本发明涉及耐热铝合金材料领域，具体地，涉及一种高强韧耐热铝合金电枢材料及其制备方法。
背景技术：
电磁轨道炮是一种利用电磁能驱动带电流的电枢滑动至超高速并推动弹丸发射的新概念动能武器。与常规火炮相比具有初速高、威力大、安全性高、可控性强、操纵简单、效费比高等优点，在未来战争中具有极大的战略和战术应用价值。随着电磁轨道炮逐步向实战应用方向发展，其服役寿命成了难以突破的技术难点之一。在电磁轨道炮发射电枢的过程中，电枢和轨道的滑动电接触状况十分恶劣，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，因此提高电枢材料综合性能成为了电磁轨道炮的关键技术。
目前，电磁轨道炮电枢材料通常采用密度较低的铝合金。然而，铝合金材料存在以下几个主要问题难以解决：1、现有合金组织中存在大量热稳定性较差的析出相，这些相在高温下会逐渐长大并失去其析出强化效果，传统手段很难调控组织以抑制这些析出相的大量出现；2、常规手段加工成型的合金的铸造性能和力学性能以及导电性能难以兼顾；3、合金的室温性能和高温性能难以兼顾。这些铝合金材料仍不能满足在电磁轨道炮枢轨上超高速滑动。另外，在不明显降低热导率和电导率的前提下，材料的耐磨损、抗高温烧蚀性能还不能满足电磁轨道炮实战化需求。因此，研究高强韧、导电性优良、耐磨耐烧蚀及耐高温的新型电枢材料成为了未来的发展方向，是从根本上解决电磁轨道炮不同发射条件下电枢材料失效问题最可靠的途径。
结合电磁轨道炮电枢温升机理，电枢材料的选择应从以下几个方面考虑：为使电枢质量最小，电枢材料密度要较低，以提高发射效率；电枢材料能耐高温，有较高的能量吸收率，以提高接触点转移的临界温度，防止产生电弧和软化；具有高导电性，以减少欧姆热的产生，保证散热良好。电枢材料有如下特点：在发射过程中电枢处于电流回路中，大电流从电枢中流过，并伴随着升温及融化等现象；枢轨界面在接触状态不良时，会出现转捩、烧蚀等现象，进一步会发生枢轨材料的刨削现象；电枢作为发射过程中的主要受力部件，与战斗部、弹托等部件共同组成电磁轨道炮弹丸，电枢质量应该尽量小，以提高战斗部的终点毁伤能力。目前报道的铝合金导体材料，无论是从强度还是耐热性上都无法很好地满足电磁轨道炮电枢材料的使用要求，有待进一步提高综合性能和高温稳定性。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料及其制备方法。
本发明第一个方面，提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，包括：按照以下步骤执行：
s1，在气氛保护下，将铝锭加热熔化成铝液，温度为760℃～780℃；
s2，向所述铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为6.00％～12.00％、y为5.00％～9.50％、zr为0.50％～3.00％、mg为0.10％～2.50％、re为0.15％～2.50％、fe为0.15％～0.25％、mn为0.05％～0.15％、si为0.10％～0.50％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，之后将形成的所述合金液浇铸成合金铸锭；
s3，将得到的所述合金铸锭加工成球形合金粉末；
s4，将所述球形合金粉末利用选区激光熔化凝固成形，以制成在铝基体中呈网状骨架结构分布的纳米尺度的al11ce3、al3(y,zr)和/或al3re的金属间化合物的材料，即得到所述高强韧耐热铝合金电枢材料。
优选地，所述s2，向所述铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为8.00％～10.00％、y为7.50％～9.50％、zr为0.65％～1.00％、mg为1.50％～2.50％、re为0.15％～0.50％、fe为0.15％～0.20％、mn为0.05％～0.10％、si为0.10％～0.25％，re为yb、er、la、sc中的一种或多种元素的混合，其他杂质含量小于0.1％。
优选地，所述s2，向所述铝液中添加以下质量百分含量的元素，其中，所述re为yb、er、la或sc的一种或多种混合。
优选地，所述s4，将所述球形合金粉末利用选区激光熔化凝固成形，其中，采用以下工艺参数：激光功率为260w～350w，扫描层厚为10μm～30μm，输入能量密度为50j/mm3～90j/mm3。在上述工艺参数内，有利于形成纳米尺度的al11ce3、al3(y,zr)和/或al3re等金属间化合物，呈网状骨架结构，热稳定性好。
