陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材、制备方法和应用

摘要

本发明属于电弧熔丝增材制造相关领域，并公开了一种陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材及其制备方法和应用。该铝合金粉芯丝材用于电弧熔丝增材制造工艺，并且它的粉芯的成分及质量百分比为：金属铜粉6.4％‑7.6％，金属锰粉0.25％‑0.45％，金属钛粉0.15％‑0.35％，金属钒粉0.1％‑0.2％，金属锆粉0.1％‑0.2％，氟硅酸钠盐0.2％‑0.6％，陶瓷增强颗粒10％‑20％，其余为金属铝粉。通过本发明，所提出的陶瓷颗粒隔热和增强的铝合金粉芯丝材用于制造铝合金点阵结构，有效的提高了现有铝合金点阵结构的隔热性能和承载能力，填补了具有高效隔热性能和承载能力的铝合金点阵结构电弧熔丝增材制造专用丝材的空白。

权利要求

1.一种陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材，其特征在于，该铝合金粉芯丝材用于电弧熔丝增材制造工艺，其采用铝带包裹粉芯并经拉拔而成，并且它的粉芯的成分及质量百分比为：

金属铜粉6.4%‑7.6%，金属锰粉0.25%‑0.45%，金属钛粉0.15%‑0.35%，金属钒粉0.1%‑

0.2%，金属锆粉0.1%‑0.2%，氟硅酸钠盐0.2%‑0.6%，陶瓷增强颗粒10%‑20%，其余为金属铝粉；

所述陶瓷增强颗粒采用TiC颗粒和/或Al2O3颗粒。

2.如权利要求1所述的铝合金粉芯丝材，其特征在于，所述陶瓷增强颗粒其颗粒平均直径为20μm ‑50μm，形貌为近球形颗粒。

3.如权利要求1或2所述的铝合金粉芯丝材，其特征在于，由所述金属铜粉、金属锰粉、金属钛粉、金属钒粉、金属锆粉构成的合金粉的平均直径为80μm ‑120μm，形貌为近球形颗粒。

4.如权利要求1所述的铝合金粉芯丝材，其特征在于，上述铝合金粉芯丝材的填充率设定为9%±1%。

5.一种用于制备如权利要求1‑4任意一项所述的铝合金粉芯丝材的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（i）按照上述的粉芯丝材组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合并充分搅拌，直至获得混合均匀的粉料；

（ii）将混合均匀的粉料进行烘干处理，放置备用；

（iii）对铝带进行初次卷轧形成U型槽，将步骤（ii）所获得的粉料均匀加入到该U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径的粉芯丝材；

（iv）对初始直径的粉芯丝材进行多次拉拔处理，以获得最终直径的粉芯丝材。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤（i）中，所述将各组分混合并充分搅拌的操作设定为1小时‑2小时。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤（ii）中，所述烘干处理的条件设定为：温度80℃‑100℃，保温时间设置为2小时‑4小时。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对于上述粉芯丝材而言，其初始直径设定为

3.8mm，其最终直径设定为1.2mm。

9.一种高超音速飞行器热防护系统，其特征在于，该高超音速飞行器热防护系统呈现铝合金点阵结构的形式，并通过电弧熔丝增材制造工艺制备而得；其中以电弧作为热源，且采用权利要求1‑4任意一项所述的铝合金粉芯丝材作为堆积材料。

说明书

陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材、制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于电弧熔丝增材制造相关领域，更具体地，涉及一种陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材、制备方法和应用。

背景技术

[0002] 金属基三维点阵结构是一种具有轻质、高比强度以及多功能潜力的新型结构材料，近年来受到了国内外研究领域及工程技术领域的广泛关注。作为典型的应用对象之一，
高超音速飞行器由于具备非常高的速度，其气动加热问题非常严重，这对飞行器舱体的热
防护性能提出了严峻挑战；当前，高超飞行器热防护系统的结构设计正向着“隔热‑承载一
体化”的方向发展，而金属基三维点阵结构因兼具优秀的隔热和承载性能，成为了满足高超
飞行器热防护系统设计需求的首选方案。

