一种电枢表面激光选区合金化方法和利用其加工的电枢

本发明属于激光加工，更具体地，涉及一种电枢表面激光选区合金化方法和利用其加工的电枢。

背景技术：

1、电磁轨道炮作为一种利用电磁能驱动电枢滑动至超高速推动弹丸发射的新概念武器，具有初速高、杀伤力大、安全性高、精确可控、发射成本低等优势，明显优于传统火炮，在空天防御等领域具有巨大的潜力。电枢是电磁轨道炮的核心运动部件，常使用低密度的铝合金制造，以提高发射效率。在电磁发射过程中，电枢在欧姆热与摩擦热的作用下，极易发生剧烈熔化导致结构失稳，使得枢/轨接触不良，甚至引起转捩烧蚀。另一方面，铝合金剧烈熔化也会使得导轨表面积铝层厚度增加，影响后续发射。

2、在电枢表面制备一定厚度的具有润滑效果的低熔点涂层，可以提升电枢表面性能，有助于改善电枢/导轨接触特性。然而，随着电磁能装置出口动能的提升，低熔点的润滑涂层会呈“雪崩式”熔化和挥发，降低枢/轨接触效果甚至导致转捩烧蚀，如专利cn110029344b公开一种激光熔注强化7075铝合金表面的方法，该方法通过采用特殊制备方法制备的铝铬混合粉末结合激光熔注技术，对7075铝合金表面进行加强，但这种方法的缺点在于所熔注的金属粉末熔点较低，会导致“雪崩式”熔化和烧蚀，难以用于电磁轨道领域。并且其采用整个表面强化的方式，会牺牲铝合金的导电导热性能，影响发射效果。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，为了改善电枢/导轨接触特性，实现电磁能装置高效化和长寿化，本发明的目的在于提供一种电枢表面激光选区合金化方法和利用其加工的电枢，以解决现有电枢在欧姆热与摩擦热的作用下，极易发生剧烈熔化导致结构失稳，使得枢/轨接触不良，甚至引起转捩烧蚀的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种电枢表面激光选区合金化方法，包括以下步骤：

3、s1、在电枢的表面设计特定形状、尺寸和面积比的待强化区域；

4、s2、采用同轴送粉方式或预铺粉方式将特定组分的合金粉末送至所述待强化区域；

5、s3、设置激光加工参数，利用激光束对所述待强化区域进行激光加工，从而得到强化电枢，所述强化电枢表面具备特定形状、尺寸和面积比的合金强化层。

6、进一步的，所述合金粉末至少包括nb粉、mo粉和ti粉；优选的，按质量分数计，所述合金粉末的组分包含2％-15％的ni粉，2％-10％的ti粉，2％-20％的nb粉，55％-94％的mo粉。

7、进一步的，按质量分数计，所述合金粉末的组分包含11％-14％的ti粉，22％-26％的nb粉，15％-17％的mo粉，43％-52％的w粉。

8、进一步的，按质量分数计，所述合金粉末的组分包含16％-18％的nb粉，10％-12％的mo粉，34％-38％的w粉，32％-40％的ta粉。

9、进一步的，步骤s1中，将所述待强化区域的形状设计为多个圆形、长条形或者v形。

10、进一步的，步骤s1中，当待强化区域包括多个特定形状时，相邻形状间的边缘间距t为2mm-4mm；优选的，电枢烧蚀严重区的特定形状的边缘间距小于电枢烧蚀较轻区的特定形状的边缘间距。

11、进一步的，步骤s1中，若所述待强化区域的形状为多个圆形，则圆形强化区域的直径d为2mm-10mm；优选的，边缘间距t与直径d的比值满足：1/10≤t/d≤4/5。

12、更进一步的，步骤s1中，所述待强化区域的形状设计为多个长条形时，长条形强化区域的宽度w1为2mm-10mm；所述待强化区域的形状设计为多个v形时，v形强化区域的宽度w2为2mm-10mm；优选的，边缘间距t与宽度w1的比值满足：1/10≤t/w1≤4/5，边缘间距t与宽度w2的比值满足：1/10≤t/w2≤4/5。

