CN116536551B - 一种高强耐热高导电枢材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电枢材料制造领域，具体公开一种高强耐热高导电枢材料及其制备方法。电枢材料包括中间芯层，对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层和设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层；中间芯层的主合金化元素包括Al、Mg、Si，微合金化元素包括B、Ce；耐热层的主合金化元素包括Al、Cu、Li，微合金化元素包括Zr、Ce。本发明提供的电枢材料具有从表面到芯部组织和应力梯度分布的特点，有效降低了电枢材料的热应力和电磁应力，在保证高强度的同时，获得了高导电性能，解决了现役铝合金电枢强度和导电性之间的矛盾，实现了电枢材料强度和高导电性的优化组合，在电磁轨道炮领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电枢材料制造领域，特别涉及一种高强耐热高导电枢材料及其制备方法。
背景技术
电磁轨道炮电枢作为发射过程中将电能转化为动能的直接载体和核心部件，服役在高温（局部温度上千度）、高速摩擦（速度大于2km/s）、高膛压（几百兆帕）、高过载（十几万g）的恶劣环境中，且电磁、热、力运动等多场动态耦合，枢轨界面间会产生复杂的机械、热力、电气作用及强大的侧冲击力。电枢材料的高温强度、导电、传热、密度等属性是直接决定电磁轨道发射任务能够成功的关键因素。此外，由于电枢的特殊结构及发射过程的趋肤效应，电流分布于电枢表面，从而产生温度梯度和热应力，同时，电磁力和摩擦力也集中在电枢表面产生结构应力，导致电枢性能急剧下降，甚至可能出现电枢在膛内破碎高速碰撞发射器，而导致发射器损坏的问题。
传统6系铝合金电枢材料的电导率不理想，且由于存在大量热稳定相差的析出相，容易导致电枢在发射过程中随温度升高而丧失强化效果的问题，也即现役电枢材料的高温力学性能普遍较弱。为了提高现役铝合金电枢的导电性和在较高温度下的力学性能，人们主要通过铸造的方法对均质铝合金电枢进行改性，通过添加微合金化元素并结合多级时效等热处理制度，以调整析出相分布，使第二相充分析出减少晶格畸变。但是，上述方法对改性电枢的高温力学性能和导电性的提升不大，对电磁轨道炮发射时的极限性能的提高有明显的局限性，强度和导电性之间的矛盾仍是制约铝合金电枢在电磁轨道炮中应用的瓶颈问题。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供一种高强耐热高导电枢材料及其制备方法，其采用特殊组成的“三明治”梯度结构，提高电枢材料的高温力学性能，降低电枢重量，同时，还能有效均衡电流密度，降低电磁应力集中，显著改善电枢综合性能。
为解决上述技术问题，本发明实施例第一方面提供的高强耐热高导电枢材料包括：位于中心的中间芯层，以及对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层和设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层；
其中，所述中间芯层的主合金化元素包括Al、Mg、Si，微合金化元素包括B、Ce；所述耐热层的主合金化元素包括Al、Cu、Li，微合金化元素包括Zr、Ce；
所述渐变过渡层的主合金化元素包括Al、Mg、Si、Cu、Li，微合金化元素包括B、Ce、Zr；其中，Cu、Li、Zr含量自所述耐热层至所述中间芯层递减，Mg、Si、B含量自所述耐热层至所述中间芯层递增，Ce含量在所述渐变过渡层中含量均一。
相对于现有技术，本发明提供的高强耐热高导电枢材料，采用特殊组成的“三明治”梯度结构，其耐热层选择密度低、强度高、耐热性好的Al、Cu、Li作为主合金化元素，并添加Zr、Ce作为微合金化元素，促进在晶界连续析出多元共格弥散相，这些弥散性起到钉扎晶界的作用，阻碍晶粒再结晶，此外，Zr、Ce与基体中的杂质元素形成第二析出相，对基体起到净化作用，从而显著增加了电枢表层的耐热性，有效降低了电枢表面区域在高温下的应力，同时，Li元素的加入还可起到对电枢减重的作用；电枢中间芯层选择Al、Mg、Si作为主合金化元素，并添加B、Ce作为微合金化元素，通过B、Ce与基体中杂质元素反应，降低晶界畸变，有效提升了电枢内层的电导率；进一步地，通过引入组分渐变的渐变过渡层，过渡层起始组分比例与耐热层相同或相近，随着过渡层物理厚度的增加，过渡层的组分逐渐过渡至与中间芯层相同或相近，这样，使得电枢表层的电阻率大于电枢内层，在一定程度上减轻了邻近效应的影响，均衡电流密度，有效减小电流密度的梯度差，从而降低电磁应力集中。
