一种增材制造用7000系铝合金线材及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属材料制备技术领域，具体公开了一种增材制造用7000系铝合金线材及其制备方法，将原位生成有TiB2颗粒的Al‑Ti‑B中间合金进行剧烈塑性变形，得含有纳米级TiB2颗粒或两种颗粒混合的中间合金，其中纳米TiB2颗粒的尺寸为50～1000nm；将纳米级TiB2颗粒的中间合金作为基体原材料，加入他金属或中间合金进行熔炼，得合金熔体；将合金熔体制成线坯；将线坯热轧、拉拔、中间退火和表面处理，得到纳米亚微米梯度尺度的颗粒增强的Al‑Zn‑Mg‑Cu合金线材。通过该方法制备的Al‑Zn‑Mg‑Cu合金线材熔化后能够显著细化合金组织，降低凝固热裂纹敏感性，同时提高合金熔化后的铸态强度，可用于高强Al‑Zn‑Mg‑Cu合金结构件的增材制造及焊接。

A 7000 Series Aluminum Alloy Wire for Adding Material Manufacturing and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造用7000系铝合金线材及其制备方法
本专利技术涉及金属材料制备
，特别涉及一种增材制造用7000系铝合金线材及其制备方法。
技术介绍
增材制造，俗称3D打印，激光增材制造技术是3D打印的一种，即采用激光器作为热源，通过逐层制造的方式来构造实体；激光增材制造技术又以激光立体成形(lasersolidforming，LSF)和激光选区熔化(selectivelasermelting，SLM)两大工艺发展较为成熟，而这两大工艺均以金属(非金属、金属基复合材料)的粉末为原材料进行制造。铝合金具有良好的导电导热性，较高的强度质量比、抗腐蚀性能和耐损伤性等优势，被广泛用于航空航天、轨道交通、汽车等诸多领域，由于相比于钛合金、铁基合金、镍基合金等，铝合金粉末具有高的激光反射率(达91％)，高的热传导率，容易氧化，密度小，粉末流动性差等特点，对激光增材制造技术要求极高，这就极大的限制了铝合金的快速制造发展。激光-电弧复合增材制造是基于激光-电弧复合焊接的一种全新高效的增材制造技术，以激光、电弧为复合热源，使用铝合金线材作为填充材料的制造技术，该技术的发展极大的推动了铝合金在快速制造领域的应用。但对于高强铝合金，例如7000系铝合金(即Al-Zn-Mg-Cu合金)还存在凝固过程中(增材制造过程)热裂纹倾向比较高的问题，即在激光-电弧复合增材制造中高强铝合金中会出现明显的裂纹，且还存在凝固后合金强度较低的问题，从而严重影响高强铝合金构件的性能。因此本专利技术针对上述问题研发了一种适用于增材制造的高强7000系铝合金线材及其制备方法，该合金线材熔化过程中凝固热裂纹敏感性低，且凝固后合金强度较高。该专利技术在高强铝合金构件增材制造中具有十分重要的创新价值和工程应用意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种增材制造中热裂纹敏感性低，且凝固后合金强度较高的7000系铝合金线材及其制备方法。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种增材制造用7000系铝合金线材，将含有纳米TiB2颗粒的Al-Ti-B中间合金，与其他金属或中间合金熔炼加工而成；该线材中纳米颗粒弥散分布在合金基体中，纳米颗粒尺寸为50～1000nm，该线材的化学成分按重量百分比为：Zn：5.0～7.5％、Mg：1.5～3.0％、Cu：1.0～2.5％、Ti：1.0～3.0％、Sc：0～0.6％、Cr：0.05～0.2％、B：0.2～1.0％，其余为Al和不可避免的杂质元素。本技术方案的技术原理和效果在于：1、本方案中的颗粒增强7000系铝合金线材在增材制造过程中，TiB2纳米颗粒能够起到细化晶粒的作用，相较于无纳米颗粒的合金线材，熔体的凝固方式由粗大柱状晶结晶(裂纹敏感性大)转变为细小的等轴晶(裂纹敏感性小)结晶方式，凝固方式的改变使得该合金线材的凝固裂纹敏感性降低，而纳米颗粒细化晶粒的作用能够显著提高合金铸态强度。2、本方案中TiB2颗粒为纳米级及亚微米级(50nm～1.0μm)，尺寸小使得纳米颗粒的形状在宏观上是比较规则的，这就使得凝固过程中纳米颗粒与7000系(Al-Zn-Mg-Cu)铝合金界面的结合较好，从而使得7000系铝合金铸态强度得到较大的提高。3、本方案中纳米颗粒由于其熔点较高(超过2950℃)，而7000系(Al-Zn-Mg-Cu)铝合金的熔炼温度通常不超过800℃，这就使得在熔炼过程中，纳米颗粒不会熔化，性质和形状均比较稳定，对7000系(Al-Zn-Mg-Cu)铝合金的晶粒起到良好的细化作用，另外纳米颗粒由于弥散分布在7000系(Al-Zn-Mg-Cu)铝合金中，进一步提高了颗粒增强7000系(Al-Zn-Mg-Cu)铝合金线材的综合性能。进一步，所述Al-Ti-B中间合金中Ti和B的重量百分比为x:1，其中x>2.2。有益效果：由于Ti和B完全生成TiB2的重量比为2.2：1，也就是说在理想情况下，当x＝2.2时，熔体中没有过剩的Ti或B；由于Ti和B在完全生成TiB2之后，熔体中过剩的Ti会与Al生成Al3Ti颗粒，而Al3Ti颗粒对7000系铝合金的晶粒同样起到了细化的作用，因此将x的值设定为大于2.2，使得熔体中能够形成Al3Ti颗粒，从而与TiB2颗粒共同起到细化晶粒的作用。