[0003] 传统的金属基点阵结构制备工艺通常存在较多的局限性，如冲压成型法和挤压线切割法都无法制备复杂的点阵结构；熔模铸造法工艺流程繁琐，对液态金属流动性要求较
高，在制备铝合金点阵结构时易产生大量缺陷，等等。当前，采用选区激光熔化技术已能实
现钛合金和不锈钢复杂点阵结构的制备成形；但在其应用于铝合金点阵结构的制备时，仍
存在激光吸收率低、球化结晶等问题，进而造成增材构件致密度下降、表面质量降低等问
题。

[0004] 电弧熔丝增材制造工艺(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)，是一种以电弧为热源、以金属丝材为堆积材料来制造出工件的新型工艺方法，可避免选区激光熔化技
术的上述问题，同时具有更高的堆积效率、材料利用率和更低的成本，因此可成为制备铝合
金点阵结构的更优选择。然而，进一步的研究表明，现有技术中尚缺乏适用于采取电弧熔丝
增材制造铝合金点阵结构场合的专用丝材，而金属丝材在很大程度上直接决定了电弧熔丝
增材制备点阵构件的最终质量性能。

[0005] 相关检索查新表明，CN201910513494.6公开了一种弧焊增材制造用铝合金粉芯丝，其并未涉及到电弧熔丝增材制造铝合金三维点阵结构，其主要技术是发明一种丝材，在
丝材的粉芯中加入钡、锶和钙元素中的一种或几种，以降低增材构件的氢气孔率，但铝合金
的导热性能优异，其制备的增材构件并不具备热防护系统所需的隔热性能。
CN201910828999.1公开了一种用于焊接7075铝合金的微纳米颗粒增强的铝合金药芯填充
丝，其同样侧重于焊接领域而非电弧熔丝增材制造铝合金三维点阵结构，将其配合实芯焊
丝使用来提高7075铝合金的焊缝强度，也无法满足热防护系统中铝合金构件具备的隔热性
能。此外，CN201711310930.7公开了一种用于3D打印钛合基复合材料的钛合药芯焊丝，其属
于钛合金电弧熔丝增材制造用丝材，与铝合金隔热丝材的性质完全不同，并且其主要技术
改进偏重于克服钛药芯焊丝在制备中拉拔成形的困难，采用钛药芯丝材代替粉末作为堆积
材料以解决粉末利用率低、飞溅与污染等问题，并未考虑到所制备构件性能方面的问题。

[0006] 相应地，本领域亟待提出一种具备高效隔热性能和承载能力的铝合金点阵结构电弧熔丝增材制造专用粉芯丝材，以便更好地满足高超音速飞行器热防护系统之类的铝合金
电弧熔丝增材制造应用需求。

发明内容

[0007] 针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材及其制备方法和应用，其中通过对其主要配料组成、各组分的关键配
料比、制备工艺尤其是陶瓷颗粒在粉芯丝材中所起到的作用机理等多个方面做出针对性研
究设计，相应不仅可填补现有技术中缺乏高性能隔热铝合金点阵结构电弧熔丝增材制造专
用粉芯丝材的空白，而且能够有效满足铝合金点阵结构的隔热和承载性能需求，因而尤其
适用于高超音速飞行器热防护系统之类的电弧熔丝增材制造应用场合。

[0008] 按照本发明的一个方面，提供了一种陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材，其特征在于，该铝合金粉芯丝材用于电弧熔丝增材制造工艺，其采用铝带包裹粉芯并经拉拔
而成，并且它的粉芯的成分及质量百分比为：

[0009] 金属铜粉6.4％‑7.6％，金属锰粉0.25％‑0.45％，金属钛粉0.15％‑0.35％，金属钒粉0.1％‑0.2％，金属锆粉0.1％‑0.2％，氟硅酸钠盐0.2％‑0.6％，陶瓷增强颗粒10％‑
20％，其余为金属铝粉。

[0010] 通过以上构思，本发明对电弧熔丝增材制造用陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材的主要组分及其关键配料比作出深入研究和设计，相应不仅可实现利用该铝合金丝材
制备出的构件具有更低的热导率、更高的比强度和比刚度等，而且与现有航空业铝合金实
芯丝材相比，还能够降低所制备铝合金点阵结构的热导率，使其具备了更好的隔热性能，同
时具有更高的屈服强度和抗压强度。

