用于焊接和增材制造的铝合金丝材及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种用于焊接和增材制造的铝合金丝材及其制备方法。

背景技术

随着轨道交通、航空飞行器、运载火箭、军用装甲车、新能源汽车等对轻量化、高性能需求的日益迫切，高强度铝合金材料的应用越来越广泛，常用的高强铝合金材料包括Al-Mg系、Al-Cu系、Al-Zn-Mg-Cu系合金以及航天常用的Al-Li系和Al-Sc系合金。这些铝合金强度往往达到400-600MPa，能够很好的对装备进行减重。但是，对铝合金制件进行连接所用的传统焊丝材料往往强度不高于300MPa，且焊接高强度的Al-Cu系、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Li系时往往容易出现焊接性较差，易开裂问题，成为高强铝合金整体结构的薄弱环节，无法发挥出高强铝合金制件轻量化、高性能的优势。因此，为了提高焊缝性能、降低焊缝开裂倾向，需要开发专门的高强度阻裂铝合金焊丝。

另一方面，增材制造技术的发展给轻量化复杂结构的快速制造带来了新的可能，其中电弧增材制造技术以焊接为冶金基础，采用数字化的方式进行逐层打印来构建零件，能够最大限度地降低材料损耗，提升个性化复杂零件的制造速度，同时提高零件的性能。而电弧增材制造所用的“耗材原料”即为焊丝。因此，为了提升增材制造铝合金零件的强度，降低零件在逐层制造过程中不断熔化凝固所造成的开裂倾向，也急需开发一种高强度的阻裂铝合金焊丝材料。

目前，国内研制的高强度铝合金焊丝主要为通过添加Sc元素强化的Al-Sc焊丝，Sc元素的强化作用主要源于热处理时效过程中的Al3Sc纳米粒子析出强化。但是这种强化机制主要存在三个问题：一是强化作用单一，Al3Sc纳米粒子需要在热处理时效过程中产生，这虽然适用于可以热处理的增材制造制件，但一般不做热处理的焊缝，其强化作用有限，无法兼顾增材制造和焊接两种工艺；二是Sc元素过多添加往往会提高焊缝和制件的屈强比，降低延伸率，同时作为一种战略性的稀土元素，Sc元素价格高，造成丝材成本高；三是目前含Sc的铝合金焊丝由于硬度高，在制备过程中往往需要采用多次拉拔，甚至是轧制或旋锻的方式进行制备，成本高，效率低，且不利于铝合金焊丝氢、氧含量的降低，造成焊接和增材过程中气孔的增多。

因此，急需开发一种具有多重强化机制的高强铝合金焊丝及快速高效制备方法，以同时适用于焊接和增材制造，提高铝合金焊丝的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于焊接和增材制造的高强铝合金丝材及其制备方法，制得的铝合金丝材能够显著提高焊缝和增材制造件的强度，不易开裂，且具有较好的耐腐蚀性，适用于轨道交通、航空航天、船舶、兵器等具有高强度要求的高端制造领域。

为实现上述目的，本发明提供一种铝合金丝材，按质量百分比计，包括如下合金元素：Mg：6.0～8.0wt％；Sc：0.3～0.8wt％；Zr：0.1～0.4wt％；Mn：0.4～0.8wt％；Si：0.6～1.5wt％；Fe：≤0.1wt％；Zn：0.03～0.1wt％；Ti：0.03～0.1wt％；Cr：≤0.1wt％；Cu：≤0.05wt％；余量为Al。

本发明所提供的铝合金丝材，尤其适用于用于焊接和增材制造，通过Sc、Zr元素的复合添加，一方面能够在焊接和增材过程中的层间搭接区形成Al3Sc或Al3(Sc、Zr)纳米颗粒，从而在凝固界面前沿的液相中形成质点，破坏树枝晶的形成，减小二次枝晶的间距，形成等轴晶，降低开裂倾向；另一方面能够在焊接热循环或后期热处理时效过程中形成Al3Sc或Al3(Sc、Zr)纳米颗粒，形成沉淀强化，以提高最终焊接接头或增材制件的强度。

进一步地，本发明利用焊接和增材“高温快冷”的冶金过程能够溶解更多的合金元素形成过饱和固溶体的特点，在丝材中设计了较高含量的Mg元素(6.0-8.0wt％)与Al合金形成固溶体，以在焊接和增材过程中形成过饱和固溶体，进而通过固溶强化机制提高最终焊接接头或增材制件的强度。设计一定量的Si元素添加，一方面，降低焊接和增材过程中热裂纹的形成倾向；另一方面，可与Mg元素形成Mg2Si沉淀强化粒子，提高最终焊接接头或增材制件的强度。

