铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度铝锂合金的激光‑电弧复合增材制造方法，包括：1）原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；2）设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；3）构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型。

【技术实现步骤摘要】
铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法
本专利技术涉及激光-电弧复合增材制造方法，尤其是涉及一种高强度铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法。
技术介绍
铝锂合金由于其重量轻和刚度强的性质而被应用在航空，航天和军事领域的关键结构中并受到广泛关注，因为铝锂合金不但在密度和比强度方面相比传统铝合金具有更佳的性能，而且其良好的疲劳强度、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能以及耐腐蚀性为航空航天构件带来了更好的损伤容限和耐久性能。Al-Li合金的优异性能主要归因于添加的Li带来了密度下降和弹性模量提升的效果，每加入1wt％的Li，铝合金密度降低约3％，弹性模量提高约6％。除更好的刚度和强度外，Al-Li合金在低温下的断裂韧性高于传统的铝合金。同时Al-Li合金还比传统的铝合金具有更高的抗疲劳裂纹扩展性和应力腐蚀开裂抗性。目前铝锂合金主要应用于航空航天中的大型结构件，以达到减重的目的，成型方式主要是为熔铸、粉末冶金等工艺。铝锂合金的熔铸与传统铝合金熔铸相似，但由于Li元素活性高，熔铸过程需进行全方位的保护，设备负责费用高，同时整个过程伴随着剧毒，爆炸等风险，而铸造好的铸锭往往需要多道的冷热加工才能获得目标构件。粉末冶金能达到更高的冷却速率，减少偏析提高固溶度，但成本更加高昂，铸锭尺寸受限。而电磁模拟微重力冶金以及喷射成型工艺成本高，成型尺寸受限无法满足制造应用于航空航天中的大型铝锂合金构件的需求。因此迫切需要采用一种先进的制造工艺技术来实现大型铝锂合金构件的制造，缩短型号设计验证周期，减少模具装备投入，提升经济效益，提高资源利用率。激光-电弧复合增材制造技术是一种新兴的增材制造方法，在大型结构件成型领域充满前景，相比传统使用电弧作为单一热源的电弧熔丝增材制造（WAAM），具有成型稳定性高，组织均匀缺陷少等优势。同时由于该工艺具有阴极雾化作用，在铝合金的增材制造中充满优势。然而目前传统的激光-电弧增材制造工作使用激光-电弧复合焊接设备开展，材料选择上只能使用成熟的商品牌号合金丝材，而铝锂合金由于其特殊的性质难以通过铸锭拉拔制丝，因此目前无法以丝材作为增材制造原料成型大型铝锂合金构件。
技术实现思路
本专利技术采用一种联用旁轴送粉激光熔化沉积设备与MIG电弧焊枪进行增材制造的工艺技术，通过成熟的铝合金焊丝与铝锂合金粉末，实现铝锂合金的制备成型一体化，实现大型铝锂合金构件的高效制造，并获得了理想的合金成分含量，解决了目前常规的激光-电弧增材制造材料选择上只能使用成熟的商品牌号合金丝材而铝锂合金又难以获得丝材所导致的增材制造原料成型大型铝锂合金构件所存在的矛盾，实现了激光-电弧复合增材制造成型对铝锂合金的原位制备。本专利技术中，电弧焊机使用铝合金丝材（如2219）的同时，联用激光熔化沉积增材设备旁轴送高锂含量的铝锂合金粉末，具体技术方案的实施如下：本专利技术的技术方案具体为，一种高强度铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法，包括：1）原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；2）设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；3）构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型。本专利技术技术方案中，所述预设的工艺参数中的送粉量m，根据设计铝锂合金粉末的名义成分，采用如下的经验公式确定，(1)上式中m为送粉量，单位g/s；d为焊丝直径单位mm；v为送丝速度，单位mm/s；ρs为焊丝密度，单位g/cm3；δ为粉末耗散常数，是一个与焊道宽度有关的无量纲参数，实际操作可通过后文公式（2）进行预实验计算；x为目标铝锂合金中锂含量，无量纲；k为有效锂元素利用率，是一个与激光功率有关的无量纲参数，实际操作可通过后文公式（3）进行预实验计算；在增材参数确定后可通过预实验确定δ和k的取值：在半封闭空间基板上进行单道成型实验，测定送粉器送出粉量以及环境散落粉量得到该增材参数下δ取值：（2）试中m送为送粉器送入的粉末质量，单位g；m散为结束后收集到的粉末质量，单位g；之后沿基板表面取下焊道进行元素成分测定，测定焊道中锂元素含量的质量分数，计算该增材条件下k取值：（3）式中c为测得的Li元素质量分数，无量纲；S为焊道截面积，单位cm2；L为焊道长度，单位cm；ρd为焊道密度，单位g/cm3。进一步优选的，沿运动方向，依次布置MIG焊枪和激光熔化沉积头，并且焊枪与垂直方向的夹角α为25-40°，激光束与垂直方向的夹角β取3-8°，光丝间距i为1.5-3mm；金属粉末由激光熔化沉积头的环形送粉口同轴送入熔池，粉末汇聚点为熔池中心。进一步优选的，所述预设的工艺参数为焊接电流110-125A，焊机电压17.7-19.0V，送丝速度7m/min，运动速度0.36m/min，激光功率1090W。进一步优选的，所述铝合金丝材为2219，且铝锂合金粉末的名义成分为20wt%的锂和余量的铝。同时，本专利技术还提供一种高强度铝锂合金大型构件，其由前述的激光-电弧复合增材制造方法制备得到。进一步优选的，所述铝锂合金构件的抗拉强度大于300MPa。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：首先，本专利技术在采用电弧焊机使用铝合金丝材（如2219）的同时，联用激光熔化沉积增材设备旁轴送高锂含量的铝锂合金粉末，从而解决了激光-电弧增材制造材料选择上只能使用成熟的商品牌号合金丝材而铝锂合金又难以获得丝材所导致的增材制造原料成型大型铝锂合金构件所存在的矛盾，实现了激光-电弧复合增材制造成型对铝锂合金的原位制备。第二，本专利技术使用了专利技术人富于独创的经验公式进行铝锂合金粉末名义成分和送粉量的设计，充分考虑了送粉过程中耗散和烧蚀对于锂元素含量的影响，从而使得成型后铝锂合金构件的成分与设计的目标成分保持一致，从而保证了铝锂合金构件的性能。第三，采用了前光后丝的设置，并保持适当的光丝间距，配合以MIG焊枪和激光束相应的倾斜夹角，以及合适的工艺参数，从而保证了铝锂合金构件的成型。附图说明图1为本专利技术激光-电弧增材制造的加工示意图。图2为本专利技术激光-电弧增材制造成型的铝锂合金与不含锂合金的抗拉强度。具体实施方式以下将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行描述。实施例1目前成熟的铝锂合金牌号多为由传统的2系铝铜合金成分发展而来，本专利技术采用2219铝合金丝材和高锂含量铝锂合金粉末为原料成型铝锂合金，具体合金的原材料的名义成分如下表1所示，其中Al-Li预合金粉是最佳选择，20wt.%Li的Al-Li预合金粉中的Li含量已经超出了室温下Li在Al的极限固溶度，且容易计算最终合金的元素含量。表12219铝合金丝材和实施例1选用铝锂合金粉末的名义成分（wt.%）...