[0011] 更具体而言，上述铝合金粉芯由合金粉、稳弧剂、去氢剂及陶瓷相四大功能组分共同构成，其中合金粉除了作为基本组分的铝粉之外，还包括铜粉、锰粉、钛粉、钒粉和锆粉；
+
氟硅酸钠盐作为稳弧剂及去氢剂，用于在电弧作用下电离出Na离子以实现稳弧，电离生成
‑ ‑
的F离子可与熔池中的H离子结合生成HF而从熔池中逸出，以降低熔池中的含氢量。

[0012] 陶瓷增强颗粒作为本发明中重要的添加材料，其具有较低的热导率和很高的弹性模量、硬度和强度，在增材过程中随熔滴过渡到点阵结构的增材组织中，实现隔热和增强。
在隔热方面，其主要通过与铝基体产生的界面热阻和增加铝基体晶界数量和面积来阻碍铝
基体中自由电子的热运动，削弱热流在单元杆中的传递过程，使得点阵结构单元杆的热导
率降低，点阵结构整体隔热性能提高；而在增强方面，其主要通过细晶强化和弥散强化两种
强化方式来提高点阵结构的屈服强度和抗压强度。

[0013] 此外，之所以将陶瓷颗粒在粉芯中的质量百分比限定为10％‑20％，其原因在于：粉芯中陶瓷颗粒的占比越高，其用于制备点阵结构时单元杆中陶瓷颗粒与铝基体产生的界
面面积越大，总体界面热阻越高，导致热量传递过程中的损耗增大，使得点阵结构隔热性能
更好；但当其占比超过临界值时，陶瓷颗粒易团聚形成颗粒团，大量陶瓷颗粒团在受力过程
中会产生应力集中，而陶瓷颗粒间的团聚并不紧密，颗粒间的间隙在应力集中的条件下易
成为微裂纹的萌发点，大量的微裂纹使得点阵结构的强度迅速降低。因此，为平衡陶瓷颗粒
对隔热和强度性能的影响，本发明设计将其占比控制在10％‑20％。

[0014] 作为进一步优选地，所述陶瓷增强颗粒优选采用TiC颗粒和/或Al2O3颗粒，并且其颗粒平均直径优选为20μm‑50μm，形貌为近球形颗粒。

[0015] 之所以针对颗粒平均直径和三维形貌这两个参数作出以上优化设计，其原因在于：

[0016] 一方面是因为随陶瓷颗粒直径的增加，其比表面积降低，即单位体积内的界面减少，对电子热运动的阻碍减弱，热流的传递增强；而当陶瓷颗粒的直径过小时，颗粒间的相
互作用力增大，也易造成大量陶瓷颗粒的团聚，团聚的颗粒尺寸远大于原始直径，而削弱其
对点阵结构的增强作用。

[0017] 另一方面，是考虑到多面体颗粒含有较多的尖锐凸起，这些尖锐凸起在承载过程中易成为应力集中点，在应力集中作用下易萌发微裂纹，并造成裂纹扩展，而降低点阵结构
的承载能力。球形颗粒与铝基体的界面较为平缓，不会出现应力集中，且其具有几何体中最
大的比表面积，因此选用近球形形貌使得铝基体与陶瓷颗粒的界面面积尽可能最大，即对
热流传递的阻碍作用尽可能最强。

[0018] 相应地，本申请中对涉及陶瓷增强颗粒的上述两个关键参数指标作出了进一步的优化设计。

[0019] 作为进一步优选地，所述合金粉的平均直径优选为80μm‑120μm，形貌为近球形颗粒。

[0020] 作为进一步优选地，上述铝合金粉芯丝材的填充率优选设定为9％±1％。

[0021] 按照本发明的另一方面，还提供了相应的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

[0022] (i)按照粉芯丝材组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合并充分搅拌，直至获得混合均匀的粉料；

[0023] (ii)将混合均匀的粉料进行烘干处理，放置备用；

[0024] (iii)对铝带进行初次卷轧形成U型槽，将步骤(ii)所获得的粉料均匀加入到该U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径的粉芯丝材；

[0025] (iv)对初始直径的粉芯丝材进行多次拉拔处理，以获得最终直径的粉芯丝材。

[0026] 作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述将各组分混合并充分搅拌的操作优选设定为1小时‑2小时。