进一步的，Si+Mg的总含量为6.8～9wt％，优选为7～9wt％，且Si/Mg的质量比≤0.25。如此控制，能够避免析出过多的Mg2Si沉淀强化粒子导致焊缝或增材件塑性降低，从而因强塑性不匹配导致应力开裂的问题。

进一步的，Mn+Sc+Zr+Ti的总含量≤2wt％，能够控制焊丝成本，同时保证焊缝或增材件的塑性。

在本发明的一些实施方式中，Sc/Zr的质量比为1.5～2.5；Fe+Zn+Cr+Cu的总含量≤0.3wt％，能够降低焊接或增材过程的热裂纹倾向。控制Sc/Zr质量比为2-3，能够保证Al3Sc或Al3(Sc、Zr)与基体Al的共格关系，有利于综合性能的提高。

进一步的，当Mg含量为7～8wt％时，Sc含量为0.3～0.6wt wt％；当Mg含量为6～7wt％时，Sc含量为0.4～0.8wt％。

在一些优选实施方式中，Mg的质量含量为6.1～6.9wt％或7.1～7.9wt％，例如6.3wt％、6.5wt％、6.8wt％、7.3wt％、7.5wt％、7.6wt％、7.9wt％等。

在一些优选实施方式中，Si的质量含量为0.6-0.1.2wt％，例如0.63wt％、0.66wt％、0.75wt％、0.85wt％、0.95wt％、1.1wt％等。通过合适量的Si元素，一方面降低焊接和增材过程中热裂纹的形成倾向，另一方面能够与Mg元素形成Mg2Si沉淀强化粒子，提高最终焊接接头或增材制件的强度。

在一些优选实施方式中，Sc的质量含量为0.5-0.75wt％，例如0.55wt％、0.65wt％、0.75wt％等。

在一些优选实施方式中，Zr的质量含量为0.15-0.35wt％，例如0.15wt％、0.22wt％、0.25wt％、0.35wt％等。

在一些优选实施方式中，Mn的质量含量为0.4-0.75wt％，例如0.42wt％、0.45wt％、0.52wt％、0.55wt％、0.65wt％、0.75wt％等。利用Mn元素的添加，形成Al6Mn化合物弥散质点阻止铝合金的再结晶过程，细化再结晶晶粒，提高最终焊接接头或增材制件的强度。

在一些优选实施方式中，Zn的质量含量为0.04-0.0.09wt％，例如0.04wt％、0.055wt％、0.08wt％、0.09wt％等，优选为0.04-0.0.07wt％。加入少量Zn元素，一方面能够形成MgZn2强化相，起到强化作用，另一方面能够提高抗腐蚀能力。

在一些优选实施方式中，Ti的质量含量为0.04-0.0.09wt％，例如0.04wt％、0.055wt％、0.07wt％、0.09wt％等。利用Ti元素的添加，一方面形成Ti3Al化合物弥散质点提高强度，另一方面Ti元素能够在焊丝制备过程中脱氢脱氧，降低焊丝中氢、氧含量。

进一步的，所述铝合金丝材中H含量≤0.15mL/100gAl。

本发明还提供一种铝合金丝材的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、按原料配比称取纯金属或中间合金进行配料，真空熔炼后，浇铸得到原始铸锭；

步骤S2、将原始铸锭依次进行均质化处理和表面车削处理；

步骤S3、将表面车削处理后的铸锭进行两次挤压减径处理，得到二次挤压盘条；第一次挤压的挤压比为(8～10):1，第二次挤压的挤压比为(65～80):1；通过两次挤压，能够最大限度的提高焊丝制备效率，同时设计挤压温度不高于520℃，能够保证挤压过程不会因温度过高导致铝合金烧损；

步骤S4、将所述二次挤压盘条进行多道次拉拔和退火处理，最后进行刮削、定径和超声波清洗，得到铝合金丝材。能够最大限度保证制备的高强铝合金焊丝的表面质量要求，从而保证后续焊接和增材过程的送丝顺畅。

通过分次挤压，有助于内部各增强相的均匀化和完善化，从而能够保证后续拉拔的连续性和稳定性，最终得到性能优异的铝合金丝材。

进一步的，步骤S3中，所述第一次挤压包括：将所述车削后的铸锭在450～500℃下保温12-20小时后进行第一次挤压；挤压出口的圆棒温度为400～450℃，获得一次挤压圆棒，直径为所述车削后的铸锭的30～40％；

