本發(fā)明涉及鋁合金技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及鋁合金的成形方法。

背景技術(shù)：

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。

鋁合金通常使用銅、鋅、錳、硅、鎂等合金元素，20世紀(jì)初由德國(guó)人Alfred Wilm發(fā)明，對(duì)飛機(jī)發(fā)展幫助極大，一次大戰(zhàn)后德國(guó)鋁合金成分被列為國(guó)家機(jī)密。跟普通的碳鋼相比有更輕及耐腐蝕的性能，但抗腐蝕性不如純鋁。在干凈、干燥的環(huán)境下鋁合金的表面會(huì)形成保護(hù)的氧化層。

造成電偶腐蝕(Galvanic corrosion)加速的情況有：鋁合金與不銹鋼接觸的情況、其他金屬的腐蝕電位比鋁合金低或是在潮濕的環(huán)境下。如果鋁和不銹鋼要一同使用必須在有water-containing systems或是戶外安裝兩金屬間電子或電解隔離。

鋁合金的成分需要向美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)(Aluminium Association，AA)注冊(cè)。許多組織公布更具體制造鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)，包括美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)(Society of Automotive Engineers，SAE)特別是航空標(biāo)準(zhǔn)，還有美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materials，ASTM)。

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶 鋁合金及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。

隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié) 構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。

純鋁的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大約是鐵的1/3，熔點(diǎn)低(660℃)，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性(δ：32～40％，ψ：70～90％)，易于加工，可制成各種型材、板材。抗腐蝕性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài)σb值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來(lái)強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。

添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，σb值分別可達(dá)24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度”(強(qiáng)度與比重的比值σb/ρ)勝過(guò)很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50％以上。

但是，鋁合金在室溫下的塑性很差，加工成形非常困難，限制了該材料的工程化應(yīng)用。為此，研究人員正積極發(fā)展其近凈成形技術(shù)，如粉末冶金、精密鑄造、定向凝固和激光熔化沉積等。

激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面改性技術(shù)，是指激光表面熔敷技術(shù)是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，光束移開(kāi)后自激冷卻形成稀釋率極低，與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強(qiáng)化方法[.如對(duì)60#鋼進(jìn)行碳鎢激光熔覆后，硬度最高達(dá)2200HV以上，耐磨損性能為基體60#鋼的20倍左右。在Q235鋼表面激光熔覆CoCrSiB合金后，將其耐磨性與火焰噴涂的耐蝕性進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者的耐蝕性明顯高于后者.

激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù)，它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié) 約貴重稀有金屬材料，因此，世界上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。

應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有二氧化碳激光器和固體激光器(主要包括碟片激光器，光纖激光器和二極管激光器，老式燈泵浦激光器由于光電轉(zhuǎn)化效率低，維護(hù)繁瑣等問(wèn)題已逐漸淡出市場(chǎng))。對(duì)于連續(xù)二氧化碳激光熔覆，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究.高功率固體激光器的研制發(fā)展迅速，主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用二氧化碳激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆，鋁合金基體在二氧化碳激光輻照條件下容易變形，甚至塌陷。固體激光器，特別是碟片激光器輸出波長(zhǎng)為1.06μm，較二氧化碳激光波長(zhǎng)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，因而更適合此類金屬的激光熔覆。

激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類：粉末預(yù)置法和同步送粉法。兩種方法效果相似，同步送粉法具有易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，激光能量吸收率高，無(wú)內(nèi)部氣孔，尤其熔覆金屬陶瓷，可以顯著提高熔覆層的抗開(kāi)裂性能，使硬質(zhì)陶瓷相可以在熔覆層內(nèi)均勻分布等優(yōu)點(diǎn)。