[0027] 作为进一步优选地，在步骤(ii)中，所述烘干处理的条件优选设定为：温度80℃‑100℃，保温时间设置为2小时‑4小时。

[0028] 作为进一步优选地，对于上述粉芯丝材而言，其初始直径优选设定为3.8mm左右，其最终直径优选设定为1.2mm左右。

[0029] 按照本发明的又一方面，还提供了上述铝合金粉芯丝材在电弧熔丝增材制造高超音速飞行器热防护系统铝合金点阵结构的应用。

[0030] 总体而言，按照本发明的电弧熔丝增材制造用陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0031] (1)本发明提出的陶瓷颗粒隔热和增强的铝合金粉芯丝材完善了现有铝合金点阵结构在隔热性能方面的不足。通过在铝合金粉芯丝材中加入热导率很低的陶瓷颗粒，使其
在电弧熔丝增材制造中随熔滴过渡到增材构件中，而显著提高所制备的铝合金点阵结构在
材料方面的隔热性能；

[0032] (2)本发明在铝合金粉芯丝材中加入具有热阻效果的陶瓷颗粒，降低所制备构件的热导率(本发明优选实施例中采用的TiC陶瓷颗粒其热导率为21W/m·k，远低于纯铝的热
导率237W/m·k)，使得点阵结构在材料方面的隔热效果得到显著提升；

[0033] (3)本发明通过选用高熔点、高硬度、高比模量的陶瓷材料，并确定适合的陶瓷颗粒百分比含量、尺寸及形貌，使陶瓷颗粒隔热和增强的铝合金构件展现出更优异的性能，如
更低的热导率、更高的比强度和比刚度等。利用粉芯丝材成分可控，可根据应用需求而灵活
设计丝材组分的优点，设计并制备本陶瓷颗粒隔热和增强铝合金粉芯丝材；

[0034] (4)本发明还提供了制备上述陶瓷颗粒隔热和增强铝合粉芯丝材的方法，通过首先将铝带轧制成U形，向其中填入按组分配比配好的已烘干并混合均匀的粉料，卷轧获得初
始粉芯丝材，经多次拉拔处理后获得达到最终直径要求的铝合金粉芯丝材，制备工艺简单
可控；

[0035] (5)本发明提出的陶瓷颗粒隔热和增强的铝合金粉芯丝材用于制造铝合金点阵结构，有效的提高了现有铝合金点阵结构的隔热性能和承载能力，填补了具有高效隔热性能
和承载能力的铝合金点阵结构电弧熔丝增材制造专用丝材的空白；尤其是，与现有航空业
铝合金实芯丝材相比，降低了所制备点阵结构的热导率，使其具备了一定的隔热性能，同时
具有更高的屈服强度和抗压强度，因此按照本发明所设计的铝合金粉芯丝材尤其适用于高
超飞行器热防护系统之类需要满足隔热和承载一体化的铝合金点阵结构制备应用场合。

具体实施方式

[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于
限定本发明。

[0037] 铝合金点阵结构作为解决高超飞行器隔热和承载一体化热防护设计需求的方案之一，具有良好的应用前景。为同时满足隔热和承载的要求，该铝合金点阵结构需要具有足
够的热阻性能和强韧性。因此，相应地要求用于电弧熔丝增材制造的铝合金粉芯丝材具有
良好的工艺性能。

[0038] 更具体展开分析的话，铝合金点阵结构中的热量传递包含三种方式：热传导、热对流和热辐射。点阵结构中由气体产生的热对流和单元杆件产生的热辐射仅占热量传递总量
中很小的一部分，其可调控的范围有限，因此很难通过调控热对流和热辐射来影响点阵结
构的热量传递过程。因此通过调控热量传递过程中最主要的单元杆的热传导过程来提高点
阵结构的隔热性能，是最直接、高效、可行的策略。除此之外，铝合金点阵结构的承载性能也
是高超飞行器热防护系统所强调的重点，如何在降低铝合金点阵结构热导率的同时实现对
其承载性能的增强，是解决目前所存在的技术问题的另一个关键要求。