优选地，所述s3，将得到的所述合金铸锭加工成球形合金粉末，其中，将所述合金铸锭利用等离子旋转电极雾化或气体雾化加工成球形合金粉末，并在加工过程中通入氩气或氦气进行气体保护。
优选地，所述s3，将所述合金铸锭利用等离子旋转电极雾化或气体雾化加工成球形合金粉末，其中，
所述等离子旋转电极雾化的工作转速为40000rpm～50000rpm；
所述气体雾化的工作气压为6mpa～10mpa。
优选地，所述s3，将得到的所述合金铸锭加工成球形合金粉末，其中，所述球形粉末粒径分布为15μm～65μm，平均粒径为45μm～55μm，所述球形粉末球形度大于95％。
本发明第二个方面，提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料，由上述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法制备得到。
优选地，所述高强耐热稀土铝合金材料的致密度大于99％，密度为2.75g/cm3～2.90g/cm3。
优选地，所述高强韧耐热铝合金电枢材料的室温屈服强度为270mpa～350mpa，抗拉强度为400mpa～450mpa，延伸率为10％～12％；
所述高强耐热稀土铝合金材料在400℃以上，屈服强度为160mpa～200mpa，抗拉强度为220mpa～280mpa，延伸率大于15％。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述方法，利用选区激光熔化过程加工成形，其冷却速度极快，从而形成纳米尺度的al11ce3、al3(y,zr)和/或al3re等金属间化合物，呈网状骨架结构，均匀分布于铝基体中，热稳定性好，使制成的材料具有密度低、高强韧、导电性优良、耐磨耐烧蚀及耐高温等特点，解决了电枢材料工作时软化、烧蚀等问题。
本发明上述方法，选用激光作为能量源，加工的过程中用激光使金属粉体完全熔化，不需要黏结剂而直接成形，成形后零件的精度高，力学性能优良。
本发明上述方法，可根据零件三维模型，利用金属粉末而无需任何工装夹具和模具，直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念；特别适用于制造具有复杂内腔结构的零件，缩短了后处理时间和步骤，提高了加工效率。
本发明上述方法，制备的高强韧耐热铝合金材料，在重量敏感应用领域、国防军工和航空航天领域具有很大发展前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一优选实施例的高强韧耐热铝合金电枢材料的显微组织图；
图2是本发明一优选实施例的高强韧耐热铝合金电枢材料的拉伸断口形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，包括：按照以下步骤执行：
s1，在高纯氩气的保护下，将铝锭在感应电炉中加热熔化成铝液，温度为770℃。
s2，向铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为12.00％、y为5.00％、zr为0.50％、mg为0.60％、la为0.15％、fe为0.15％、mn为0.05％、si为0.10％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，之后将形成的合金液浇铸成合金铸锭。
s3，采用等离子旋转电极雾化法，通入氩气进行气体保护，工作转速为40000rpm，将合金铸锭加工成球形合金粉末；球形粉末粒径分布为20μm～63μm，平均粒径为45.2μm，粉末球形度大于98％。
s4，利用选区激光熔化成形法，将球形合金粉末快速熔化凝固成形；其中，选区激光熔化成形法采用以下工艺参数：激光功率为350w，扫描层厚为30μm，输入能量密度为70.4j/mm3，将球形合金粉末快速熔化凝固成形，得到高强韧耐热铝合金电枢材料，在铝基体中形成纳米尺度的al11ce3、al3(y,zr)金属间化合物，热稳定性好，其显微组织图如图1所示，由图1中可见白色金属间化合物呈网状骨架结构，均匀分布于铝基体中，可说明成形的组织致密、无缺陷。高强韧耐热铝合金电枢材料的致密度大于99.8％，密度为2.79g/cm3。经测试，其室温屈服强度为284mpa，抗拉强度为400mpa，延伸率为10.2％。拉伸断口形貌如图2所示，由图2中可见细小的拉伸韧窝，可说明材料呈韧性断裂，强塑性匹配良好。在400℃时，合金屈服强度为170mpa，抗拉强度为230mpa，延伸率为15.6％。