激光熔覆成形技術(shù)是在無(wú)需專用工裝模具的情況下，通過(guò)高功率激光熔化同步輸送的各種金屬粉末，逐點(diǎn)逐層堆積來(lái)成形金屬零件的過(guò)程。該技術(shù)采用增量生長(zhǎng)的方式成形零件，可顯著提高材料利用率，而且成形構(gòu)件僅需最終精加工，能大大縮短零件制造和研制周期，提高研制效率，降低成本。另外，在一臺(tái)設(shè)備上可進(jìn)行多種材料和不同外形零件的制造，并可通過(guò)再編程方便地改變零件設(shè)計(jì)，具有很高的加工柔性，在由合金制造高性能零件的快速制備上具有廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

鋁合金在激光熔化沉積過(guò)程中由于較高熱應(yīng)力的存在，極易發(fā)生開(kāi)裂。據(jù)國(guó)內(nèi)外報(bào)道，激光成形制造的鋁合金制品尺寸有限，一般只有60mm左右，另外易裂的問(wèn)題很難通過(guò)改變工藝參數(shù)來(lái)解決。鋁合金基體在預(yù)熱時(shí)容易發(fā)生開(kāi)裂，為避免該問(wèn)題所采用的工藝變得復(fù)雜。本發(fā)明通過(guò)調(diào)整初始熔覆層的成形工藝和對(duì)基板的預(yù)熱工藝，制造了無(wú)裂紋的鋁合金材料，并在掌握成形該合金工藝的基礎(chǔ)上，制造出尺寸較大的鋁合金樣品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金容易開(kāi)裂的問(wèn)題，采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明通過(guò)調(diào)整初始熔覆層的成形工藝和對(duì)基板的預(yù)熱工藝來(lái)進(jìn)行無(wú)裂紋鋁合金激光立體成形，采用的具體技術(shù)方案如下：

1.一種鋁合金的成形方法，所述方法包括：

(1)建立鋁合金的三維模型，并對(duì)該三維模型進(jìn)行剖分，根據(jù)剖分結(jié)果編制熔覆控制程序并加載到數(shù)控系統(tǒng)中；

(2)將所述數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置成控制送粉噴嘴的掃描速度為150-180米/小時(shí)，將送粉系統(tǒng)的送粉速度設(shè)定為9至12克/分鐘，并且將熔覆控制程序中每層的剖分高度設(shè)定為0.15-0.25mm，在基板上熔覆8-12層，從而形成基礎(chǔ)熔覆層；

(3)再將送粉噴嘴的掃描速度調(diào)整為250-350米/小時(shí)，同時(shí)將送粉系統(tǒng)的送粉速度調(diào)整為8-12克/分鐘，熔覆控制程序中每層的剖分高度調(diào)整為0.5-1.0mm，在所述基礎(chǔ)熔覆層上進(jìn)行均勻穩(wěn)定的成形，直至成形過(guò)程結(jié)束。

2.如技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于：所述基板的材料為含鈦的鋁合金。

3.如技術(shù)方案1或2所述的方法，其特征在于：所述基板的材料厚度為8-12mm。

4.如技術(shù)方案1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：所述熔覆的成形室內(nèi)的氧含量低于80ppm。

5.如技術(shù)方案1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：首先在成形室內(nèi)充入氬氣以排除空氣，氬氣流量12-16升/分鐘，當(dāng)成型室內(nèi)的氧含量約在1000ppm時(shí)，開(kāi)啟凈化系統(tǒng)使氧含量低于100ppm。

6.如技術(shù)方案1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：所述送粉系統(tǒng)采用的鋁合金粉末的粒度約50-300目。

7.如技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于：形成所述基礎(chǔ)熔覆層時(shí)，設(shè)定激光功率參數(shù)為500-1000W。

8.根據(jù)技術(shù)方案1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：進(jìn)行所述均勻穩(wěn)定的成形時(shí)，設(shè)定激光功率參數(shù)為1500-2500W。

9.根據(jù)技術(shù)方案1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：所述送粉系統(tǒng)采用的鋁合金粉末的粒度約100-200目。

10.根據(jù)技術(shù)方案1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于：：形成所述基礎(chǔ)熔覆層時(shí)，設(shè)定激光功率參數(shù)為600-800W。