进一步，所述x≤3。有益效果：虽然Al3Ti颗粒对7000系铝合金的晶粒起到了细化的作用，但是专利技术人发现当x＞3时，合金熔体中Ti含量过多，形成了粗大的Al3Ti颗粒，对7000系合金产生了不良的影响。进一步，一种增材制造用7000系铝合金线材的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将原位生成有TiB2颗粒的Al-Ti-B中间合金进行剧烈塑性变形，得含有纳米级TiB2颗粒的中间合金，其中纳米TiB2颗粒的尺寸为50～1000nm；步骤2：将步骤1中得到的纳米级TiB2颗粒的中间合金作为基体原材料，加入其他金属或中间合金在750～780℃温度下进行熔炼，并铸造成圆铸棒；步骤3：将步骤2得到的圆铸棒进行热挤压，得规格为的线坯；步骤4：将步骤3中的线坯经热轧、拉拔、中间退火和表面处理，得到的颗粒增强7000系铝合金线材。本申请中专利技术人巧妙的构思：有研究发现通过外加TiB2颗粒(粉末冶金工艺)和原位生成TiB2颗粒，可得到强度较高的颗粒增强铝基合金线材；而原位颗粒增强铝基合金线材是指，通过铝基体中的熔体反应直接生成的TiB2陶瓷颗粒，由于采用原位生成的TiB2颗粒为微纳米级别的，因此TiB2颗粒增强铝基复合材料在制备时大量的微纳米颗粒在熔体中受界面能的驱动会团聚在一起，并在后续的凝固过程中被固液界面前沿推移，最终在基体凝固组织的晶界处发生大量团聚，使得原位自生的颗粒尺寸大小分布不均，大颗粒尺寸高达50～70μm，同时大尺寸颗粒的形状不规则，与基体界面的结合性差，这样就使得铝基复合材料的强度大大的降低。为了解决上述问题，研发人员主要有两个方向，一是通过控制原位反应过程，使熔体中形成粒径更小(纳米级)，且不会团聚的纳米颗粒，但是由于熔体自生反应和液相凝固过程是非常复杂的，难以控制，因此效果不佳；而另一种方式则是将原位生成有纳米颗粒的Al-Zn-Mg-Cu合金熔炼铸造之后，再采用剧烈塑性变形的方式来打散团聚的原位纳米颗粒。对于第二种方式，由于公知的合金材料(金属复合材料)中，合金元素的种类越多，合金化程度高，材料的塑性加工性能越差，从而对设备工艺以及变形条件要求较为苛刻，很难对颗粒增强铝基复合材料进行大塑性变形，即使通过极端条件得以实施，其加工试样尺寸往往较小，很难得到实际的工程应用。而本申请的专利技术人另辟蹊径，先对原位生成有纳米颗粒的中间合金进行剧烈塑性变形，再加入其他金属或中间合金进行熔炼，这样的制备方法：(1)原位生成有TiB2颗粒的Al-Ti-B中间合金，又称为细化剂，顾名思义通常是在铝基合金熔炼过程中少量加入，以达到晶粒细化的作用，在市场上是比较常见的，因此可以定制不同Ti/B比例的Al-Ti-B中间合金以满足工艺需求。(2)由于Al-Ti-B中间合金中Al基占比最高，合金元素只有Ti一种，且结合附图1中可知Al-Ti-B中间合金的晶粒较大，这是由于纳米颗粒在原位生成过程中大量的团聚，对晶粒细化作用小，而正是由于合金元素少，晶粒粗大，使得对Al-Ti-B中间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造用7000系铝合金线材，其特征在于：将含有纳米TiB2颗粒的Al‑Ti‑B中间合金，与其他金属或中间合金熔炼加工而成；该线材中纳米颗粒弥散分布在合金基体中，纳米颗粒尺寸为50～1000nm，该线材的化学成分按重量百分比为：Zn：5.0～7.5％、Mg：1.5～3.0％、Cu：1.0～2.5％、Ti：1.0～3.0％、Sc：0～0.6％、Cr：0.05～0.2％、B：0.2～1.0％，其余为Al和不可避免的杂质元素。

【技术特征摘要】
1.一种增材制造用7000系铝合金线材，其特征在于：将含有纳米TiB2颗粒的Al-Ti-B中间合金，与其他金属或中间合金熔炼加工而成；该线材中纳米颗粒弥散分布在合金基体中，纳米颗粒尺寸为50～1000nm，该线材的化学成分按重量百分比为：Zn：5.0～7.5％、Mg：1.5～3.0％、Cu：1.0～2.5％、Ti：1.0～3.0％、Sc：0～0.6％、Cr：0.05～0.2％、B：0.2～1.0％，其余为Al和不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的一种增材制造用7000系铝合金线材，其特征在于：所述Al-Ti-B中间合金中Ti和B的重量百分比为x:1，其中x>2.2。3.根据权利要求2所述的一种增材制造用7000系铝合金线材，其特征在于：所述x≤3。4.一种制备如权利要求3所述的增材制造用7000系铝合金线材的方法，包括以下步骤：步骤1：将原位生成有TiB2颗粒的Al-Ti-B中间合金进行剧烈塑性变形，得含有纳米级TiB2颗粒的中间合金，其中纳米TiB2的尺寸为50～1000nm；步骤2：将步骤1中得到的纳米级TiB2颗粒的中间合金作为基体原材料，加入其他金属或中间合金在750～780℃温度下进行熔炼，并铸造成圆铸棒；步骤3：将步骤2得到的圆铸棒进行热挤压，得规格为8～10mm的线坯；步骤4：将步骤3中的线坯经热轧、拉拔、中间退火和表面处理，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈继强，刘超，李奇龙，齐亮，赵鸿金，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36