本发明提供的电枢材料的层与层之间界面结合良好，材料的晶界可以跨越表层和芯层，具有从表面到芯部组织和应力梯度分布的特点，有效降低了电枢材料的热应力和电磁应力，在保证高强度的同时，获得了高导电性能，解决了现役铝合金电枢强度和导电性之间的矛盾，实现了电枢材料强度和高导电性的优化组合，在电磁轨道炮领域具有广阔的应用前景。
作为本发明的一个实施例，所述递增或递减可以是连续式递增或递减，还可以是阶梯式递增或递减。
可选的，所述中间芯层包括如下质量百分比的组分：Mg 0.69%~1.08%，Si 0.35%~0.65%，B 0.10%~0.35%，Ce 0.20%~0.40%，余量为Al和不可避免的杂质元素。
可选的，所述耐热层包括如下质量百分比的组分：Cu 3.62%~4.21%，Li 0.65%~1.19%，Zr 0.10%~0.30%，Ce 0.20%~0.40%，余量为Al和不可避免的杂质元素。
需要说明的是，本发明中所述中间芯层和耐热层中的其他杂质元素的含量小于0.1%。
可选的，所述渐变过渡层靠近所述耐热层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述耐热层中对应元素的含量相同；
所述渐变过渡层靠近所述中间芯层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述中间芯层中对应元素的含量相同。
优选的各层材料的组成，有利于提高材料的高温强度和导电性，从而解决现有铝合金电枢存在的高强度与优良导电性二者不能兼顾的问题。
作为本发明的一个实施例，所述电枢材料的致密度大于99%，密度为2.71g/cm3~2.73g/cm3，电导率48%IACS~55%IACS。
作为本发明的一个实施例，所述电枢材料的室温屈服强度为350MPa~400MPa，抗拉强度为450MPa~520MPa，延伸率为9%~14%。
作为本发明的一个实施例，所述电枢材料400℃的屈服强度为200MPa~250MPa，抗拉强度为290MPa~330MPa，延伸率大于18%。
本发明实施例的第二方面提供一种高强耐热高导电枢材料的制备方法，所述电枢材料包括中间芯层，对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层，以及设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层，其制备方法至少包括以下步骤：
根据所述电枢材料各层的主合金化元素和微合金化元素，选择与所述各层的主合金化元素匹配的焊丝，以及与所述各层的微合金化元素匹配的合金粉，将所述焊丝和合金粉分别装入双丝进给结构和同轴送粉机构中，形成增材制造系统；
惰性气氛下，按照设置的路径规划数据对所述焊丝和合金粉进行熔化扫描，控制焊丝和合金粉末的送进速度，重复逐层堆叠，得金属材料；
将所述金属材料依次进行高密度脉冲电流固溶和低密度脉冲电流时效处理，得所述高强耐热高导电枢材料；
其中，所述渐变过渡层中的Cu、Li、Zr含量自所述耐热层递减、Mg、Si、B的含量自所述耐热层递增。
可选的，与所述耐热层的主合金化元素匹配的焊丝为Al-Cu-Li焊丝。
具体的，所述焊丝的成分可根据电枢材料中耐热层、渐变过渡层和中间芯层的具体成分进行选择。示例性的，所述Al-Cu-Li焊丝的直径为0.8mm，其中Cu含量为4.00%，Li含量为1.40%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素。
可选的，与所述中间芯层的主合金化元素匹配的焊丝为Al-Mg-Si焊丝。
具体的，所述焊丝的成分可根据电枢材料中耐热层、渐变过渡层和中间芯层的具体成分进行选择。示例性的，所述Al-Mg-Si焊丝的直径为0.8mm，其中Mg含量为1.10%，Si含量为0.50%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素。
需要说明的是，焊丝中其他杂质元素的含量小于0.1%。