本發(fā)明采用激光立體快速成形技術(shù)進(jìn)行制造，該技術(shù)是根據(jù)快速成形原理采用高功率激光束直接將同步輸送的鋁合金粉末熔化，然后快速凝固，隨著激光束和送粉噴嘴的同步運(yùn)動(dòng)，連續(xù)逐層熔覆出致密的高性能金屬結(jié)構(gòu)件的制造方法。本發(fā)明通過(guò)設(shè)定不同的剖分高度，控制機(jī)床的不同運(yùn)行速度(噴嘴的掃描速度)，設(shè)定送粉系統(tǒng)不同的送粉速度，即可制造無(wú)裂紋的鋁合金材料或鋁鋁基其它易裂合金材料。與傳統(tǒng)工藝相比，采用該工藝方法制造鋁合金材料，可以避免熔覆過(guò)程中出現(xiàn)鋁合金容易產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，制造出無(wú)裂紋的鋁合金材料，為鋁合金在快速制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程化奠定了基礎(chǔ)。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明采用激光立體成形技術(shù)制造無(wú)裂紋鋁合金材料，該方法所用設(shè)備為激光立體成形設(shè)備，其可以通過(guò)商購(gòu)獲得。

優(yōu)選地，激光器1采用4KW二氧化碳快軸流激光器；基板6采用鋁合金材料，在該基板上面進(jìn)行熔覆；鋁合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法生產(chǎn)，粒度約100目-200目。

采用上述設(shè)備制備無(wú)裂紋鋁合金材料的步驟如下：

首先，將要成形材料所用鋁合金板材用工裝卡具固定在水冷機(jī)床臺(tái)面上，然后封閉成型室。此時(shí)成形室內(nèi)為空氣，由于鋁合金的熔覆需要在氧含量低于80ppm才能進(jìn)行熔覆，所以需要先充入氬氣以排除空氣，流量12-16升/分鐘。當(dāng)成型室內(nèi)的氧含量約在1000ppm時(shí)，開(kāi)啟凈化系統(tǒng)進(jìn)一步降低氧含量(因?yàn)閮艋到y(tǒng)在氧含量較高時(shí)工作容易損壞凈化系統(tǒng))，當(dāng)氧含量低于80ppm時(shí)便可以開(kāi)啟熔覆程序。

然后打開(kāi)激光器，將高純二氧化碳、高純He、高純N2的壓力調(diào)節(jié)至0.5MPa左右，使激光器1產(chǎn)生的激光束經(jīng)過(guò)反射鏡4后在基板6上形成一束光斑并形成熔池；然后打開(kāi)送粉器2，粉末經(jīng)過(guò)送粉噴嘴5后匯聚于激光光斑焦點(diǎn)上；設(shè)定送粉速度為5克/分鐘，送粉氣體流量5-6L/min。

然后，制備熔覆鋁合金的基礎(chǔ)熔覆層(或稱為初始層)，其中利用三維建模軟件建立用于熔覆成形樣品的三維模型，采用剖分軟件將三維模型剖分根據(jù)剖分結(jié)果編制熔覆控制程序并載入數(shù)控系統(tǒng)。

比如可以建立樣品三維模型。以尺寸為60mm×150mm×3.5mm的樣品為例，首先建立名稱為shiyang1.prt的文件，然后建立直角坐標(biāo)系，輸入長(zhǎng)寬高分別為60mm、150mm和3.5mm的參數(shù)，便建立了樣品的三維模型，然后將模型保存為shiyang1.stl格式后存盤退出UG系統(tǒng)。之后采用激光成形設(shè)備自帶的剖分軟件進(jìn)行三維模型的剖分，打開(kāi)剖分軟件(專用軟件)，導(dǎo)入shiyang1.stl文件，設(shè)置好剖分參數(shù)，將剖分軟件自動(dòng)生成CNC程序輸入機(jī)床控制計(jì)算機(jī)3。每層的剖分高度設(shè)定為0.15-0.25mm；選取的基板為厚度約8-12mm的鋁合金板材。開(kāi)啟設(shè)備運(yùn)行鍵后，激光器和送粉系統(tǒng)以及機(jī)床同時(shí)啟動(dòng)，激光束和送粉噴嘴沿著剖分軟件生成的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，粉末輸送到激光焦點(diǎn)上并經(jīng)熔化和凝固后形成熔覆層，這樣隨著機(jī)床的運(yùn)動(dòng)便開(kāi)始了連續(xù)的熔覆過(guò)程。開(kāi)始進(jìn)行第一層熔覆時(shí)調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度為150-180米/小時(shí)，送粉速度為9至12克/分鐘，連續(xù)熔覆8-12層形成鋁合金初始層。