实施例2
本实施例提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，包括：按照以下步骤执行：
s1，在高纯氩气的保护下，将铝锭在感应电炉中加热熔化成铝液，温度为780℃。
s2，向铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为6.00％、y为9.50％、zr为0.50％、mg为0.10％、yb为0.20％、fe为0.25％、mn为0.10％、si为0.10％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，之后将形成的合金液浇铸成合金铸锭。
s3，采用等离子旋转电极雾化法，通入氩气进行气体保护，工作转速为45000rpm，将合金铸锭加工成球形合金粉末；球形粉末粒径分布为15μm～60μm，平均粒径为48.3μm，粉末球形度大于98％。
s4，利用选区激光熔化成形法，将球形合金粉末快速熔化凝固成形；其中，选区激光熔化成形法采用以下工艺参数：激光功率为330w，扫描层厚为20μm，输入能量密度为64.4j/mm3，将球形合金粉末快速熔化凝固成形，得到高强韧耐热铝合金电枢材料，在铝基体中形成纳米尺度的al3(y,zr)、al11ce3金属间化合物，呈网状骨架结构，热稳定性好。高强韧耐热铝合金电枢材料的致密度大于99.6％，密度为2.83g/cm3。经测试，其室温屈服强度为284mpa，抗拉强度为400mpa，延伸率为10.2％。在400℃时，合金屈服强度为173mpa，抗拉强度为245mpa，延伸率为16％。
实施例3
本实施例提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，包括：按照以下步骤执行：
s1,在高纯氩气的保护下，将铝锭在感应电炉中加热熔化成铝液，温度为760℃。
s2，向铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为8.00％、y为7.50％、zr为1.00％、mg为1.50％、er为0.50％、fe为0.15％、mn为0.05％、si为0.10％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，之后将形成的合金液浇铸成合金铸锭；
s3，采用气体雾化法，通入氩气进行气体保护，工作气压为8mpa，将合金铸锭加工成球形合金粉末；球形粉末粒径分布为15μm～53μm，平均粒径为50.6μm，粉末球形度大于96％。
s4，利用选区激光熔化成形法，将球形合金粉末快速熔化凝固成形；其中，选区激光熔化成形法采用以下工艺参数：激光功率为330w，扫描层厚为30μm，输入能量密度为70.4j/mm3，将球形合金粉末快速熔化凝固成形，得到高强韧耐热铝合金电枢材料，在铝基体中形成纳米尺度的al3(y,zr)、al11ce3金属间化合物，呈网状骨架结构，热稳定性好。高强韧耐热铝合金电枢材料的致密度大于99.5％，密度为2.85g/cm3。经测试，其室温屈服强度为279mpa，抗拉强度为422mpa，延伸率为10％。在400℃时，合金屈服强度为185mpa，抗拉强度为270mpa，延伸率为17％。
实施例4
本实施例提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，包括：按照以下步骤执行：
s1，在高纯氩气的保护下，将铝锭在感应电炉中加热熔化成铝液，温度为770℃。
s2，向铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为6.00％、y为9.50％、zr为3.00％、mg为0.60％、sc为0.15％、fe为0.20％、mn为0.05％、si为0.10％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，之后将形成的合金液浇铸成合金铸锭。
s3，采用气体雾化法，通入氩气进行气体保护，工作气压为8mpa，将合金铸锭加工成球形合金粉末；球形粉末粒径分布为16μm～60μm，平均粒径为53.1μm，粉末球形度大于98％。