作为本发明的一个实施例，Zr粉、Ce粉和B粉选择纯度不低于99.99%的微米级单质粉末。
作为本发明的一个实施例，增材制造过程中通过高频电流（50kHz~100kHz）复合TIG工艺促进熔池流动，从而保证成分的均匀过渡并抑制缺陷的产生。
作为本发明的一个实施例，增材制造的工艺参数：采用变极性焊接电源恒流输出，焊接电流90~130A，焊枪移动速度0.48~0.72m/min，氩气为保护气体，氩气流量20~25L/min。
具体地，电流频率为80kHz，焊接电流幅值100±5A，Ar气流量20L/min，电极尖端到基板距离10mm，焊枪移动速度0.66m/min，焊枪垂直于工件。
需要说明的是，通过如下步骤获得路径规划数据：首先构建电枢材料的三维实体模型，然后经切片处理，生成加工程序，并导入控制系统。本发明对所述三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的具体步骤没有特殊限定，本领域技术人员可以根据需要生成不同结构电枢材料的加工程序。在本发明实施例中，优选采用软件完成三维实体模型的构建、切片处理和生成加工程序的步骤，构建所述三维实体模型所用软件优选为solidworks或UG；所述切片处理和生成加工程序所用软件优选为激光3D打印数据处理软件，得到加工程序后，将电枢结构参数输入到仿真软件中，同时输入实际应用的各项条件，进行仿真，基于仿真结果对设计的电枢结构参数进行优化，根据得到的仿真结果来对电枢结构参数进行迭代优化，在结果数据符合预设期望时，将所述加工数据导入控制系统中，以便于后续步骤按照该加工程序进行电弧增材制造。
可选的，电枢结构包括V形、U形、C形、马鞍形电枢结构。
作为本发明的一个实施例，选择立放的路径规划（图1）进行增材制造。立放是指电枢的侧翼垂直地面，也即开槽向上放置。所述电弧增材制造过程的路径为完成一层沉积后，熄弧，返回原点，再次起弧、送丝进行电弧增材制造。
试验证明，若采用横放（图2）的规划路径，也即电枢的侧翼平行地面放置，增材制造的试验难度很大，成型效果差。
可选的，自所述耐热层至所述中间芯层，所述Al-Cu-Li焊丝和Zr合金粉的送进速度递减。
可选的，自所述耐热层至所述中间芯层，所述Al-Cu-Li焊丝和Zr合金粉的送进速度递减。
可选的，所述Ce合金粉的送进速度不变。
可选的，焊丝和合金粉的速度变化量均为，其中，vmax为最大送丝或送粉速度，单位m/min或g/min；c为焊道宽度，单位mm；D为电枢材料任意位置所对应的壁厚，单位mm。
作为本发明的一个实施例，增材制造过程中焊丝和合金粉的速度控制：
增材制造开始以3.5~4.5m/min的速度送进Al-Cu-Li焊丝，以1~2g/min和1.5~2.5g/min的速率送进Zr粉和Ce粉，由外向内，Al-Cu-Li焊丝从3.5~4.5m/min的速度递减至0，Zr粉从1~2g/min的速率递减至0；同时，由外向内Al-Mg-Si焊丝从0递增至3.5~4.5m/min，B粉由0递增至1~2.3g/min，然后保持Al-Mg-Si焊丝和B粉的送进速度不变，直至完成一层沉积，速度变化量均为，vmax为最大送丝或送粉速度，送丝速度单位m/min，送粉速度单位g/min；c为焊道宽度，单位mm；D为电枢材料任意位置所对应的壁厚，单位mm；Ce粉送进速度始终保持1~2g/min的速率。
具体地，增材制造开始以4m/min的速度送进Al-Cu-Li焊丝，分别以1.5g/min和1.6g/min的速率送进Zr粉和Ce粉，由外向内，Al-Cu-Li焊丝从4m/min的速度递减至0，Zr粉从1.5g/min的速率递减至0；同时，由外向内Al-Mg-Si焊丝从0递增至4m/min，B粉由0递增至1.5g/min，然后保持Al-Mg-Si焊丝和B粉的送进速度不变，直至完成一层沉积，速度变化量均为，vmax为最大送丝或送粉速度，送丝速度单位m/min，送粉速度单位g/min；c为焊道宽度，单位mm；D为电枢材料任意位置所对应的壁厚，单位mm；Ce粉送进速度始终保持1.6g/min的速率。
具体地，完成一层沉积后，层间冷却时间为90s，焊枪提升高度1.4mm，焊道高度1.4mm，焊道宽度2.2~2.7mm。
作为本发明的一个实施例，增材制造开始前，调节双丝间接电弧焊结构，使Al-Cu-Li焊丝和Al-Mg-Si焊丝处于同一平面，然后调节两根焊丝的夹角，使双丝轴线末端相交于一点。