接著，在鋁合金初始層熔覆完成后，采用激光成形設(shè)備自帶的剖分軟件再次對(duì)三維模型未成形部分進(jìn)行剖分。首先打開(kāi)剖分軟件(專用軟件)，導(dǎo)入shiyang1.stl文件，設(shè)置好剖分參數(shù)，將剖分軟件自動(dòng)生成CNC程序輸入機(jī)床控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。每層的剖分高度設(shè)定為0.4mm-0.6mm；調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度為250-350米/小時(shí)，送粉速度8-12克/分鐘，使其穩(wěn)定熔覆成形，熔覆控制程序運(yùn)行結(jié)束后成形樣品實(shí)體件完成，整個(gè)激光熔覆成形過(guò)程結(jié)束。

之后關(guān)閉成形室的進(jìn)氣閥門和激光器，調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)為手動(dòng)模 式，將水冷機(jī)床臺(tái)面調(diào)至原始位置，打開(kāi)成形室門對(duì)其進(jìn)行通風(fēng)換氣，20min后操作人員進(jìn)入成形室，待成形樣品冷卻后清除多余鋁合金粉末，打開(kāi)工裝卡具將基板從水冷機(jī)床臺(tái)面上取下，基板上成形的鋁合金樣品即為所成形的鋁合金材料。

實(shí)施例1：本實(shí)施例制造寬60mm、高150mm、壁厚3.5mm的鋁合金樣品。具體制造步驟如下：

選取厚度約12mm的鋁合金板材，用工裝卡具固定在機(jī)床上。開(kāi)啟激光器，設(shè)定激光功率參數(shù)為800W，高純二氧化碳、高純He、高純N2的壓力調(diào)節(jié)至0.5MPa左右，冷卻水流量約20L/min。將鋁合金粉末裝入送粉器。建立模型并采用成形設(shè)備自帶的剖分軟件進(jìn)行三維模型的剖分，每層的剖分高度設(shè)定為0.15mm，送粉噴嘴的掃描速度設(shè)定為150米/小時(shí)，送粉速度10克/分鐘。熔覆10層時(shí)，采用成形設(shè)備自帶的剖分軟件再次對(duì)三維模型未成形部分進(jìn)行剖分，每層的剖分高度設(shè)定為0.5mm，送粉噴嘴的掃描速度設(shè)定為250米/小時(shí)，送粉速度8克/分鐘；功率為2000W，送粉氣體流量12L/min。在250-350米/小時(shí)之間微調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度使生長(zhǎng)速度穩(wěn)定，當(dāng)熔覆成形完成時(shí)，停止設(shè)備。關(guān)閉成形室進(jìn)氣閥門和激光器，將水冷機(jī)床臺(tái)面調(diào)至原始位置，樣品冷卻后將基板從水冷機(jī)床臺(tái)面上取下，基板上成形的鋁合金樣品即尺寸為60mm×150mm×3.5mm鋁合金材料。

實(shí)施例2：本實(shí)施例制造高度寬40mm、高50mm、壁厚10mm的鋁合金樣品。具體制造步驟與實(shí)施例1基本相同，只是在熔覆12層時(shí)，采用成形設(shè)備自帶的剖分軟件再次對(duì)三維模型未成形部分進(jìn)行剖分，每層的剖分高度設(shè)定為0.6mm，送粉噴嘴的掃描速度設(shè)定為300米/小時(shí)，送粉速度10克/分鐘；功率為2500W，送粉氣體流量8L/min。

以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準(zhǔn)。