CN106975744A - 一种冲击压缩制备铌铝合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冲击压缩制备铌铝合金的方法，包括以下步骤：将铝粉与铌粉混合均匀；将混合均匀的粉末按照设定的质量称量，使用压片机将粉末预压成片；将压片放入回收盒并拧紧，随后将回收盒放入大质量钢架中；使用轻气炮驱动飞片撞击回收盒，产生的冲击波对压片进行冲击压缩做功，形成高温高压环境，制备得到铌铝合金；使用车床将铌铝合金从回收盒取出，并将铌铝合金表面的杂质磨掉。本发明所提供的冲击压缩制备铌铝合金的方法，利用铌铝合金制备为放热反应的特点，结合冲击压缩轻气炮冲击压缩加载时间快、压力分布均匀、产品颗粒度细和烧结性能好等优点，可在数十至数百纳秒时间内产生高温高压制备铌铝合金。

Description

一种冲击压缩制备铌铝合金的方法
技术领域
本发明属于铌铝合金制备技术领域，具体涉及一种冲击压缩制备铌铝合金的方法。
背景技术
自1990年被美国和日本系统研究以来，铌铝合金因为有较高的熔点、较低的密度、较好的高温强度和室温断裂韧性，被研究用于高推重比航空发动机涡轮叶片。
目前，已知的铌铝合金制备方法主要有机械合金化法、卷绕法、快速加热冷渗法、快速融化凝固法、电加热粉末轧制法、熔盐金属热还原法、激光沉积制备法、高温熔炼法、浸渍-脱氢法和电化学沉积法等。但上述方法中存在制备时间太长、制备过程中易氧化、合金样品的颗粒度大、合金样品的颗粒分布不均匀等问题。在公开的研究中，通过优化合金制备的反应速率、控制铌颗粒大小、调节基体和延性颗粒的结合状态，提高合金结构的对称性，可改变铌铝合金的韧性；通过超声波冲击盐溶液中的合金成分，提高合金的断裂韧性和强度。极冷极热是常规生产合金的重要过程，在常规合成方法中，达到高温高压状态和从高温高压状态到常温常压耗费在数十分钟至数十小时不等，这远远无法实现极冷极热的转换效果，烧结效果不理想。此外，热量有助于合金的合成，当冲击波合成一部分铌铝合金后，铌粉与铝粉合成过程中会自发释放热量。
另一方面，压力和反应时间也是生成合金的重要因素。此前美国新墨西哥采矿技术大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校用化爆接触爆炸加载法产生平面冲击波合成铌铝合金，但接触爆炸只有爆轰波波阵面邻区的能量对样品进行压缩做功，没有借助飞片等撞击平面，产生的冲击波并不均匀，影响合金的均匀性。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种制备时间短的冲击压缩制备铌铝合金的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种冲击压缩制备铌铝合金的方法，包括以下步骤：
S1、将铝粉与铌粉在手套箱中搅拌混合使粉末混合均匀；
S2、将混合均匀的粉末按照设定的质量称量，放入压片机模具中，使用压片机将粉末预压成片；
S3、将压片放入回收盒并拧紧，随后将回收盒放入大质量钢架中，确保回收盒底部中心与炮管口中心对齐，为防止压片氧化，此步骤需在3小时内完成，越快越好；
S4、使用轻气炮驱动飞片撞击回收盒，产生的冲击波对压片进行冲击压缩做功，形成高温高压环境，制备得到铌铝合金；
S5、在将铌铝合金取出的过程中为防止该过程中产生的高温促使已合成的铌铝合金与铌粉、铝粉发生发应，进而影响样品表征，不能使用线切割机等易产生高温的装置进行取样，可使用车床将铌铝合金从回收盒取出，并将铌铝合金表面的杂质磨掉。
优选地，所述铝粉与铌粉的纯度均大于99.9％，铝粉与铌粉的质量百分比为30:70～70:30。