s4，利用选区激光熔化成形法，将球形合金粉末快速熔化凝固成形；其中，选区激光熔化成形法采用以下工艺参数：激光功率为330w，扫描层厚为20μm，输入能量密度为54.3j/mm3，将球形合金粉末快速熔化凝固成形，得到高强韧耐热铝合金电枢材料，在铝基体中形成纳米尺度的al3(y,zr)、al3sc、al11ce3金属间化合物，呈网状骨架结构，热稳定性好。高强韧耐热铝合金电枢材料的致密度大于99.8％，密度为2.88g/cm3。经测试，其室温屈服强度为350mpa，抗拉强度为450mpa，延伸率为11.2％。在400℃时，合金屈服强度为190mpa，抗拉强度为275mpa，延伸率为16.5％。
实施例5
本实施例提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，包括：按照以下步骤执行：
s1，在高纯氩气的保护下，将铝锭在感应电炉中加热熔化成铝液，温度为760℃。
s2，向铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为6.00％、y为5.00％、zr为3.00％、mg为2.50％、yb为0.25％、sc为0.25％、fe为0.15％、mn为0.05％、si为0.10％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，将形成的合金液浇铸成合金铸锭。
s3，采用等离子旋转电极雾化法，通入氩气进行气体保护，工作转速为50000rpm，将合金铸锭加工成球形合金粉末；球形粉末粒径分布为15μm～63μm，平均粒径为40.5μm，粉末球形度大于99％。
s4，利用选区激光熔化成形法，将球形合金粉末快速熔化凝固成形；其中，选区激光熔化成形法采用以下工艺参数：激光功率为300w，扫描层厚为30μm，输入能量密度为69.8j/mm3，将球形合金粉末快速熔化凝固成形，得到高强韧耐热铝合金电枢材料，在铝基体中形成纳米尺度的al3(y,zr)、al3yb、al3sc、al11ce3金属间化合物，呈网状骨架结构，热稳定性好。高强韧耐热铝合金电枢材料的致密度大于99.8％，密度为2.79g/cm3。经测试，其室温屈服强度为287mpa，抗拉强度为445mpa，延伸率为11％。在400℃时，合金屈服强度为190mpa，抗拉强度为270mpa，延伸率为16％。
实施例6
本实施例提供一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，包括：按照以下步骤执行：
s1，在高纯氩气的保护下，将铝锭在感应电炉中加热熔化成铝液，温度为780℃。
s2，向铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为10.00％、y为8.00％、zr为0.50％、mg为1.50％、la为0.50％、yb为0.25％、sc为0.25％、fe为0.15％、mn为0.05％、si为0.10％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，之后将形成的合金液浇铸成合金铸锭。
s3，采用气体雾化法，通入氩气进行气体保护，工作气压为10mpa，将合金铸锭加工成球形合金粉末；球形粉末粒径分布为15μm～53μm，平均粒径为46.6μm，粉末球形度大于97％。
s4，利用选区激光熔化成形法，将球形合金粉末快速熔化凝固成形；其中，选区激光熔化成形法采用以下工艺参数：激光功率为260w，扫描层厚为30μm，输入能量密度为89.5j/mm3，将球形合金粉末快速熔化凝固成形，得到高强韧耐热铝合金电枢材料，在基体中形成纳米尺度的al3(y,zr)、al3yb、al3sc、al3la、al11ce3金属间化合物，呈网状骨架结构，热稳定性好。高强韧耐热铝合金电枢材料的致密度大于99.8％，密度为2.84g/cm3。经测试，其室温屈服强度为289mpa，抗拉强度为402mpa，延伸率为12％。在400℃时，合金屈服强度为180mpa，抗拉强度为275mpa，延伸率为18％。
上述实施例，通过对制备工艺的改进和合金成分调控，以提高耐热铝合金强度和高温稳定性，选区激光熔化过程冷却速度极快，形成纳米尺度的al11ce3、al3(y,zr)和/或al3re等金属间化合物，呈网状骨架结构，热稳定性好，包覆铝基体或者在基体中形成亚结构，使材料具有高强韧、导电性优良、耐磨耐烧蚀及耐高温等特点，解决电枢材料工作时软化、烧蚀等问题。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。
