制造，形成沉積層；

6、步驟3：沉積設(shè)定層數(shù)后，移走焊槍(5)，將電磁感應(yīng)線圈(14)置于已沉積部分(3)外側(cè)，電磁感應(yīng)線圈(14)的形狀與尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)件的形狀制作，線圈與結(jié)構(gòu)件之間的距離小于20mm；電磁感應(yīng)設(shè)備的相應(yīng)參數(shù)根據(jù)所選結(jié)構(gòu)件的材料類型確定，溫度范圍在450℃-550℃之間，加熱時(shí)間為1小時(shí)-2小時(shí)，將已沉積部分(3)加熱到設(shè)定溫度范圍，通過(guò)測(cè)溫裝置(12)，監(jiān)視已沉積部分(3)的實(shí)時(shí)溫度，并在該溫度范圍內(nèi)保持設(shè)定時(shí)間，開始原位固溶處理；

7、步驟4：完成原位固溶處理后，立即撤除電磁感應(yīng)線圈(14)及測(cè)溫裝置(12)，并通過(guò)進(jìn)水口(9)注入冷卻液，快速調(diào)節(jié)冷卻液面(13)的高度，對(duì)原位固溶部分進(jìn)行原位淬火處理；

8、步驟5：通過(guò)出水口(10)調(diào)節(jié)冷卻液面高度，用夾緊裝置(11)固定，使已原位固溶處理部分(16)重新露出水面，露出液面的高度不超過(guò)5mm，并進(jìn)行干燥處理；將層間變形裝置(15)移至已沉積部分(3)上方，從一側(cè)開始，對(duì)已原位固溶處理部分(16)進(jìn)行層間變形處理，直至已原位固溶處理部分(16)達(dá)到設(shè)定變形量；

9、步驟6：以完成步驟5所述的層間變形處理的已沉積部分為基礎(chǔ)，重復(fù)步驟2至步驟5，直至完成結(jié)構(gòu)件整體的制造；

10、步驟7：將步驟6得到的試樣進(jìn)行時(shí)效熱處理，時(shí)效溫度根據(jù)材料合金牌號(hào)確定，溫度范圍在100℃-200℃之間，保溫時(shí)間為12小時(shí)-24小時(shí)之間，完成對(duì)結(jié)構(gòu)件的沉淀強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金的制備，得到電弧熔絲增材制造高強(qiáng)鋁合金。

11、進(jìn)一步地，所述結(jié)構(gòu)件的供給絲(6)包括但不限于2xxx系及7xxx系等可進(jìn)行固溶強(qiáng)化的鋁合金；所述結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)度方向的尺寸不超過(guò)500mm、厚度不超過(guò)50mm；

12、所述基板(2)的長(zhǎng)度和寬度比所述結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)度和寬度至少增加100mm，以便于夾持，所述基板厚度不小于20mm，基板材質(zhì)為與電弧熔絲增材制造結(jié)構(gòu)件為同一系列的鍛造鋁合金板材。

13、進(jìn)一步地，所述的電弧熔絲增材制造過(guò)程中沉積層的厚度范圍在1.0mm-3.0mm之間，成形軌跡由分層切片軟件進(jìn)行規(guī)劃，逐層沉積，并根據(jù)實(shí)際情況及要求進(jìn)行更改。

14、進(jìn)一步地，所述電弧熔絲增材制造高強(qiáng)鋁合金參數(shù)范圍為：電流95a-230a、電壓8.8v-16.7v、送絲速度5m·min-1-11m·min-1、焊槍移動(dòng)速度5mm·s-1-25mm·s-1。

15、進(jìn)一步地，步驟3所述的原位固溶區(qū)域的高度為1層或多層，所述高度不超過(guò)20mm。

16、進(jìn)一步地，所述的原位固溶方法，鋁合金的固溶處理溫度范圍在450℃到550℃之間，保溫時(shí)間為0.5h-3h，可根據(jù)不同合金的固溶處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

17、進(jìn)一步地，所述的淬火方式，其冷卻液包括但不限于水、油等，所述冷卻液溫度在0℃-25℃之間且淬火時(shí)間不超過(guò)1min。

18、進(jìn)一步地，步驟4所述的原位淬火處理結(jié)束后至步驟5所述的層間變形處理開始進(jìn)行的時(shí)間間隔不能超過(guò)2min。

19、進(jìn)一步地，所述的層間變形方式，包括但不限于輥輪滾軋、機(jī)械鍛打等形式，所述沉積層厚度變形量為40％-60％。

20、進(jìn)一步地，所述的層間變形裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人或三坐標(biāo)機(jī)床等。

21、進(jìn)一步地，所述步驟6中結(jié)構(gòu)件整體完成制造后，要求在5小時(shí)內(nèi)進(jìn)行步驟7所述的時(shí)效熱處理。

22、本發(fā)明與現(xiàn)有電弧熔絲增材制造技術(shù)相比，其有益效果為：

23、本發(fā)明在電弧熔絲增材制造過(guò)程中，分段式的對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了原位固溶處理，為結(jié)構(gòu)件提供了固溶強(qiáng)化，提高了結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，為后續(xù)熱處理奠定了基礎(chǔ)。

24、對(duì)于可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，電弧熔絲增材制造領(lǐng)域缺乏一種適用性較強(qiáng)的原位固溶復(fù)合層間變形的制造方法。本發(fā)明對(duì)電弧熔絲增材制造沉積層進(jìn)行原位逐層固溶，隨后對(duì)已完成固溶的沉積層進(jìn)行層間塑性變形處理，最終對(duì)整體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理，能夠在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件沉淀強(qiáng)化的同時(shí)保留層間塑性變形所帶來(lái)的晶粒細(xì)化效果，獲得從而獲得力學(xué)性能更優(yōu)，晶粒組織更加均勻細(xì)化的高強(qiáng)鋁合金。在層間變形處理前已完成對(duì)相應(yīng)沉積層的高溫固溶處理，通過(guò)最終的整體低溫時(shí)效熱處理即可制備高強(qiáng)度鋁合金，避免了傳統(tǒng)層間變形后對(duì)結(jié)構(gòu)件整體高溫固溶熱處理所帶來(lái)的再結(jié)晶軟化現(xiàn)象對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的損害。