优选地，所述铝粉与铌粉的颗粒度大小相同，粒径不大于325目，并且粒径越小越好。
优选地，在步骤S2中，因为颗粒度很细的铝粉容易爆燃，安全起见，从铌粉与铝粉的混合到压制成片的过程，均需在手套箱中完成。
优选地，为了更好的实现极冷极热过程，选用散热快的紫铜或铜铝合金制作回收盒。
优选地，所述飞片冲击速度范围为2.1～2.9km/s。
优选地，所述轻气炮为二级轻气炮，二级轻气炮包括两个气室，引爆一级气室中的炸药，推动活塞平稳压缩二级气室中的轻质气体，达到预定压强使膜片破裂，驱动飞片以一定的速度撞击回收盒。
优选地，在步骤S5中，使用抛光机和砂纸将铌铝合金表面的杂质磨掉。
优选地，所述回收盒包括台座和螺旋盖，台座表面内凹形成样品仓；螺旋盖包括相连的螺纹段和支撑段，螺纹段的直径大于支撑段的直径，样品仓包括与支撑段直径相同的第一仓以及与螺纹段螺纹配合的第二仓，第一仓的深度大于支撑段的长度。
优选地，所述螺纹段的顶部开设有直线沟槽。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的一种冲击压缩制备铌铝合金的方法，利用铌铝合金制备为放热反应的特点，结合冲击压缩轻气炮冲击压缩加载时间快、压力分布均匀、产品颗粒度细和烧结性能好等优点，可在数十至数百纳秒时间内产生高温高压制备铌铝合金，大大减少制备时间。
2、本方法只使用铝粉和铌粉，没有添加其他物质，并且在冲击压缩前进行了预压处理，使制备过程中没有副产物气体或粉末生成，有利于环境保护。
3、由于本方法对压片的孔隙度没有要求，在压片过程中不需要使用成型助剂或特殊的高压力压机，操作简单。
附图说明
图1是本发明冲击压缩制备铌铝合金时轻气炮与回收盒的位置关系图。
图2是本发明回收盒的结构示意图。
图3是实施例一中2.52km/s冲击速度下合成的铌铝合金X射线衍射图谱。
图4是实施例二中2.60km/s冲击速度下合成的铌铝合金X射线衍射图谱。
附图标记说明：1、台座；11、第一仓；12、第二仓；2、螺旋盖；21、螺纹段；22、支撑段；23、直线沟槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明提供的一种冲击压缩制备铌铝合金的方法，利用轻气炮和回收盒制备铌铝合金，当压片预压成功并放入回收装置后，将靶室关闭，抽取真空；随后引爆炸药，使飞片以一定速度撞击回收盒，产生的冲击波对压片做功，合成铌铝合金。
轻气炮可选用二级轻气炮，二级轻气炮包括两个气室，引爆一级气室中的炸药，推动活塞平稳压缩二级气室中的轻质气体，达到预定压强使膜片破裂，驱动弹托和飞片以一定的速度从炮管飞出撞击回收盒。
图2为回收盒的结构示意图，回收盒包括台座1和螺旋盖2，为了避免稀疏波的影响，台座1和螺旋盖2由同一材料制成，台座1整体为圆柱形，可降低制作难度，螺旋盖2包括相连的圆柱形的螺纹段21和圆柱形的支撑段22，螺纹段21的直径大于支撑段22的直径，螺纹段21的外圆周面上开设有螺纹，螺旋盖2的顶部开设有直线沟槽23，便于安装和拆卸。
台座1表面内凹形成样品仓，台座1开设的样品仓包括连通的第一仓11和第二仓12，第二仓12的内圆周面上开设有螺纹，并且第二仓12与螺纹段21螺纹配合。第一仓11与支撑段22直径相同，第一仓11的深度大于支撑段22的长度，螺旋盖2安装在样品仓内时，第一仓11底部始终有部分空间空出来，该部分空间可用于放置压片。当压片的厚度与预留的尺寸不一致时，可通过转动螺旋盖进行调节，固定压片。
为了保证在回收盒放入压片后没有空隙，回收盒中第一仓11的直径与压机模具的尺寸一致。由于飞片冲击时具有较大的动量，需要将回收盒放在大质量钢架中，保证样品有充分的合成时间。台座的底部较薄，在冲击压缩制备时，将回收盒底部既台座的底部对准炮管口。
