一种改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法技术

本发明专利技术属于铝合金增材制造技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法


[0001]本专利技术属于铝合金增材制造
，涉及一种改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法
。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦增材制造是基于搅拌摩擦焊接开发的新型增材制造
(
也称
3D
打印
)
技术，通过搅拌头的连续摩擦使材料升温变形，逐层沉积获得近净成形的技术
。
该技术具有制造条件自由
、
速度快
、
成本低和环保性好的优势，所制备材料晶粒细小和致密度高的特点
。
在搅拌增材制造过程中，由于热积累和散热条件差异，构件从底部到顶部
、
从外表面到芯部的热历史过程存在明显差异，构件不同位置的变形量也不尽均匀，容易出现晶粒粗化
、
析出长大和组织分布不均匀的现象，这很大程度上影响了搅拌增材制造构件的性能
。
[0003]多个牌号直接搅拌增材制造构件的力学性能指标低于固溶
+
人工时效处理铝合金铸锻态产品，主要表现在强度偏低且离散度大，很大程度上制约了其应用
。
目前针对搅拌增材制造方法制备铝合金构件热处理工艺通常采用直接时效处理或固溶
+
时效处理，该方式无法有效消除材料加工过程由于剧烈热
‑
力耦合效应作用下巨大变形贮存能导致晶粒异常长大的现象
。
同时，目前尚未有针对搅拌增材制造铝合金组织均匀性改善方法被公开报道
。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于解决搅拌增材制造构件在固溶处理时晶粒异常长大的问题，提供一种改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法，在制造搅拌摩擦增材制造铝合金过程中利用冷却气体或冷却液主动控制成形过程中的热量累积，调控已加工层的组织形貌，获得均匀分布的超细晶组织；在增材制造结束后通过优化后续热处理工艺，使得搅拌摩擦增材制造所产生的超细晶粒在固溶处理过程中得以保留，避免常规固溶热处理过程中析出相粗化以及晶粒异常长大等现象，配合随后实施的人工时效处理，使材料的组织更均匀，性能得到显著提升
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法，在搅拌增材制造铝合金构件过程中通过喷嘴直接将冷却气体喷射在已成形铝合金构件上或直接将基板和已加工层浸于冷却液中进行冷却，通过主动控制热量累积抑制组织粗化，在增材制造完成后进行固溶处理之前，进行去应力退火处理，部分消除变形贮存能，避免材料在后续固溶处理过程中发生明显晶粒粗化和异常长大
。
[0007]进一步，所述搅拌增材制造铝合金构件为2系
、6
系或7系铝合金构件
。
[0008]进一步，搅拌摩擦增材制造包括以下步骤：
[0009]S1、
选用铝合金块材作为基体，通过控制铝合金棒材的进料速度
、
搅拌摩擦头转速
、
行进速度，使铝合金在搅拌摩擦增材制造过程中能够连续稳定逐层沉积；
[0010]S2、
在铝合金搅拌摩擦增材制造过程中，通过冷却气体或冷却液对基板及已加工
层进行冷却，加快搅拌过程热量传导，减少热量累积对组织的影响
。
[0011]进一步，对搅拌摩擦增材制造的铝合金构件进行多级热处理：
[0012]1)
在固溶热处理前将工件加热至
200
～
400℃
保温
0.1
～
10
小时进行去应力退火处理，该处理过程可以部分消除变形贮存能，避免材料在后续固溶处理过程中发生明显晶粒粗化和异常长大，保留搅拌摩擦增材制造形成的细小晶粒
。
[0013]2)
加热到
450
～
550℃
保温
0.5
～5小时进行固溶处理，快速冷却至室温，使溶质元素重新固溶到基体中，改善组织均匀性
。
该处理过程中铝合金晶粒大小未发生显著粗化，成功保留搅拌摩擦增材制造得到的细晶组织
。
[0014]3)
加热至
100
～
300℃
人工时效处理1～
100
小时，随后冷却至室温，材料析出相的均匀性和强度硬度性能得到显著提高
。
[0015]进一步，步骤
S1
中铝合金棒材的进料速度控制在5～
100mm/min
，搅拌摩擦头转速控制在
500
～
1500r/min
，行进速度控制在
20
～
200mm/min。
[0016]进一步，步骤
S2
中喷嘴分布在加工工件的左右两侧，每侧根据加工工件尺寸布置1～5个喷嘴
。
[0017]进一步，冷却气体选择不可燃气体，如空气
、
氮气或二氧化碳等
。
[0018]进一步，冷却液选择不可燃液体介质，如水
、
液态二氧化碳或有机硅基冷却液等
。
[0019]本专利技术的有益效果在于：
[0020](1)
本专利技术通过主动冷却方式有效地控制搅拌增材制造过程热量累积对组织粗化的影响，解决搅拌增材制造铝合金组织不均匀和性能不佳等突出问题，发挥搅拌摩擦增材制造技术优势，保障构件性能；在搅拌摩擦增材制造成形后通过多级热处理，在固溶前进行去应力退火，使得铝合金组织在保留搅拌摩擦增材制造形成的细小晶粒的情况下，组织均匀性
(
尤其是析出相
)
得到明显改善，硬度
、
强度等材料力学性能指标获得显著提高
。
[0021]本专利技术的其他优点
、
目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导
。
本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得
。
附图说明
[0022]为了使本专利技术的目的
、
技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0023]图1为搅拌增材制造示意图
。
[0024]图2为施加不可燃冷却液体浸泡在线主动冷却方式的搅拌增材制造示意图
。
[0025]图3为施加不可燃冷却气体的在线主动冷却方式的搅拌增材制造示意图
。
[0026]图4为
6060
铝合金组织形貌及晶粒大小分布图，其中
(a)
为初始打印态，
(b)
为打印
+
热处理态
。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法，其特征在于：在搅拌增材制造铝合金构件过程中通过喷嘴直接将冷却气体喷射在已成形铝合金构件上或直接将基板和已加工层浸于冷却液中进行冷却，通过主动控制热量累积抑制组织粗化，在增材制造完成后进行固溶处理之前，进行去应力退火处理，部分消除变形贮存能，避免材料在后续固溶处理过程中发生明显晶粒粗化和异常长大
。2.
根据权利要求1所述的改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法，其特征在于：所述搅拌增材制造铝合金构件为2系
、6
系或7系铝合金构件
。3.
根据权利要求2所述的改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法，其特征在于：搅拌摩擦增材制造包括以下步骤：
S1、
选用铝合金块材作为基体，通过控制铝合金棒材的进料速度
、
搅拌摩擦头转速
、
行进速度，使铝合金在搅拌摩擦增材制造过程中能够连续稳定逐层沉积；
S2、
在铝合金搅拌摩擦增材制造过程中，通过冷却气体或冷却液对基板及已加工层进行冷却，加快搅拌过程热量传导，减少热量累积对组织的影响
。4.
根据权利要求3所述的改善搅拌摩擦增材制造铝合金组织均匀性的方法，其特征在于：对搅拌摩擦增材制造的铝合金构件进行多级热处理：
1)
在固溶热处理前将工件加热至
200
～
400℃
保温...

【专利技术属性】
技术研发人员：晁琦，钱金彪，曹平源，谢信亮，李仁庚，范国华，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：