具体的，分别由两台送丝机以60°夹角自动送进Al-Cu-Li焊丝和Al-Mg-Si焊丝。微合金化元素的合金粉采用同轴送粉机构同时送进。
两根焊丝位于被焊工件的上方，交流焊接电源的两电极分别与TIG焊枪及工件相连，并在焊枪与工件之间建立TIG电弧，利用电弧的能量熔化焊丝及合金粉末。在焊接电流为正的半个周期内，钨极为阳极，产生动能较大的阳离子，撞击铝合金表面的氧化膜，具有清洁作用；焊接电流为负的半个周期内，工件为阳极，电弧温度主要用于加热工件，可降低钨极温度。
本发明对电枢材料的电弧增材制造方法所用装置的使用方法没有特殊限定，按照常规的电弧增材设备的使用方法使用即可。
可选的，所述高密度脉冲电流固溶的电流密度为100A/mm2~300A/mm2，固溶温度460℃~480℃，固溶时间1h~2h。
上述高密度脉冲电流固溶处理，可促进尺寸较大的析出相溶解，形成GP区域，有利于提高后续电流时效处理的效果。
可选的，所述低密度脉冲电流时效的电流密度为30A/mm2~60A/mm2，温度为160℃~190℃，时间为6h~12h。
上述低密度脉冲电流时效处理，可促进GP区里析出更多的析出相，从而显著改善电枢的力学性能。
第三方面，本发明提供了上述高强耐热高导电枢材料在电磁轨道炮领域的应用。
相对于现有技术，本发明包括如发明点：
（1）本发明通过增材制造的方法，制备得到了“三明治”梯度结构的电枢材料，解决了现役铝合金电枢强度和导电性之间的矛盾，实现了电枢材料强度和高导电性的优化组合；
（2）本发明通过增材制造的方法实现了梯度铝合金材料的原位合成，电枢材料的层与层之间界面结合良好，均衡了内、外层的产热和受力，有效降低了热应力和电磁应力，且电枢材料的密度较低，有利于获得更高的发射速度，并提高电磁轨道炮的使用寿命；
（3）本发明电枢材料的制备方法具有简便高效，可控性强，批次一致性好等优点，可显著降低异质电枢的制备难度，提高其规模化生产的批次稳定性。
附图说明
图1为电枢立放的增材制造规划路径示意图；
图2为电枢横放的增材制造规划路径示意图；
图3为本发明实施例增材制造电枢材料的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图，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。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本实施例中采用的Al-Cu-Li焊丝的直径为0.8mm，其中Cu含量为4.00%，Li含量为1.40%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）。
Al-Mg-Si焊丝的直径为0.8mm，其中Mg含量为1.10%，Si含量为0.50%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）。
本实施例提供的高强耐热高导电枢材料，包括：位于中心的中间芯层，以及对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层和设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层：
外层耐热层的成分：Cu 3.91%，Li 1.02%，Zr 0.20%，Ce 0.30%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）；
中间芯层的成分：Mg 0.99%，Si 0.44%，B 0.20%，Ce 0.30%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）；
渐变过渡层中的Cu、Li、Zr含量自所述耐热层至所述中间芯层递减，Mg、Si、B含量自所述耐热层至所述中间芯层递增，Ce含量在所述渐变过渡层中含量均一；其中，渐变过渡层靠近所述耐热层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述耐热层中对应元素的含量相同；渐变过渡层靠近所述中间芯层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述中间芯层中对应元素的含量相同。
其制备方法包括如下步骤：