[0039] 为解决上述难题，本发明以制备铝合金点阵结构的丝材为出发点，通过选用具备低热导率、高熔点、高硬度、高比模量等特性的陶瓷颗粒，并重点选择确定适合的陶瓷颗粒
百分比含量、尺寸及形貌，将其加入到铝合金丝材的组分配比中，使得利用该陶瓷颗粒隔热
和增强的铝合金丝材制备出的点阵结构展现出更优异的性能，如更低的热导率、更高的屈
服强度和抗压强度等。同时利用粉芯丝材成分可控，可根据应用需求而灵活设计丝材组分
的优点，设计并制备本陶瓷颗粒隔热和增强铝合金粉芯丝材。

[0040] 通过以上研究和设计，本发明期望达到的目标在于，与现有铝合金实芯丝材相比，不仅可削弱所制备铝合金点阵结构单元杆的热传导过程，降低点阵结构整体的热导率，提
高点阵结构的隔热性能，而且还能够显著增强点阵结构的承载能力，使其具有更高的屈服
强度和抗压强度。相应地，本发明所提出的陶瓷颗粒隔热和增强铝合金粉芯丝材，可更好地
适用于高超飞行器铝合金点阵结构热防护系统之类需要满足隔热和承载一体化的结构制
备应用场合。

[0041] 相应地，按照本发明的基本技术构思，通过对铝合金粉芯丝材的合金粉料和陶瓷颗粒进行合理配比，提供了一种陶瓷颗粒隔热与增强的铝合金粉芯丝材，该铝合金粉芯丝
材用于电弧熔丝增材制造工艺，其采用铝带包裹粉芯并经拉拔而成，并且它的粉芯的成分
及质量百分比为：金属铜粉6.4％‑7.6％，金属锰粉0.25％‑0.45％，金属钛粉0.15％‑
0.35％，金属钒粉0.1％‑0.2％，金属锆粉0.1％‑0.2％，氟硅酸钠盐0.2％‑0.6％，陶瓷增强
颗粒10％‑20％，其余为金属铝粉。

[0042] 换而言之，本发明提供的铝合金粉芯丝材的粉芯材料包括四个部分：合金粉、稳弧剂、去氢剂以及陶瓷相，其中合金粉成分及其质量百分数为：金属铜粉6.4％‑7.6％，电解锰
粉0.25％‑0.45％，金属钛粉0.15％‑0.35％，金属钒粉0.1％‑0.2％，金属锆粉0.1％‑
0.2％；质量百分数为0.2％‑0.6％的氟硅酸钠盐同时用作稳弧剂以及去氢剂；陶瓷颗粒质
量百分数为10‑20％，其余为金属铝粉。

[0043] 下面将就以上组成成分各自的功能、尤其是所提出的粉芯丝材在电弧熔丝增材制造铝合金点阵结构过程中的具体作用机理作出更具体的解释说明。

[0044] Cu元素起强化作用，一方面其通过固溶到Al基体中形成固溶体，实现固溶强化；另一方面与Al基体形成第二相(θ‑Al2Cu、θ′‑Al2Cu、θ″‑Al2Cu)并在凝固结晶过程中析出，实现
沉淀强化。

[0045] Ti、Zr可实现脱氧、脱氮，Ti、Zr、V作为变质剂加入，可细化组织晶粒，改善组织韧性和塑性。

[0046] Mn元素可降低铝合金的腐蚀敏感性，提高合金的抗应力腐蚀开裂能力。

[0047] 氟硅酸钠盐在电弧作用下电离出Na+离子以实现稳弧，电离生成的F‑离子可与熔池‑
中的H离子结合生成HF而从熔池中逸出，以降低熔池中的含氢量。

[0048] 金属铝粉主要起平衡作用，其含量多少主要由其他组分的含量决定，平衡成分使粉芯总量为100％，并不对丝材性能造成显著影响。

[0049] 此外，陶瓷颗粒具有较低的热导率，含有陶瓷颗粒的铝合金增材组织将具备一定的热阻性能。同时，陶瓷颗粒具有很高的弹性模量、硬度和强度，在增材过程中随熔滴过渡
到增材组织中，可实现对组织的细晶强化和弥散强化作用。

