一种用于铝合金零件增材修复的集约化合金材料的制备方法技术

一种用于铝合金零件增材修复的集约化合金材料的制备方法，属于激光增材制造研究领域。本次发明专利技术采用添加一定比例稀土元素(Zr

【技术实现步骤摘要】
一种用于铝合金零件增材修复的集约化合金材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种新型集约化铝合金粉末的制备方法，激光增材制造一种针对舰船、航空等领域多种铝合金构件应急替换、综合性能优异的零部件。

技术介绍

[0002]铝合金凭借密度小、比强度高、塑性好、膨胀系数小、耐腐蚀性高等优点，在航空、舰船等领域得到广泛应用。但是铝合金本身存在硬度低、强度差、摩擦系数大等不足，限制了其在高精尖制造业领域的进一步发展。受传统观念影响，大多通过改变成分的方式来进行力学性能的调整，结果导致了性能相近的材料却存在不同的化学成分，尤其在航空航天、远洋航海这类特殊领域。一方面对生产不利，加大了人力、物力的消耗，另一方面没有充分发挥合金元素自身的内在潜力，也忽略了很多强化机理。因此，一种高强高韧的集约化铝合金粉末的制备工艺颇为重要，具有减量化成分，实现“一铝多用”的集约化生产目的，充分发挥其在生产制造中的积极效应。该集约化粉末的制备，提高了适用范围、满足多数产品的修复再制造，尤其在远洋航海中，应对多种零件的损坏等紧急情况时。国内外学者近年来对铝合金成形后热处理进行了大量研究，大量数据表明成形后的热处理对铝合金成形组织性能、耐腐蚀性、硬度等产生巨大影响。所谓成形后热处理是指为了提高合金的强度与硬度的一种加热或冷却处理。相对于钢而言，铝合金具有独特的优势，在淬火后，可塑性随之升高，与此同时，时效处理也使得铝合金的强度和硬度随之升高。
[0003]国内关于稀土元素在铝合金中的应用从20世纪60年代才开始研究，开展虽然很晚，但是近年来发展很快，国内研究学者从机理研究到实际应用做了大量的工作。随着稀土元素这股新生命的注入，制造业的发展得到了空前的进步。当然，铝合金的力学性能、铸造性能、电化学性能等也得到了极大的改善，主要表现在净化溶体、改善组织、细化晶粒等方面。
[0004]稀土元素具有很高的化学活性，几乎可以与铝合金内部所有的合金元素作用。铝及铝合金中常加入的稀土元素主要有Sc、Zr、Ce等，通常以变质剂形成晶核的作用加入铝液中。当前的铝合金在熔铸过程中，通常会带入大量气体(主要是氢、氧)，使得铸件产生大量缺陷。适量的稀土元素加入铝合金中，可以提高合金的硬度、耐腐蚀性、伸长率和耐磨性等。
[0005]激光增材制造技术是一种新型的三维成形技术，它是将三维零件模型以0.8mm厚度切片分层，再将模型三维数据信息转换成一系列二维轮廓信息，最后采用激光熔覆的方法根据轮廓信息逐层堆积材料，最终形成三维零件(如图1)。激光增材制造系统装备和核心组成主要包括激光系统、送粉系统、喷头系统、控制系统、机械平台五个部分。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目标是针对航空、舰船等领域多种铝合金构件的破损与缺失，配制一种新型的铝合金粉末，并提供一种制备方法，凭借其集约化特性，以达到多种原始零部件的更换，同时相对原始构件，硬度、强度、韧性等得到了提升。
[0007]本专利技术涉及一种用于铝合金零件增材修复的集约化合金材料及制备方法，各组分的质量百分比如下：Mg:0.31～0.42wt％；Mn:0.15～0.38wt％；Cu:0.04～0.12wt％；Sc:0.015～0.025wt％；Zr:0.07～0.13wt％；Zn:0.28～0.32wt％；Ce:0.02～0.035wt％；Pb:0.02～0.05wt％；Fe:0.7wt％；Sn:0.007wt％；Co:0.0065wt％；Y:0.0045wt％；La:0.0015wt％；余量为Al；将三维零件模型以0.8～1.5mm厚度切片分层，再将三维数据信息转换成一系列二维轮廓信息，最后通过数控系统输入指令至机器手示教器，控制激光头进行零件的增材制造，工艺参数如下：激光功率1200W～2800W，扫描速度5～10mm/s，送粉速度2.5～6g/min，光斑直径2～3mm,搭接率30～50％，激光束与内壁法线方向的夹角为10～15