利用加紧套筒将送粉装置固定在TIG焊枪上，焊枪垂直于工件，将Zr粉、Ce粉和B粉加入送粉装置中，Al-Cu-Li焊丝和Al-Mg-Si两根焊丝以60°夹角由两台送丝机分别送进，两根焊丝处于同一平面且其轴线末端相交于一点，将焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池，并通过电极同轴送粉的方法向熔池中添加以下含量的微合金化元素：Zr 0.20%，Ce0.30%，B 0.20%。
采用钨极氩气保护焊方式进行沉积，采用高频电流复合TIG电弧为热源，电流频率为80kHz，焊接电流幅值100±5A，Ar气流量20L/min，电极尖端到基板距离10mm，焊枪移动速度0.66m/min，焊道高度1.4mm，焊道宽度2.5mm。
不同位置焊丝和金属粉的送进速度由程序控制，根据立放的规划路径行走（如图1所示），开始时以4m/min的速度送进Al-Cu-Li焊丝，以1.5g/min和1.6g/min的速率送进Zr粉和Ce粉，由外向内，Al-Cu-Li焊丝从4m/min的速度递减至0，Zr粉从1.5g/min的速率递减至0；同时，Al-Mg-Si焊丝从0递增至4m/min，B粉由0递增至1.5g/min，Ce粉送至速度不变，然后保持Al-Mg-Si焊丝和B粉的送进速度不变，直至完成一层沉积；焊丝和金属粉的速度变化量均为（vmax为最大送丝或送粉速度，送丝速度单位m/min，送粉速度单位g/min；c为焊道宽度，单位mm；D为电枢材料任意位置所对应的壁厚，单位mm）。完成一层沉积后，层间冷却时间为90s，焊枪提升高度1.4mm，按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，直至完成路径规划，得电枢坯件。
将所得电枢坯件进行高密度脉冲电流固溶，电流密度为220A/mm2，固溶温度470℃，固溶时间1.5h；然后进行低密度电流时效，电流密度为60A/mm2，温度为190℃，时间为8h，得电枢材料。
实施例2
本实施例中采用的Al-Cu-Li焊丝的直径为0.8mm，其中Cu含量为3.70%，Li含量为0.92%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素。
Al-Mg-Si焊丝的直径为0.8mm，其中Mg含量为0.82%，Si含量为0.45%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素。
本实施例提供的高强耐热高导电枢材料，包括：位于中心的中间芯层，以及对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层和设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层：
外层耐热层的成分：Cu 3.62%，Li 0.65%，Zr 0.10%，Ce 0.20%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）；
中间芯层的成分：Mg 0.69%，Si 0.35%，B 0.10%，Ce 0.20%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）；
渐变过渡层中的Cu、Li、Zr含量自所述耐热层至所述中间芯层递减，Mg、Si、B含量自所述耐热层至所述中间芯层递增，Ce含量在所述渐变过渡层中含量均一；其中，渐变过渡层靠近所述耐热层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述耐热层中对应元素的含量相同；渐变过渡层靠近所述中间芯层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述中间芯层中对应元素的含量相同。
其制备方法包括如下步骤：
利用加紧套筒将送粉装置固定在TIG焊枪上，焊枪垂直于工件，将Zr粉、Ce粉和B粉加入送粉装置中，Al-Cu-Li焊丝和Al-Mg-Si两根焊丝以60°夹角由两台送丝机分别送进，两根焊丝处于同一平面且其轴线末端相交于一点，将焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池，并通过电极同轴送粉的方法向熔池中添加以下含量的微合金化元素：Zr 0.10%，Ce0.20%，B 0.10%。
