CN101684555B

CN101684555B - 板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法

Info

Publication number: CN101684555B
Application number: CN2008101571921A
Authority: CN
Inventors: 赵铮; 陶钢
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: CN101684555A

Abstract

本发明公开了一种板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，利用炸药爆轰驱动金属板基体高速运动，撞击下方平铺的粉末，在冲击波的作用下，粉末颗粒间相互碰撞、挤压、摩擦、变形而发生局部熔化，从而使粉末颗粒牢固地结合在一起，实现压实，同时在金属板基体和粉末的接触界面上，高速撞击所形成的高压超过了金属板基体和粉末材料的动态屈服强度，使金属板基体下表面和粉末颗粒发生绝热剪切变形，局部熔化凝固后板-粉形成牢固的结合，从而得到板-粉双层复合材料。本发明不需要专用设备及喷枪，可以一次制备大面积板-粉双层复合材料，操作简单，生产效率高，生产成本低廉。

Description

板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法

技术领域

本发明属于爆炸加工，特别是一种板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法。

背景技术

板-粉双层复合材料是以金属板材为基体，以金属或陶瓷粉末为涂层构成的具有特殊性能的双层复合材料。在金属板材表面制备涂层可以在保留基体材料原有的特性的同时，赋予材料耐磨、耐热、耐腐蚀、软磁、吸波等特性。比如在铜基体表面涂覆钨粉，在保留了铜基体良好的导电、导热特性的同时，还极大地提高了铜材的耐磨性。另外，还可以将难以形成大型块体，只能呈粉末、薄片、细丝状的纳米、非晶材料涂覆在大块基体的表面，极大地扩展了纳米、非晶材料的应用领域。由于可用作涂层的粉末材料种类繁多，而且可以通过调节粉末配比来调整涂层的性能，因此板-粉双层复合材料具有十分广阔的使用范围和应用领域，满足了当前石化、电力、汽车、造船、航空航天等领域的特殊需求，在工业应用中具有十分重要的价值和意义。

目前，板-粉双层复合材料的制备涂层技术主要有热喷涂、冷喷涂、激光熔覆等方法。其中激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的工艺。激光熔覆时对基体的热影响较小，基体变形小，并可进行选区熔覆。

热喷涂技术应用最为广泛，主要包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和爆炸喷涂等方法。热喷涂技术的原理是利用热源将粉末或细丝加热到熔融态或高塑性状态，在外加气体(一般为惰性气体)或焰流自身的推力下，雾化并高速喷射到基体表面，涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时急冷而快速凝固，颗粒逐层沉积形成涂层。热喷涂的优点：(1)可以在各种基体上制备各种材质的涂层，包括金属、陶瓷、工程塑料、玻璃等。(2)操作灵活，可以喷涂各种规格和形状的基体。(3)涂层厚度范围宽，从几十微米到几毫米的涂层都能制备，而且容易控制。(4)喷涂效率较高，每小时可以喷涂几公斤到几十公斤。热喷涂的缺点：(1)孔隙率较高。热喷涂涂层的形成过程决定了涂层的结构特点，喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞。(2)涂层含氧化物杂质。热喷涂时粒子成熔融或半熔融态，很容易发生氧化，因此涂层中多含有氧化物杂质。(3)涂层晶粒尺寸增大。由于粉末要加热到熔融态，晶粒会变的粗大。

冷喷涂是指在常温或较低温度(不足以改变涂层粉末的晶相)下，利用高压气体在缩放喷嘴中形成的超音速气、固两相气流将涂层粉末击射到基板形成涂层。由于冷喷涂的温度较低，没有过多热量传到基板，克服了基体的高温变形，可加工非耐热或有限耐热基体工件。冷喷涂时晶粒不会长大，产生的涂层性能接近于初始涂层粉末材料性能。另外冷喷涂时未粘附的粉末变形较小，回收方便可再次利用，节约了喷涂成本。冷喷涂的不足是适合冷喷涂的粉末颗粒直径范围小，而且要具有一定的塑性。