所述第二次挤压包括：将所述一次挤压圆棒在470～520℃下保温5-10小时后进行第二次挤压；挤压出口的圆棒温度为350-420℃，获得二次挤压盘条，直径为所述一次挤压圆棒的3～5％。

特别地，在实际操作中，挤压温度和挤压比与原始配料和铸锭中的Mg，Sc，Zr，Mn元素含量相关，挤压温度一般应随Mg，Sc，Zr，Mn中任一元素含量的降低而降低，挤压比一般应随Mg，Sc，Zr，Mn中任一元素含量的降低而升高。

进一步的，步骤S1中，将配好的原料在真空度≤20Pa条件下，以10～20℃/min的升温速率持续加热到800～900℃，恒温至原料软化下榻后，保温5-10分钟；然后将熔体浇铸至水冷模具中，浇铸温度为780～810℃，所述水冷模具的冷却速率≥100K/s。

进一步的，步骤S2中，所述均质化处理的温度为400～480℃，保温20～30小时；所述车削处理去除的厚度为原始铸锭厚度的5～10％。

步骤S4中，所述二次挤压盘条每道次拉拔后直径减少0.2～0.4mm，每拉拔1～3道次后进行一次退火，且退火的总次数不超过5次，得到1.4～1.6mm的丝材；最后经刮削、定径和超声波清洗，得到直径为1.2～1.4mm的铝合金丝材。所述退火的温度为400～500℃，保温时间为1～3小时；通过拉拔和退火，能够最大效率的保证丝材制备的连续性和经济性。在减少退火次数的同时降低断丝概率。

在一个具体的实施方式中，铝合金丝材的制备方法包括以下步骤：

(1)配料和真空熔炼：根据丝材成分称取纯金属或中间合金进行配料，将配好的原料加入到中频感应真空熔炼炉中进行熔炼，以10-20℃/min升温速率持续加热到800-900℃，恒温至原料软化下榻，保温5-10分钟后静置使熔体元素扩散均匀后进行浇铸。其中，中频感应真空熔炼炉的中频频率为900-1100Hz，真空度≤20Pa。

(2)浇铸：将熔体以均匀速率浇铸至强制水冷的铜模具中，浇铸温度为780-810℃，得到铸锭；水冷模具中的冷却速率≥100K/s。如此操作，可以保证铸锭结晶速度，减小铸锭不同位置的元素偏析，减小铸锭晶粒尺寸，使设计的化学元素分布更加均匀。

(3)均质化热处理：将铸锭放入热处理炉中进行均质化处理，升温至400-480℃后保温20-30小时，然后出炉冷却至室温，将冷却后的铸锭进行表面车削处理，车削掉的厚度为原始铸锭厚度的5-10％，最终得到均质化热处理和车削后的铸锭。通过均质化热处理能够降低元素的晶内偏析，同时能够降低水冷模具带来的铸造应力，提高铸锭塑性，利于后续挤压和拉拔。通过车削可以保证挤压用的铸锭无过量氧化产物和杂质。

(4)一次挤压减径：将车削后的铸锭放入挤压机中进行一次挤压，挤压温度为450-500℃，优选挤压温度为470-490℃，保温12-20小时再挤压，以保证铸锭热透，内网温度一致。挤压比设定为8:1-10:1，挤压出口圆棒温度为400-450℃，最终获得一次挤压圆棒，直径为车削后的铸锭的30-40％。

(5)二次挤压减径：将一次挤压后的圆棒再次放入挤压机中进行二次挤压，挤压温度为470-520℃，优选挤压温度为480-510℃，保温5-10小时再挤压。挤压比设定为65:1-80:1，挤压出口圆棒温度为350-420℃，最终获得二次挤压盘条，直径为二次挤压圆棒的3-5％。

(6)拉拔和退火：将二次挤压盘条连接后放入拉丝机进行拉拔，每拉拔1-3道次进行退火，退火温度为400-500℃，保温1-3小时。最终拉拔至1.4-1.6mm丝材。每道次拉拔直径减径量在0.2-0.4mm之间，退火总次数不超过5次，即拉拔总次数不超过15次。通过拉拔和退火，能够最大效率的保证丝材制备的连续性和经济性，在减少退火次数的同时降低断丝概率。

(7)拉拔至1.4-1.6mm的丝材后，进行刮削、定径和超声波清洗，最终获得1.2-1.4mm的铝合金丝材。

进一步的，所述铝合金丝材用于TIG焊接、CMT焊接以及MIG焊接时，对焊焊接接头的抗拉强度为350～400MPa，屈服强度为280～320MPa，延伸率为6％～8％；