采用钨极氩气保护焊方式进行沉积，采用高频电流复合TIG电弧为热源，电流频率为50kHz，焊接电流幅值95±5A，Ar气流量20L/min，电极尖端到基板距离10mm，焊枪移动速度0.48m/min，焊道高度1.4mm，焊道宽度2.2mm。
不同位置焊丝和金属粉的送进速度由程序控制，根据立放的规划路径行走（如图1所示），开始时以3.5m/min的速度送进Al-Cu-Li焊丝，以1g/min和1.5g/min的速率送进Zr粉和Ce粉，由外向内，Al-Cu-Li焊丝从3.5m/min的速度递减至0，Zr粉从1g/min的速率递减至0；同时，Al-Mg-Si焊丝从0递增至3.5m/min，B粉由0递增至1g/min，Ce粉送至速度不变，然后保持Al-Mg-Si焊丝和B粉的送进速度不变，直至完成一层沉积；焊丝和金属粉的速度变化量均为（vmax为最大送丝或送粉速度，送丝速度单位m/min，送粉速度单位g/min；c为焊道宽度，单位mm；D为电枢材料任意位置所对应的壁厚，单位mm）。完成一层沉积后，层间冷却时间为90s，焊枪提升高度1.4mm，按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，直至完成路径规划，得电枢坯件。
将所得电枢坯件进行高密度脉冲电流固溶，电流密度为100A/mm2，固溶温度460℃，固溶时间2h；然后进行低密度电流时效，电流密度为30A/mm2，温度为160℃，时间为12h，得电枢材料。
实施例3
本实施例中采用的Al-Cu-Li焊丝的直径为0.8mm，其中Cu含量为4.30%，Li含量为1.45%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素。
Al-Mg-Si焊丝的直径为0.8mm，其中Mg含量为1.20%，Si含量为0.80%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素。
本实施例提供的高强耐热高导电枢材料，包括：位于中心的中间芯层，以及对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层和设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层：
外层耐热层的成分：Cu 4.21%，Li 1.19%，Zr 0.30%，Ce 0.40%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）；
中间芯层的成分：Mg 1.08%，Si 0.65%，B 0.35%，Ce 0.40%，余量为Al及不可避免的其他杂质元素（含量小于0.1%）；
渐变过渡层中的Cu、Li、Zr含量自所述耐热层至所述中间芯层递减，Mg、Si、B含量自所述耐热层至所述中间芯层递增，Ce含量在所述渐变过渡层中含量均一；其中，渐变过渡层靠近所述耐热层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述耐热层中对应元素的含量相同；渐变过渡层靠近所述中间芯层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述中间芯层中对应元素的含量相同。
其制备方法包括如下步骤：
利用加紧套筒将送粉装置固定在TIG焊枪上，焊枪垂直于工件，将Zr粉、Ce粉和B粉加入送粉装置中，Al-Cu-Li焊丝和Al-Mg-Si两根焊丝以60°夹角由两台送丝机分别送进，两根焊丝处于同一平面且其轴线末端相交于一点，将焊丝送至焊枪运动方向正前方的液态熔池，并通过电极同轴送粉的方法向熔池中添加以下含量的微合金化元素：Zr 0.30%，Ce0.40%，B 0.35%。
采用钨极氩气保护焊方式进行沉积，采用高频电流复合TIG电弧为热源，电流频率为100kHz，焊接电流幅值110±5A，Ar气流量20L/min，电极尖端到基板距离10mm，焊枪移动速度0.72m/min，焊道高度1.4mm，焊道宽度2.7mm。