现有爆炸加工技术主要有爆炸焊接、爆炸压实和爆炸喷涂。(1)爆炸焊接是板与板之间的结合，如发明专利CN200710012257(低熔点金属复合板的爆炸焊接方法)和发明专利CN200710025051(超薄金属复合板材爆炸焊接方法)都是两种板材之间的结合。(2)爆炸压实是利用粉末制备块体材料，只是粉末之间的结合，如发明专利CN93219373(爆炸压实粉末材料平面装置)和发明专利CN200710012257A(可消除附加温度影响的爆炸压实方法)都是利用爆轰高压将粉末压实成块体材料。(3)爆炸喷涂需要专用设备(喷枪)，基体静止不动，粉末高速运动撞击基体形成涂层，一次只能在金属板表面形成小面积(几平方厘米)的薄涂层(厚度几十微米)，如发明专利CN93105092A(爆炸喷涂方法及其设备)和发明专利CN01133423A(一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、高效率制备板-粉双层复合材料的方法，在使粉末得到压实的同时使其涂覆在金属板表面形成涂层。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，利用炸药爆轰驱动金属板基体高速运动，撞击下方平铺的粉末，在冲击波的作用下，粉末颗粒间相互碰撞、挤压、摩擦、变形而发生局部熔化，从而使粉末颗粒牢固地结合在一起，实现压实，同时在金属板基体和粉末的接触界面上，高速撞击所形成的高压超过了金属板基体和粉末材料的动态屈服强度，使金属板基体下表面和粉末颗粒发生绝热剪切变形，局部熔化凝固后板-粉形成牢固的结合，从而得到板-粉双层复合材料。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)不需要专用设备及喷枪，可以一次制备大面积板-粉双层复合材料，操作简单，生产效率高，生产成本低廉。(2)根据制备材料的不同，爆速、炸药厚度、间隙、粉末厚度等主要工艺参数便于调整，具有很好的灵活性。(3)爆轰高压可以产生极高的驱动速度，金属板速度可以在500m/s～8000m/s范围内调整，可以对任何粉末材料进行爆炸压涂，能够形成其他喷涂方法难以制备的涂层。(4)爆炸压涂在常温下进行，爆轰的瞬时性使得爆炸压涂过程只有几毫秒，粉末颗粒局部熔化后能够急速冷却下来，避免了晶粒的长大，能够有效地保持粉末原有的特性，这使得爆炸压涂非常适合制备纳米、非晶涂层。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

附图是本发明的爆炸压涂示意图。

具体实施方式

结合附图，本发明板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，利用炸药爆轰驱动金属板基体高速运动，撞击下方平铺的粉末，使粉末在得到压实的同时涂覆在金属板下表面形成致密、均匀的粉末涂层，从而得到板-粉双层复合材料。其中，金属板基体上方平铺一定厚度的炸药，炸药爆轰后驱动金属板基体向下高速运动撞击粉末。涂层粉末平铺在金属板基体下方，两者间留有一定间隙。粉末静止不动，金属板基体高速运动，撞击产生的高压和冲击波实现粉末的涂覆和压实。金属板可以为铜板、铝板、钢板、锌板或钛板。粉末可以为铜粉、钨粉、铬粉、氧化铝粉或氧化钛粉。

本发明利用炸药的爆轰驱动金属板基体向下高速运动，经过一段距离的飞行之后，高速撞击平铺在下方的涂层粉末。飞板的撞击使得粉末中形成了高速传播的冲击波，在冲击波的作用下，粉末颗粒间相互碰撞、挤压、摩擦、变形而发生局部熔化，从而使粉末颗粒牢固地结合在一起，实现压实。同时在金属板和粉末的接触界面上，高速撞击所形成的高压超过了金属板和粉末材料的动态屈服强度，金属板下表面和粉末颗粒发生绝热剪切变形，局部熔化凝固后板-粉形成牢固的结合，这样就得到了板-粉双层复合材料。爆炸压涂时要求涂层粉末表面平整、厚度均匀。金属板与粉末间的间隙用来调节金属板的飞行速度，间隙小时金属板飞行距离短，加速时间小速度低；间隙大时金属板飞行距离长，加速时间长飞行速度高。间隙的大小根据材料的不同而确定。爆炸压涂选用2号岩石硝铵炸药，该炸药在工业上应用广泛，价格较为低廉，而且其爆速较低，非常适合用于爆炸压涂。炸药的爆速根据待压涂的材料而定，可以用NaCl来调整爆速。炸药的厚度决定了炸药的质量，任何材料爆炸压涂时炸药厚度都要大于临界起爆厚度，装药量的大小影响金属板的飞行速度。