[0050] 作为本发明的关键设计要点，陶瓷颗粒实现隔热和增强，其具体作用机理可进一步具体解释如下：

[0051] 隔热方面：铝合金中热传导主要依靠自由电子的运动，而陶瓷颗粒中热传导主要依靠晶格的振动，二者导热机制的不协调使得在铝基体和陶瓷颗粒的界面处产生很高的热
阻。当热流到达界面处时，由于所选陶瓷颗粒热导率很低，电子热运动的能量向晶格振动的
转化受阻，产生大量热能损耗；除此之外，部分热流将会绕过界面，增长热流的传导路程。并
且陶瓷颗粒对铝基体晶粒有细化作用，增加基体中晶界的数量和面积，电子的运动受到大
量晶界的阻碍，使得热流的传递速度降低。因此，陶瓷颗粒通过与铝基体产生的界面热阻和
增加铝基体晶界数量和面积来阻碍电子的热运动，宏观上表现出单元杆件的热导率降低，
点阵结构整体隔热性能提高。

[0052] 增强方面：陶瓷颗粒具有很高的弹性模量、硬度和强度，在增材过程中随熔滴过渡到增材组织中，冷却凝固时可作为异质形核质点，以细化组织晶粒，实现细晶强化；且其弥
散分布于组织内对位错的运动具有钉扎作用，导致位错大量聚集，位错的运动受阻，组织的
变形难度增大，实现弥散强化；两种强化方式联合实现对点阵结构的增强作用。

[0053] 按照本发明的一个优选实施例，陶瓷颗粒可选为TiC颗粒和/或Al2O3颗粒，其具有较低的导热系数和较高的弹性模量、硬度和强度，并且其具有很好的化学稳定性、结构稳定
性，不会与Al基体发生反应而影响组织性能。优选实施例中，陶瓷颗粒为TiC颗粒。

[0054] 粉芯中各组分在选材时不可避免地会含有一些杂质，由于杂质元素可能对粉芯丝材的工艺性能造成影响，优选实施例中对粉芯材料的纯度作出相应要求，具体的，选用的金
属铜粉的纯度应不低于99.8％(即铜的质量百分比不低于99.8％)；选用的金属锰粉中锰含
量应不低于99.9％(即锰的质量百分比不低于99.9％)；金属锰粉优选为电解锰粉；选用的
金属钛粉中钛含量应不低于99.9％(即钛的质量百分比不低于99.9％)；选用的金属钒粉的
纯度应不低于99.9％(即钒的质量百分比不低于99.9％)；选用的金属锆粉的纯度应不低于
99.8％(即锆的质量百分比不低于99.8％)；选用的氟硅酸钠盐的纯度应不低于99.5％(即
氟硅酸钠的质量百分比不低于99.5％)；选用的陶瓷粉的纯度应不低于99.9％(即陶瓷粉的
质量百分比不低于99.9％)；选用的金属铝粉的纯度应不低于99.9％(即铝的质量百分比不
低于99.9％)。

[0055] 铝合金粉芯丝材的填充率超过10％可能会造成丝材拉拔困难，在拉拔过程中造成断裂；另一方面，若填充率低于8％可能会造成电弧的稳定性变差，增材构件成形质量降低。
优选实施例中，所述铝合金粉芯丝材中粉芯的填充率为9％±1％。

[0056] 本发明所述粉芯丝材还包括包裹粉芯的外皮，所述外皮为金属铝外皮。粉芯丝材表面可实施镀铜，也可不镀铜。

[0057] 本发明对粉芯丝材的截面形状无定性要求，可为O型、T型、E型等中的任意一种；外皮可为有接缝的接缝性，亦可为无接缝的无缝性。

[0058] 一些实施例中，由所述金属铜粉、金属锰粉、金属钛粉、金属钒粉、金属锆粉构成的合金粉料的平均粒径在80‑120μm，陶瓷增强颗粒的平均粒径在20‑50μm，所述合金粉料以及
陶瓷增强颗粒的形貌均为近球形。

[0059] 本发明还提供了所述的铝合金粉芯丝材的制备方法，包括：

[0060] 将金属铜粉、金属锰粉、金属钛粉、金属钒粉、金属锆粉、氟硅酸钠盐、陶瓷增强颗粒和金属铝粉混合，得到粉芯粉体；

[0061] 采用铝外皮对所述粉芯粉体进行包覆，得到粉芯丝材。

[0062] 一些实施例中，将所述粉芯粉体填充至带有U型槽的铝金属外皮中，将U型槽合口后拉拔，得到粉芯丝材。

[0063] 一些实施例中，所述铝金属外皮为铝带。根据需要选择合适的铝带规格，比如选用的铝带型号为1060，厚度为0.3±0.05mm，宽度为12±0.05mm。也可直接采用市售的宽度为
12mm、厚度为0.3mm的冷轧1060铝带。