°
，氩气保护气流量15～25L/min，单层搭接可形成厚度0.8～1.5mm的铝合金涂层。
[0008]待增材制造完毕并机械加工后，将零件置于铝合金立式淬火炉中进行淬火时效处理，该热处理调控参数包括：淬火温度为400～450℃，时效温度为160℃，时效时间2h。
[0009]本专利技术主要用于航空、舰船等领域铝合金构件破损的应急更换，通过激光增材制造技术快速制备可替换的铝合金构件，并且保证硬度、耐磨性和耐腐蚀等性能满足服役条件。
附图说明
[0010]图1是激光增材制造技术原理图
[0011]图2是高清摄像监控下的熔池形貌
[0012]图3是激光增材制造三维构件宏观图
[0013]图4是激光增材制造三维构件界面图
[0014]图5是试样热处理后的组织形貌图
[0015]图6是激光增材制造试样与基体极化曲线对比图
[0016]图7是激光增材制造试样与基体硬度对比曲线图
具体实施方式
[0017]实施例1
[0018]包括以下步骤：
[0019](1)新型集约化铝合金粉末按质量百分比设计为：Mg:0.32wt％；Mn:0.21wt％；Cu:0.08wt％；Sc:0.018wt％；Zr:0.11wt％；Zn:0.28wt％；Ce:0.025wt％；Pb:0.03wt％；Fe:0.7wt％；Sn:0.007wt％；Co:0.0065wt％；Y:0.0045wt％；La:0.0015wt％；余量为Al；按上述组分的质量百分比称量该配比的单元素粉末，在球磨机中进行粉末混合3小时，混合后得到均匀粉体；
[0020](2)将粉末在干燥箱内烘干2小时，干燥温度为100摄氏度，备用；
[0021](3)将2024发动机支架的表面用丙酮清洗擦拭，直到表面油污杂质清理完毕，移动半导体激光器熔覆头至叶片预先设定的待成形起点位置，调整熔覆头与叶片表面距离至15mm；
[0022](4)将装有新型铝合金粉末的送粉器连接激光器，通过控制平台中的示教器，调用
预先编写的模型二维轮廓信息(分层厚度1.0mm)对应的程序，自动执行激光增材制造实验，工艺参数为激光功率1600W，扫描速度6mm/s，送粉速度3r/min，光斑直径2mm,搭接率40％，激光束与内壁法线方向的夹角为12
°
，氩气保护气流量18L/min。待第一层成形完毕，暂停程序，测得单层搭接可形成厚度1.0mm的铝合金涂层，随即继续执行程序；
[0023](5)待成形完毕，将制备的铝合金构件置于铝合金立式淬火炉中进行淬火时效处理，该热处理调控参数包括：淬火温度为400℃，时效温度为160℃，时效时间2h；
[0024](6)待热处理完成以后，用车床进行机械加工，实时监测切削力的变化，在加工余量允许的范围内，得到表面质量优异、光泽度较高的构件。
[0025]下面对本实例得到的合金涂层进行各种性能测试。
[0026]1、电化学实验
[0027]用CHI660D本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于铝合金零件增材修复的集约化合金材料的制备方法，其特征在于：各组分的质量百分比如下：Mg:0.31～0.42wt％；Mn:0.15～0.38wt％；Cu:0.04～0.12wt％；Sc:0.015～0.025wt％；Zr:0.07～0.13wt％；Zn:0.28～0.32wt％；Ce:0.02～0.035wt％；Pb:0.02～0.05wt％；Fe:0.7wt％；Sn:0.007wt％；Co:0.0065wt％；Y:0.0045wt％；La:0.0015wt％；余量为Al；制备步骤如下：(a)将三维零件模型以0.8～1.5mm厚度切片分层，再将三...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨胶溪，崔哲，柯华，刘哲，朱清，马文雨，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：