[发明专利]一种增材制造用Al-Cu合金丝及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种增材制造用Al‑Cu合金丝，按质量百分比计，其化学成分为：Cu：5.5～6.5％，Fe≤0.15％，Si≤0.06％，Mn：0.26～0.42％，Mg≤0.02％，Zn≤0.10％，Ti：0.1～0.2％，Zr：0.10～0.25％，V：0.05～0.15％，Cd、Sn、或In：0.05～0.25％，Sc：0.10～0.25％，Be≤0.0003％，其他单个元素≤0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为Al。本发明还提供了其合金的制备方法及其应用。本发明解决了以商用Al‑Cu合金焊丝为原材料的熔丝增材成形构件易出微裂纹缺陷、力学性能低的问题。

技术领域：

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种用于熔丝增材制造的Al-Cu合金丝材及其制备方法和应用。

背景技术：

铝合金壳段、支架、框梁是航天航空装备中的一类关键承力结构，为满足装备轻量化、高承载效率等要求，广泛采用结构功能一体化的设计方法，零件结构越来越复杂，力学性能要求越来越高，一般选用Al-Cu合金。采用铸造Al-Cu合金ZL205A，由于壁厚差大，容易出现缩孔、缩松、裂纹、偏析等缺陷，铸造成品率低；采用锻造Al-Cu合金2219，材料利用率低、加工周期长、制造成本高。采用熔丝增材制造方法可以快速成形出零件毛坯，是一种高效率低成本的制造方法，非常适合大型复杂结构的成形，具有广泛的应用前景。

熔丝增材制造作为一种新型的材料成形工艺，没有专用的Al-Cu合金丝。目前成形用的是针对传统铸造或锻造工艺设计的ZL205A焊丝、2219焊丝(ER2319)，不能适应熔丝增材制造的工艺特点。ZL205A结晶温度区间达108.7℃，有较高的热裂纹敏感性，用于熔丝增材制造复杂结构时，因结构拘束，容易产生显微热裂纹缺陷，严重降低结构的强度和塑性。2219铝合金热裂纹敏感性比ZL205A低，但熔丝增材制造构件屈服强度低。

在申请号为201910861870.0的中国专利申请中公开了一种适用于丝材增材制造的铝铜合金焊丝，按质量百分比计：锰Mn：0.3 0.5％，铜Cu：4.6～5.3％，钛Ti：0.15～0.35％，硼B：0.0005～0.006％，钒V：0.05～0.3％，锆Zr：0.05～0.2％，锡Sn：0.05～0.2％，铁Fe：≤0.15％，硅Si：≤0.06％，镁Mg：≤0.05％，锌Zn：≤0.1％，其他单个杂质元素：≤0.05％，其他杂质元素合计：≤0.15％，余量为铝Al。本发明所述焊丝，在生产及使用过程中无有毒性烟尘产生，增材成形堆积体组织均匀，具有高强韧的力学性能且横纵向均匀，表面无有毒性的金属氧化物。其主要合金含量沿用了ZL205A的成分范围，针对镉元素易于在成形中产生有毒氧化物烟尘的问题，使用锡元素替换了镉元素。但是锡熔点只有231.89℃，比镉低90℃。用锡元素替换ZL205A中的镉元素，会进一步提高合金的热裂纹敏感性，该丝材用于增材制造航天、航空复杂铝合金结构时，容易出显微裂纹，存在潜在的致命隐患。

发明内容：

本发明针对以上现有技术存在的问题，提供一种Al-Cu合金熔丝增材制造专用的丝材，从而解决了以商用Al-Cu合金焊丝为原材料的熔丝增材成形构件易出微裂纹缺陷、力学性能低的问题。相比ZL205A铝合金，提升铜含量，添加了一定量的钪元素，发现铜与钪具有一定的协同作用，能够使得到的合金具有更佳的力学性能，且不产生微裂纹等缺陷。相比2219铝合金，增加了微合金化元素镉、锡或铟，促进增材构件热处理过程中强化相的析出，解决力学性能低的问题。此外，为了避免熔丝增材过程中产生有毒的氧化镉烟尘的危害，在具备烟尘抽除及净化系统的密闭增材制造装备中进行熔丝增材制造应用。

本发明提供了一种增材制造用Al-Cu合金丝，按质量百分比计，其化学成分为：5.5～6.5％的Cu、Fe≤0.15％、Si≤0.06％、0.26～0.42％的Mn、Mg≤0.02％、Zn≤0.10％、Ti和Zr以任意比合计的总添加量为0.35～0.50％、0.05～0.15％的V、0.10～0.25％的Sc、Be≤0.0003％以及0.05～0.25％的Cd、Sn、或In，其他单个元素≤0.05％、杂质总量≤0.15％、余量为Al。