[0064] 一些实施例中，该制备方法包括如下步骤：

[0065] 按照粉芯丝材组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合并充分搅拌，直至获得混合均匀的粉料；

[0066] 将混合均匀的粉料进行烘干处理，放置备用；

[0067] 对铝带进行初次卷轧形成U型槽，将步骤(ii)所获得的粉料均匀加入到该U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径的粉芯丝材；

[0068] 对初始直径的粉芯丝材进行多次拉拔处理，以获得最终直径的粉芯丝材。

[0069] 按照本发明的一个优选实施例，考虑到陶瓷颗粒直径小于合金粉料直径，为确保陶瓷颗粒混合均匀，应适当延长混料时间，混料时间为1‑2小时。

[0070] 按照本发明的一个优选实施例，烘干箱温度范围设置为80‑100℃，保温时间设置为2‑4h。

[0071] 按照本发明的另一优选实施例，为确保送丝的稳定性以及对熔滴过渡量的精度控制，粉芯丝材的初始直径为3.8mm左右，多次拉拔后获得的最终直径为1.2mm左右。

[0072] 以下结合5个具体实施例以对本发明加以更详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。

[0073] 实施例1

[0074] 实施例1铝合金粉芯的组分及质量配比参见表1：

[0075] 表1

[0076]

[0077] 按照表1所示粉芯组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合加入到粉料搅拌机中，混料1小时获得混合均匀的粉料；将混合均匀的粉料放入烘干箱中进行烘干处
理，烘干箱温度设置为80℃，保温时间设置为2h；将铝带进行初次卷轧形成U型槽，将烘干后
的粉料均匀加入到U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径为3.8mm的粉芯
丝材，经多次拉拔处理后，获得最终直径为1.2mm的粉芯丝材。

[0078] 将制得的铝合金粉芯丝材进行电弧熔丝增材制造，电弧电源为Fronius TPS4000型弧焊电源，其工艺参数为：电流130A，电压14V，焊枪行走速度8mm/s，保护气为99.99％Ar，
保护气流量15L/min。

[0079] 实施例1在电弧增材过程中电弧稳定，飞溅较少，增材层成形良好，表面无气孔，无热裂纹出现。

[0080] 电弧增材制备的铝合金构件中部分金属元素及陶瓷含量参见表2(wt％)：

[0081] 表2

[0082]实施例 Cu Mn Ti V Zr TiC Al
实施例1 5.8 0.22 0.2 0.06 0.14 14.5 79.08

[0083] 电弧增材制备的铝合金构件的各项性能参见表3：

[0084] 表3

[0085]

[0086] 实施例2

[0087] 实施例2铝合金粉芯的组分及配比参见表4(wt％)：

[0088] 表4

[0089]

[0090] 按照表4所示粉芯组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合加入到粉料搅拌机中，混料1.5小时获得混合均匀的粉料；将混合均匀的粉料放入烘干箱中进行烘干处
理，烘干箱温度设置为80℃，保温时间设置为2h；将铝带进行初次卷轧形成U型槽，将烘干后
的粉料均匀加入到U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径为3.8mm的粉芯
丝材，经多次拉拔处理后，获得最终直径为1.2mm的粉芯丝材。

[0091] 将制得的铝合金粉芯丝材进行电弧熔丝增材制造，电弧电源为Fronius TPS4000型弧焊电源，其工艺参数为：电流150A，电压16V，焊枪行走速度10mm/s，保护气为99.99％
Ar，保护气流量15L/min。

[0092] 实施例2在电弧增材过程中电弧稳定，飞溅较少，增材层成形良好，表面无气孔，无热裂纹出现。

[0093] 电弧增材制备的铝合金构件中部分金属元素及陶瓷含量参见表5(wt％)：

[0094] 表5

[0095]

[0096]

[0097] 电弧增材制备的铝合金构件的各项性能参见表6：

[0098] 表6

[0099]

[0100] 实施例3

[0101] 实施例3铝合金粉芯的组分及配比参见表7(wt％)：

[0102] 表7

[0103]