13、进一步的，步骤s3中，将所述激光加工参数中的激光功率设置为1.5kw-3.5kw，其中的扫描速度设置为0.2m/min-2m/min，其中的送粉量设置为9.8g/min-10.2g/min。

14、根据本发明的另一个方面，还公开一种采用如前任意所述的一种激光选区合金化方法加工的电枢，所述电枢的基体材质表面加工有特定形状和特定尺寸的合金强化层，所述合金强化层的组分包含多种金属元素。

15、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：

16、1.本发明与现有技术相比，利用激光选区合金化方式对电枢进行强化，即通过设计特定形状和特定尺寸的待强化区域，在待强化区域上铺设合金粉末进行激光加工，实现在电枢表面选择性地制备具有高熔点和良好高温性能的合金化层，同时保留非强化区域的基体材质铝，制得具有复合结构的电枢；由于激光选区合金化强化区域在保证良好导电性前提下，可以显著提高电枢整体的高温性能，防止剧烈烧蚀导致的电枢结构失稳和导轨表面大厚度积铝，而未强化区域合金元素并未发生变化，仍为低熔点基体材质，在电枢发射过程中易熔化形成液态铝膜，能够有效地降低电枢与导轨之间的摩擦系数，获得良好的润滑和电接触效果，因此该种强化电枢非常适合用于电磁轨道炮的发射。

17、2.本发明采用激光选区合金化制备合金强化层的合金材料，相较于现有技术中已知的高温合金配方外，本发明还对激光选区合金化的合金配方进行优化改进，优化后合金强化层的成分至少包括ti、mo和nb，更优选的成分组成为(wt.％)：(2-15)ni-(2-10)ti-(2-20)nb，和55％-94％的mo；或者优化后合金强化层的成分为(wt.％)：(11-14)ti-(22-26)nb-(15-17)mo，43％-52的w；或者优化后合金强化层的成分为(wt.％)：(16-18)nb-(10-12)mo-(34-38)w，以及32％-40％的ta；上述合金化组分均由高熔点元素组成，相较于传统铝合金电枢具有更强的耐热能力，在面对瞬时升温时，合金化区域融化倾向减弱，仅有少部分未强化铝基体熔化，能够实现电磁轨道炮电枢在电磁发射过程中更精确地可控熔化，熔化液膜能改善枢/轨接触效果，提高电磁发射效率和导轨服役寿命。

18、3.本发明方法可以针对电枢磨损烧蚀特点，针对烧蚀程度不同的区域，设计不同面积比和形状的激光选区结构，使电枢烧蚀严重区的强化区面积比大于电枢烧蚀较弱区域的强化区面积比，此处的面积比为一定面积的区域内强化区面积与该区域整体面积的比值，具体可通过对特定形状的边缘间距t在2mm-4mm范围内进行合理选择，使一定区域内特定形状的数量适应该区域的烧蚀情况；通过选区合金化结构，并结合不同组分的合金及各金属粉末不同质量分数比的合理设计，可实现电磁发射过程中，电枢表面基体材质的“可控熔化”，从而更好地改善枢/轨电接触和润滑效果，避免导轨大厚度积铝，获得良好的发射效率和使用寿命；与现有全面积低熔点或者润滑涂层相比，电枢表面基体材质的“可控熔化”能够显著提升电枢作业的稳定性以及可靠性。

19、4.本发明中待强化区域的特定形状设计为特定尺寸的圆形、长条形或者v形时，各个形状的边缘间距t与特定形状的尺寸的比值位于1/10-4/5内，在特定形状的尺寸固定的情况下，若相邻形状之间的边缘间距t值越大，使得t和d或者t和w1(或w2)的比值超过4/5，会使得一定面积区域内能设置的特定形状的数量越少，则多个特定形状组成的整体强化区域与其所在的该区域的面积比实际也更小，这样强化区域则会在瞬时高温的情况下，使得铝基体大幅度烧损，强化区域则随着铝基体损耗从电枢表面脱落，无法起到良好的枢/轨电接触；若t和d或者t和w1(或w2)的比值过小，即小于1/10，则特定形状间的边缘间距t会很小，特定形状的数量很多、与其所在的电枢表面的面积比很大，这样会增大强化加工的经济损耗。