不同位置焊丝和金属粉的送进速度由程序控制，根据立放的规划路径行走（如图1所示），开始时以4.5m/min的速度送进Al-Cu-Li焊丝，以2g/min和2.5g/min的速率送进Zr粉和Ce粉，由外向内，Al-Cu-Li焊丝从4.5m/min的速度递减至0，Zr粉从2g/min的速率递减至0；同时，Al-Mg-Si焊丝从0递增至4.5m/min，B粉由0递增至2.3g/min，Ce粉送至速度不变，然后保持Al-Mg-Si焊丝和B粉的送进速度不变，直至完成一层沉积；焊丝和金属粉的速度变化量均为（vmax为最大送丝或送粉速度，送丝速度单位m/min，送粉速度单位g/min；c为焊道宽度，单位mm；D为电枢材料任意位置所对应的壁厚，单位mm）。完成一层沉积后，层间冷却时间为90s，焊枪提升高度1.4mm，按照预定的规划路径，进行重复逐层堆叠，直至完成路径规划，得电枢坯件。
将所得电枢坯件进行高密度脉冲电流固溶，电流密度为300A/mm2，固溶温度480℃，固溶时间1h；然后进行低密度电流时效，电流密度为40A/mm2，温度为175℃，时间为10h，得电枢材料。
对比例1
本对比例提供一种电枢材料的制备方法，其制备步骤与实施例1完全相同，不同的仅是不加入Zr粉、Ce粉和B粉，仅由Al-Cu-Li焊丝和Al-Mg-Si两根焊丝进行增材制造，制得电枢材料。
对比例2
本对比例提供一种电枢材料的制备方法，其制备步骤与实施例1完全相同，不同的仅是不进行最后的高密度脉冲电流固溶和低密度电流时效，其余步骤完全相同，制得电枢材料。
对比例3
本对比例提供一种电枢材料的制备方法，其制备步骤与实施例1完全相同，不同的仅是将Ce粉替换为等量的La粉，其余步骤完全相同，制得电枢材料。
对比例4
本对比例提供一种电枢材料的制备方法，其制备步骤与实施例1完全相同，不同的仅是将Zr粉替换为等量的Y粉，其余步骤完全相同，制得电枢材料。
性能测试
为了证明本发明实施例和对比例制备的电枢材料的效果，下面对实施例1以及对比例1-4中的电枢材料进行性能测试。
按照ASTM E8-08标准测试方法，通过线电极切割制备了三个垂直（平行于增材沉积方向BD）和水平（垂直于BD）拉伸测试样品。根据GB/T 16865-2013，采用ZWICK Z600E型电子拉伸试验机，在室温25℃下进行拉伸试验。根据GB/T4338-2006，采用GWT1200高温电子拉伸试验机在400℃下进行拉伸试验。根据GB/T 3956-2008，采用直流数字电阻测试仪(1×10-4mΩ精度)测试梯度材料的电阻率并换算为电导率值。结果如表1所示。
表1
| 实施例1 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 | |
| 致密度 | ＞99.8% | ＞99.7% | ＞99.7% | ＞99.8% | ＞99.8% |
| 密度（g/cm3） | 2.71 | 2.70 | 2.71 | 2.72 | 2.73 |
| 电导率（IACS） | 49% | 44% | 43% | 46% | 47% |
| 室温屈服强度（MPa） | 367 | 335 | 315 | 343 | 298 |
| 室温抗拉强度（MPa） | 475 | 415 | 394 | 445 | 398 |
| 室温延伸率% | 13.8 | 8 | 9 | 11 | 11 |
| 400℃屈服强度（MPa） | 213 | 181 | 183 | 189 | 175 |
| 400℃抗拉强度（MPa） | 309 | 259 | 261 | 282 | 247 |
| 400℃延伸率% | 18.5 | 16.5 | 16.8 | 17.7 | 15.6 |
本发明实施例2-3均可达到与实施例1基本相当的技术效果，且经试验证明，只要耐热层、渐变过渡层和中间芯层的主合金化元素和微合金化元素的含量在本发明限定的范围内，均可达到与实施例1基本相当的技术效果。
本发明电枢材料的制备方法具有简便高效、精度高，可控性强，批次一致性好等优点，制备得到的电枢材料具有从表面到芯部组织和应力梯度分布的特点，有效降低了电枢材料的热应力和电磁应力，在保证高强度的同时，获得了高导电性能，解决了现役铝合金电枢强度和导电性之间的矛盾，实现了电枢材料强度和高导电性的优化组合，在电磁轨道炮领域具有广阔的应用前景。
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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高强耐热高导电枢材料，其特征在于，所述电枢材料包括：位于中心的中间芯层，以及对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层和设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层；