[0104] 按照表7所示粉芯组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合加入到粉料搅拌机中，混料2小时获得混合均匀的粉料；将混合均匀的粉料放入烘干箱中进行烘干处
理，烘干箱温度设置为80℃，保温时间设置为2h；将铝带进行初次卷轧形成U型槽，将烘干后
的粉料均匀加入到U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径为3.8mm的粉芯
丝材，经多次拉拔处理后，获得最终直径为1.2mm的粉芯丝材。

[0105] 将制得的铝合金粉芯丝材进行电弧熔丝增材制造，电弧电源为Fronius TPS4000型弧焊电源，其工艺参数为：电流170A，电压18V，焊枪行走速度12mm/s，保护气为99.99％
Ar，保护气流量15L/min。

[0106] 实施例3在电弧增材过程中电弧稳定，飞溅较少，增材层成形良好，表面无气孔，无热裂纹出现。

[0107] 电弧增材制备的铝合金构件中部分金属元素及陶瓷含量参见表8(wt％)：

[0108] 表8

[0109]实施例 Cu Mn Ti V Zr TiC Al
实施例3 6.5 0.4 0.2 0.14 0.06 18.6 74.1

[0110] 电弧增材制备的铝合金构件的各项性能参见表9：

[0111] 表9

[0112]

[0113] 实施例4

[0114] 实施例4铝合金粉芯的组分及配比参见表10(wt％)：

[0115] 表10

[0116]

[0117] 按照表10所示粉芯组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合加入到粉料搅拌机中，混料1小时获得混合均匀的粉料；将混合均匀的粉料放入烘干箱中进行烘干处
理，烘干箱温度设置为80℃，保温时间设置为2h；将铝带进行初次卷轧形成U型槽，将烘干后
的粉料均匀加入到U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径为3.8mm的粉芯
丝材，经多次拉拔处理后，获得最终直径为1.2mm的粉芯丝材。

[0118] 将制得的铝合金粉芯丝材进行电弧熔丝增材制造，电弧电源为Fronius TPS4000型弧焊电源，其工艺参数为：电流150A，电压16V，焊枪行走速度10mm/s，保护气为99.99％
Ar，保护气流量15L/min。

[0119] 实施例4在电弧增材过程中电弧稳定，飞溅较少，增材层成形良好，表面无气孔，无热裂纹出现。

[0120] 电弧增材制备的铝合金构件中部分金属元素及陶瓷含量参见表11(wt％)：

[0121] 表11

[0122]实施例 Cu Mn Ti V Zr Al2O3 Al
实施例4 6.6 0.28 0.12 0.18 0.12 14.5 78.2

[0123] 电弧增材制备的铝合金构件的各项性能参见表12：

[0124] 表12

[0125]

[0126] 实施例5

[0127] 实施例5铝合金粉芯的组分及配比参见表13(wt％)：

[0128] 表13

[0129]

[0130] 按照表13所示粉芯组分及其质量百分比称取对应原料，将各组分混合加入到粉料搅拌机中，混料1.5小时获得混合均匀的粉料；将混合均匀的粉料放入烘干箱中进行烘干处
理，烘干箱温度设置为80℃，保温时间设置为2h；将铝带进行初次卷轧形成U型槽，将烘干后
的粉料均匀加入到U型槽中，再次卷轧使铝带完全包裹粉芯，获得初始直径为3.8mm的粉芯
丝材，经多次拉拔处理后，获得最终直径为1.2mm的粉芯丝材。

[0131] 将制得的铝合金粉芯丝材进行电弧熔丝增材制造，电弧电源为Fronius TPS4000型弧焊电源，其工艺参数为：电流170A，电压18V，焊枪行走速度12mm/s，保护气为99.99％
Ar，保护气流量15L/min。

[0132] 实施例5在电弧增材过程中电弧稳定，飞溅较少，增材层成形良好，表面无气孔，无热裂纹出现。

[0133] 电弧增材制备的铝合金构件中部分金属元素及陶瓷含量参见表14(wt％)：

[0134] 表14

[0135] 实施例 Cu Mn Ti V Zr Al2O3 Al实施例5 6.8 0.22 0.2 0.08 0.12 19.2 73.38

[0136] 电弧增材制备的铝合金构件的各项性能参见表15：

[0137] 表15

[0138]

[0139] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。