【技术保护点】
1.一种高强度铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法，包括：/n1）原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；/n2）设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；/n3）构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型；/n其特征在于，所述铝合金丝材为2219，铝锂合金粉末的名义成分为20wt%的锂和余量的铝，所述预设的工艺参数中的送粉量m，根据设计铝锂合金粉末的名义成分，采用如下的经验公式确定，/n

【技术特征摘要】
1.一种高强度铝锂合金大型构件的激光-电弧复合增材制造方法，包括：
1）原材料设计，根据铝锂合金的目标组成选取铝合金丝材并设计铝锂合金粉末的名义成分；
2）设备安装调试，将专用激光熔化沉积头和MIG焊枪通过可调节夹具固定在机械手末端关节，并调整好激光熔化沉积头和MIG焊枪的位置和角度；
3）构件成型，在程序自动控制下按照预设工艺参数，进行铝锂合金构件的增材制造原位成型；
其特征在于，所述铝合金丝材为2219，铝锂合金粉末的名义成分为20wt%的锂和余量的铝，所述预设的工艺参数中的送粉量m，根据设计铝锂合金粉末的名义成分，采用如下的经验公式确定，

(1)
上式中m为送粉量，单位g/s；d为焊丝直径单位mm；v为送丝速度，单位mm/s；ρs为焊丝密度，单位g/cm3；δ为粉末耗散常数；x为目标铝锂合金中锂含量；k为有效锂元素利用率；
在增材参数确定后可通过预实验确定δ和k的取值：
在半封闭空间基板上进行单道成型实验，测定送粉器送出粉量以及环境散落粉量得到该增材参数下δ取值：

（2）
式中m送为送粉器送入的粉末质量，单位g；m散为结束后收集...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱婷婷，陈博，
申请(专利权)人：北京煜鼎增材制造研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11