其中，所述中间芯层的主合金化元素包括Al、Mg、Si，微合金化元素包括B、Ce；所述耐热层的主合金化元素包括Al、Cu、Li，微合金化元素包括Zr、Ce；
所述渐变过渡层的主合金化元素包括Al、Mg、Si、Cu、Li，微合金化元素包括B、Ce、Zr；其中，Cu、Li、Zr含量自所述耐热层至所述中间芯层递减，Mg、Si、B含量自所述耐热层至所述中间芯层递增，Ce含量在所述渐变过渡层中含量均一；
所述中间芯层包括如下质量百分比的组分：Mg 0.69%~1.08%，Si 0.35%~0.65%，B0.10%~0.35%，Ce 0.20%~0.40%，余量为Al和不可避免的杂质元素；
所述耐热层包括如下质量百分比的组分：Cu 3.62%~4.21%，Li 0.65%~1.19%，Zr 0.10%~0.30%，Ce 0.20%~0.40%，余量为Al和不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的高强耐热高导电枢材料，其特征在于，所述渐变过渡层靠近所述耐热层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述耐热层中对应元素的含量相同；
所述渐变过渡层靠近所述中间芯层的一层，所述主合金化元素和微合金化元素的含量与所述中间芯层中对应元素的含量相同。
3.如权利要求1所述的高强耐热高导电枢材料，其特征在于，所述电枢材料的致密度大于99%，密度为2.71g/cm3~2.73g/cm3，电导率48%IACS~55%IACS。
4.如权利要求1所述的高强耐热高导电枢材料，其特征在于，所述电枢材料的室温屈服强度为350MPa~400MPa，抗拉强度为450MPa~520MPa，延伸率为9%~14%；
所述电枢材料400℃的屈服强度为200MPa~250MPa，抗拉强度为290MPa~330MPa，延伸率大于18%。
5.一种高强耐热高导电枢材料的制备方法，其特征在于，其中，所述电枢材料包括中间芯层，对称设置在所述中间芯层两侧的渐变过渡层，以及设置在所述渐变过渡层外侧的耐热层，其制备方法至少包括以下步骤：
根据所述电枢材料各层的主合金化元素和微合金化元素，选择与所述各层的主合金化元素匹配的焊丝，以及与所述各层的微合金化元素匹配的合金粉，将所述焊丝和合金粉分别装入双丝进给结构和同轴送粉机构中，形成增材制造系统；
惰性气氛下，按照设置的路径规划数据对所述焊丝和合金粉进行熔化扫描，控制焊丝和合金粉末的送进速度，重复逐层堆叠，得金属材料；
将所述金属材料依次进行高密度脉冲电流固溶和低密度脉冲电流时效处理，得所述高强耐热高导电枢材料；
其中，所述渐变过渡层中的Cu、Li、Zr含量自所述耐热层递减，Mg、Si、B的含量自所述耐热层递增。
6.如权利要求5所述的高强耐热高导电枢材料的制备方法，其特征在于，与所述耐热层的主合金化元素匹配的焊丝为Al-Cu-Li焊丝；
与所述中间芯层的主合金化元素匹配的焊丝为Al-Mg-Si焊丝。
7.如权利要求6所述的高强耐热高导电枢材料的制备方法，其特征在于，自所述耐热层至所述中间芯层，所述Al-Cu-Li焊丝和Zr合金粉的送进速度递减；
自所述耐热层至所述中间芯层，所述Al-Mg-Si焊丝和B合金粉的送进速度递增；
所述Ce合金粉的送进速度不变。
8.如权利要求7所述的高强耐热高导电枢材料的制备方法，其特征在于，所述高密度脉冲电流固溶的电流密度为100 A/mm2~300 A/mm2，固溶温度460℃~480℃，固溶时间1h~2h；
所述低密度脉冲电流时效的电流密度为30A/mm2~60 A/mm2，温度为160℃~190℃，时间为6h~12h。
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- 2023-05-06 CN CN202310502359.8A patent/CN116536551B/zh active Active
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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