爆炸压涂与上述涂覆技术有着很大的不同，现有技术一般是粉末高速运动撞击基体形成涂层，而爆炸压涂是粉末静止不动，板状基体高速撞击粉末实现涂覆。另外现有的涂覆技术都需要专用设备，如喷涂机、激光器等，而爆炸压涂不需要任何专用设备，投资小、操作简单。爆炸压涂是利用炸药爆轰产生的高压驱动金属板高速撞击金属粉末，使粉末在得到压实的同时牢固地附着在金属板表面形成板-粉双层复合材料的加工工艺。

爆炸压涂虽然是三项爆炸加工技术的结合，但又与爆炸焊接、爆炸压实和爆炸喷涂三者有着本质上的不同：(1)爆炸焊接是板与板之间的结合，而爆炸压涂是板与粉末之间的结合。(2)爆炸压实是利用粉末制备块体材料，只是粉末之间的结合，而爆炸压涂主要目的是实现粉末与金属板的结合。(3)爆炸喷涂需要专用设备，而爆炸压涂不需专用设备，可以一次性形成大面积(几平方米)的厚涂层(厚度几毫米)。

实施例1

按附图布置进行铜板-钨粉的爆炸压涂。T2纯铜板的厚度为5mm，钨粉的颗粒尺寸为-200目(74μm)，钨粉层厚度为3mm。炸药使用40mm厚的2号岩石硝铵炸药，密度为1.0g/cm³，爆速调整为3000m/s。金属板和粉末之间的间隙为7mm。利用2号岩石硝铵炸药爆轰驱动T2纯铜板基体高速运动，撞击下方平铺的钨粉，使钨粉在得到压实的同时涂覆在T2纯铜板下表面形成涂层，得到铜板-钨粉双层复合材料。爆炸压涂后切取试样进行检测，发现钨粉涂层厚度约为1mm，涂层孔隙度小于5％，铜板与钨粉结合较好。

实施例2

按附图布置进行钢板-纳米二氧化钛粉的爆炸压涂。45号钢板的厚度为5mm，球状纳米二氧化钛粉的颗粒尺寸为40～100nm，二氧化钛粉厚度为2mm。炸药使用35mm厚的2号岩石硝铵炸药，密度为1.0g/cm³，爆速调整为3000m/s。金属板和粉末之间的间隙为5mm。利用2号岩石硝铵炸药爆轰驱动钢板基体高速运动，撞击下方平铺的纳米二氧化钛粉，使二氧化钛粉在得到压实的同时涂覆在钢板下表面形成涂层，得到钢板-纳米二氧化钛粉双层复合材料。爆炸压涂后切取试样进行检测，发现二氧化钛涂层厚度约为0.5mm，涂层孔隙度小于3％，钢板与纳米二氧化钛涂层结合较好，纳米晶粒尺寸没有长大。

其他材料的金属板和粉末也可以按照上述方法实现所需的板-粉双层复合材料。

Claims

1.一种板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，其特征在于：利用炸药爆轰驱动金属板基体高速运动，撞击下方平铺的粉末，在冲击波的作用下，粉末颗粒间相互碰撞、挤压、摩擦、变形而发生局部熔化，从而使粉末颗粒牢固地结合在一起，实现压实，同时在金属板基体和粉末的接触界面上，高速撞击所形成的高压超过了金属板基体和粉末材料的动态屈服强度，使金属板基体下表面和粉末颗粒发生绝热剪切变形，局部熔化凝固后板-粉形成牢固的结合，从而得到板-粉双层复合材料。

2.根据权利要求1所述的板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，其特征在于：金属板基体上方平铺炸药。

3.根据权利要求1所述的板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，其特征在于：下方平铺的粉末表面平整、厚度均匀。

4.根据权利要求1所述的板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，其特征在于：用金属板基体与粉末间的间隙大小来调节金属板基体的飞行速度，间隙的大小根据金属板基体和粉末的材料不同而确定。

5.根据权利要求1所述的板-粉双层复合材料的爆炸压涂方法，其特征在于：炸药厚度大于临界起爆厚度。