1.一种高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，其特征在于，包括：按照以下步骤执行：
s1，在气氛保护下，将铝锭加热熔化成铝液，温度为760℃～780℃；
s2，向所述铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为6.00％～12.00％、y为5.00％～9.50％、zr为0.50％～3.00％、mg为0.10％～2.50％、re为0.15％～2.50％、fe为0.15％～0.25％、mn为0.05％～0.15％、si为0.10％～0.50％，其他杂质含量小于0.1％；调整各元素比例，除气除渣，使之达到预设成分，形成合金液，之后将形成的所述合金液浇铸成合金铸锭；
s3，将得到的所述合金铸锭加工成球形合金粉末；
s4，将所述球形合金粉末利用选区激光熔化凝固成形，以制成在铝基体中呈网状骨架结构分布的纳米尺度的al11ce3、al3(y,zr)和/或al3re的金属间化合物的材料，即得到所述高强韧耐热铝合金电枢材料。
2.根据权利要求1所述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，其特征在于，所述s2，向所述铝液中添加以下质量百分含量的元素：ce为8.00％～10.00％、y为7.50％～9.50％、zr为0.65％～1.00％、mg为1.50％～2.50％、re为0.15％～0.50％、fe为0.15％～0.20％、mn为0.05％～0.10％、si为0.10％～0.25％，re为yb、er、la、sc中的一种或多种元素的混合，其他杂质含量小于0.1％。
3.根据权利要求1或2任一项所述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，其特征在于，所述s2，向所述铝液中添加以下质量百分含量的元素，其中，所述re为yb、er、la或sc的一种或多种混合。
4.根据权利要求1或2任一项所述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，其特征在于，所述s4，将所述球形合金粉末利用选区激光熔化凝固成形，其中，采用以下工艺参数：激光功率为260w～350w，扫描层厚为10μm～30μm，输入能量密度为50j/mm3～90j/mm3。
5.根据权利要求1或2任一项所述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，其特征在于，所述s3，将得到的所述合金铸锭加工成球形合金粉末，其中，将所述合金铸锭利用等离子旋转电极雾化或气体雾化加工成球形合金粉末，并在加工过程中通入氩气或氦气进行气体保护。
6.根据权利要求5所述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，其特征在于，所述s3，将所述合金铸锭利用等离子旋转电极雾化或气体雾化加工成球形合金粉末，其中，所述等离子旋转电极雾化的工作转速为40000rpm～50000rpm；
所述气体雾化的工作气压为6mpa～10mpa。
7.根据权利要求5所述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法，其特征在于，所述s3，将得到的所述合金铸锭加工成球形合金粉末，其中，所述球形粉末粒径分布为15μm～65μm，平均粒径为45μm～55μm，所述球形粉末球形度大于95％。
8.一种高强韧耐热铝合金电枢材料，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的高强韧耐热铝合金电枢材料的制备方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的高强韧耐热铝合金电枢材料，其特征在于，所述高强耐热稀土铝合金材料的致密度大于99％，密度为2.75g/cm3～2.90g/cm3。
10.根据权利要求7所述的高强韧耐热铝合金电枢材料，其特征在于，
-所述高强韧耐热铝合金电枢材料的室温屈服强度为270mpa～350mpa，抗拉强度为400mpa～450mpa，延伸率为10％～12％；
-所述高强耐热稀土铝合金材料在400℃以上，屈服强度为160mpa～200mpa，抗拉强度为220mpa～280mpa，延伸率大于15％。
技术总结