所述铝合金丝材用于电弧增材制造时，制件经时效热处理后的抗拉强度为450～500MPa，屈服强度为350～400MPa，延伸率为6％～10％。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的用于焊接和增材制造的铝合金丝材，通过较高含量的Mg元素与Al合金形成固溶体，以在焊接和增材过程中形成过饱和固溶体，进而通过固溶强化机制提高最终焊接接头或增材制件的强度。通过一定量的Si元素添加，一方面，降低焊接和增材过程中热裂纹的形成倾向；另一方面，可与Mg元素形成Mg2Si沉淀强化粒子，提高最终焊接接头或增材制件的强度。通过Sc、Zr元素的复合添加，能够在焊接和增材过程中的层间搭接区形成Al3Sc或Al3(Sc、Zr)纳米颗粒，从而提高最终焊接接头或增材制件的强度，降低开裂倾向。与此同时，通过Mn、Ti、Zn元素的添加，形成多重强化机制，还能降低焊丝中氢、氧含量，提高抗腐蚀能力。最终，得到综合性能优异，且能兼顾焊接和增材制造的铝合金丝材。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1-6及对比例1-3

一种用于焊接和增材制造的铝合金丝材，其配方按质量百分比计，包括如表1所示的合金元素。

本实施例同时提供了实施例1-9所示配方可适用的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据丝材成分称取纯金属或中间合金进行配料，将配好的原料加入到中频感应真空熔炼炉中进行熔炼，中频频率1000Hz，真空度18Pa，以15℃/min升温速率持续加热到880℃，恒温至原料软化下榻后，保温10分钟后静置使熔体元素扩散均匀后进行浇铸。

(2)将熔体以均匀速率浇铸至冷却速率为110K/s的强制水冷铜模具中，浇铸温度为800℃，得到直径280mm的铸锭。

(3)将铸锭放入热处理炉中进行均质化处理，升温至445℃后保温22小时，然后出炉冷却至室温，将冷却后的铸锭进行表面车削至260mm。

(4)将车削后的铸锭放入挤压机中进行一次挤压，挤压温度为480℃，挤压前铸锭保温15小时。挤压比设定为9.3:1，挤压出口圆棒温度为430℃。获得直径90mm挤压圆棒。

(5)将一次挤压后的挤压圆棒再次放入挤压机中进行二次挤压，挤压温度为490℃，挤压前铸锭保温8小时。挤压比设定为70：1，挤压出口圆棒温度为400℃。获得直径4mm二次挤压盘条。

(6)将二次挤压盘条连接后放入拉丝机进行拉拔，从直径4mm拉拔至直径2.4mm时，每拉拔2道次进行退火，每道减径0.4mm，退火温度为430℃，保温2小时。从直径2.4mm拉拔至直径1.4mm时，每拉拔2道次进行退火，每道减径0.2mm，退火温度为450℃，保温2小时。

(7)拉拔至1.4mm丝材后，进行刮削、定径和超声波清洗，最终获得1.2mm铝合金丝材。

表1实施例1-6及对比例1-3中的铝合金丝材设计成分

表2实施例1-6及对比例1-3成分关系

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将实施例1-6及对比例1-3所获得的铝合金丝材分别进行焊接和电弧增材，对焊接接头强度试样和电弧增材加时效热处理试样进行力学性能测试，测试结果如表3所示。

表3实施例1-6及对比例1-3性能测试结果

从表3可以看出，在本发明限定的元素范围内，得到的铝合金焊丝用于焊接和电弧增材时，均能达到较高的强度。其中，从对比例2可以看出，当Sc/Zr的质量比小于1.5时，焊接或增材制造的强度显著降低，说明在本发明的体系下，Sc/Zr的质量比对性能影响较大，本发明通过控制Sc/Zr的质量比为1.5～2.5，实现了更优的性能。从对比例1可以看出，当Si+Mg的总含量大于9％，且Si/Mg的质量比＞0.25时，焊接或增材制造的强度及延伸率均降低。从对比例3可以看出，当Si+Mg的总含量大于9％，且Mg的含量大于8％时，焊接或增材制造的强度及延伸率相比实施例也有所降低。可见本发明通过控制合适的元素含量及配比，能够得到综合性能较优的铝合金丝材。

需要说明的是，在本发明限定的组成配方下，均能得到性能相对较优的铝合金丝材，即能同时满足焊接和增材制造对铝合金丝材的要求，因此实用性更高。而在本发明的制备方法下效果更优，因此不局限于本发明所述制备方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。