一种通过过程中断降低增材制造铝合金柱状晶尺寸的方法

本发明属于金属增材制造，特别是涉及一种通过过程中断降低增材制造铝合金柱状晶尺寸的方法。

背景技术：

1、目前，通过增材制造技术制备的铝合金材料和构件，已经在航空航天、国防军工、轨道交通等领域实现了工业化应用。其中，金属电弧增材制造技术，是指以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式制造金属实体材料与构件的一种近成形技术。但因其沉积成形的工艺特性，使其在电弧增材过程中，残存于金属沉积层的热量无法及时扩散出去，而新制备的一层沉积层在形成过程中同时会对之前形成的沉积层产生较大的热影响，且随着沉积层厚度的增加，热量的积累也会越来越多，导致试样整体温度不断累积增加，这种自上而下的温度梯度分布的特征，极易形成尺寸粗大的柱状晶，甚至会贯穿数个沉积层，而形成的这种不均匀的微观结构特点，会导致增材构件的力学性能表现出明显的各向异性特征，从而严重影响其工程化应用。对于铝合金而言，在其熔丝增材制造过程中也会出现上述问题。

2、基于上述分析可见，如何通过降低枝晶尺寸来减轻增材制造材料的各向异性问题，目前已经成为电弧增材制造领域研究的热点之一。通过优化工艺参数、热处理等方法可以在一定程度上调节增材制造过程中的热输入，从而降低晶粒尺寸，但其过程复杂且优化效果十分有限。此外，通过在增材制造过程中引入一些复合或辅助技术，也是一种常用的手段，如增材制造过程中引入激光冲击强化技术，利用激光的冲击效应，使材料表面发生超高应变率的塑性变形，会在一定程度上起到调控微观组织的作用，但是作用的深度和厚度较薄，仅为几十到几百微米；也有通过增材制造结合超声处理进行组织调控的研究，即通过超声波作用于熔池，在熔池中产生超声空化和声流效应，也可以起到提高形核率、细化晶粒的作用，但是这种复合工艺操作过程相对复杂，工艺参数多，在一定程度上影响了其应用范围和领域。此外，研究证实在铝合金增材制造过程中，可以通过添加合金元素的方法来提高成形材料在增材制造凝固时的形核率，从而获得等轴晶粒，这也是一种常见的抑制柱状枝晶的方法，如在7075铝合金中加入sc元素，通过形成al3sc相，起到形核剂的作用，但是sc等元素价格昂贵，并且适用的铝合金种类也有限；综上可见，开发操作简单、有效的抑制铝合金增材制造过程中大尺寸柱状枝晶的新工艺、新方法具有重要的意义。

3、金属增材领域所谓的“过程中断”是指在制造连续成形过程中出现制备过程中断的现象。通过合理控制过程中断的时间，会有效改变构件的温度梯度以及形核条件。研究已经证实，在过程中断前后，材料的组织与性能会发生一定的变化。但是有关如何充分利用过程中断方式控制枝晶尺寸的研究，目前还鲜有报道。

4、综上可见，如果在电弧增材制造铝合金构件时，能够利用过程中断的方式解决因其在增材制造过程中，熔池冷却速率快、温度梯度高而导致液相金属以极少的晶粒为核心沿沉积方向外延生长为柱状晶的问题，将对电弧增材制造技术在金属构件制造领域的工业化应用具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种通过过程中断降低增材制造铝合金柱状晶尺寸的方法。在基板上按设定的成形路径沉积第一层后，通过控制增材制造设备的停止，实现过程中断，从而保证熔池前沿能够提供足够的成分过冷度，有效抑制金属沿沉积方向外延生长为粗大柱状晶的问题；然后，继续沉积第二层金属，随后再进行过程中断，再接着沉积第三层；以此类推，重复上述步骤，直至成形金属件，达到降低增材制造铝合金柱状枝晶尺寸的目的。

2、一种通过过程中断降低增材制造铝合金柱状晶尺寸的方法，具体包括以下步骤：

3、(1)将打磨、清洗、烘干后的基板固定于工作台上，去除基板表面油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁，然后将基板预热到150～200℃；

4、(2)在基板上采用搭接式的电弧熔丝增材制造方式，循环往复，沉积出第一层铝合金熔覆层；

5、(3)控制增材制造设备暂停，进行中断，中断时长为t1；

6、(4)在第一层基础之上，采用步骤(2)中的沉积方式，沉积第二层铝合金熔覆层；

7、(5)控制增材制造设备暂停，再进行中断，中断时长为t2；

8、(6)采用第二层铝合金熔覆层的沉积方式，共沉积n+1层，获得铝合金柱状枝晶尺寸得到降低的金属构件；

9、其中：第i层和i-1层之间的中断时间为ti-1，i＝2，……，n+1，n为增材熔覆层数，n≥2且n为整数；

10、(7)增材制造完成后，进行机加处理。

11、其中：

12、所述步骤(1)中，选取的基板厚度为15～20mm，基板种类选自2系、4系、5系或7系铝合金中的一种。

13、所述步骤(2)中，电弧熔丝增材制造方式选取的丝材直径为1.2～2.0mm，丝材种类选自2系、4系、5系或7系铝合金中的一种。

14、所述步骤(2)中，搭接是指后一道熔覆层部分熔池位于前一道熔覆层之上，其余熔池位于基板之上，搭接区域宽度为2.5～3mm。

15、所述步骤(2)中，具体的电弧熔丝增材过程如下：增材制造枪体从原点按送丝速度为6～10m/min、电流为90～120a、电压为20～25v、增材速度为8～10mm/s、保护气为99.9％氩气，气体流量为10～25l/min的参数进行熔丝增材，相邻两道熔覆层之间采用搭接的方式进行制造。

16、所述铝合金熔覆层的厚度为1～1.5mm。

17、所述中断时长t1，t2，…，tn均满足t1≤t1，t2，…，tn≤t2，其中：

18、t1：任意一层完全冷却的熔覆层与刚刚完成堆积的熔覆层之间进行热传导，顶层与底层之间温度距室温相差3～20℃时所需要的中断时间；

19、t2：整体构件完全冷却到室温所需要的时间；

20、所述冷却方式为空冷。

21、所述步骤(4)中，具体的电弧熔丝增材过程如下：中断过后，在第一层的基础上按送丝速度为6～10m/min、电流为90～120a、电压为20～25v、增材速度为8～10mm/s、保护气为99.9％氩气，气体流量为10～25l/min的参数进行熔丝增材，相邻两道熔覆层之间采用搭接的方式进行制造。

22、所述步骤(7)中，机加处理为对整体构件进行打磨，至毛刺被去除。

23、采用本方法所制得的金属构件，柱状晶平均长径降低40％～55％，抗拉强度提升20～35mpa，塑性提高20％～40％。

24、本发明的有益效果是：

25、1.本发明所提供的降低增材制造铝合金柱状晶尺寸的方法，各沉积层在经过过程中断及冷却后，制备的金属构件从组织方面体现为晶粒细化，可以得到尺寸较小的柱状晶，改善了显微组织。

26、2.采用本发明所提供的降低增材制造铝合金柱状晶尺寸的方法，能够大幅减小粗大柱状晶长径比，实现了合金显微组织调控，同步提高了合金的强度和塑性。

27、3.本发明所提供的降低增材制造铝合金柱状晶尺寸的方法，基于电弧增材制造过程中断技术，解决了直接连续增材制造的成形件粗大的柱状晶组织的局限，改善了构件的各项异性特征，扩展了增材制造金属构件的应用领域。