实施例一
一种冲击压缩制备铌铝合金的方法，产用铜制作的上述回收盒，包括以下步骤：
S1、将纯度均为99.95％、颗粒度为325目的铝粉与铌粉按40:60的质量百分比在手套箱中搅拌混合三十分钟，使粉末混合均匀；
S2、在手套箱中将混合均匀的粉末按照1.53g称量，放入压片机模具中，使用压片机将粉末预压成片；
S3、在手套箱中将压片放入第一仓并拧紧螺旋盖，随后将回收盒放入大质量钢架中，确保回收盒底部中心与炮管口中心对齐；
S4、使用二级轻气炮，引爆炸药，压缩二级气室中轻质气体，使飞片以2.5km/s的速度撞击回收盒，产生的冲击波对压片进行冲击压缩做功，形成高温高压环境，制备得到铌铝合金；
S5、使用车床将带有铜皮的铌铝合金从回收盒取出，使用抛光机和砂纸将铌铝合金表面的铜磨掉。
反应生成了的铌铝合金的X射线衍射曲线如图2中连续曲线所示。任何一种物质都有其特定的衍射花样，图2中的竖线为已证实的铌铝合金的X射线衍射图谱，其衍射花样和本实施例中反应生成了的铌铝合金的X射线衍射峰吻合，说明该样品为铌铝合金。
实施例二
一种冲击压缩制备铌铝合金的方法，产用铜制作的上述回收盒，包括以下步骤：
S1、将纯度均为99.95％、颗粒度为325目的铝粉与铌粉按40:60的质量百分比在手套箱中搅拌混合三十分钟，使粉末混合均匀；
S2、在手套箱中将混合均匀的粉末按照1.45g称量，放入压片机模具中，使用压片机将粉末预压成片；
S3、在手套箱中将压片放入第一仓并拧紧螺旋盖，随后将回收盒放入大质量钢架中，确保回收盒底部中心与炮管口中心对齐；
S4、使用二级轻气炮，引爆炸药，压缩二级气室中轻质气体，使飞片以2.6km/s的速度撞击回收盒，产生的冲击波对压片进行冲击压缩做功，形成高温高压环境，制备得到铌铝合金；
S5、使用车床将带有铜皮的铌铝合金从回收盒取出，使用抛光机和砂纸将铌铝合金表面的铜磨掉。
反应生成了的铌铝合金的X射线衍射曲线如图3中连续曲线所示。图3中的竖线为已证实的铌铝合金的X射线衍射图谱，其衍射花样和本实施例中反应生成了的铌铝合金的X射线衍射峰吻合，说明该样品为铌铝合金。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、将铝粉与铌粉在手套箱中搅拌混合使粉末混合均匀；
S2、将混合均匀的粉末按照设定的质量称量，放入压片机模具中，使用压片机将粉末预压成片；
S3、将压片放入回收盒并拧紧，随后将回收盒放入大质量钢架中，确保回收盒底部中心与炮管口中心对齐；
S4、使用轻气炮驱动飞片撞击回收盒，产生的冲击波对压片进行冲击压缩做功，形成高温高压环境，制备得到铌铝合金；
S5、使用车床将铌铝合金从回收盒取出，并将铌铝合金表面的杂质磨掉。
2.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：所述铝粉与铌粉的纯度均大于99.9％，铝粉与铌粉的质量百分比为30:70～70:30。
3.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：所述铝粉与铌粉的颗粒度大小相同，粒径不大于325目。
4.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：在步骤S2中，压片需在手套箱中完成。
5.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：所述回收盒材质为紫铜或铜铝合金。
6.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：所述飞片冲击速度范围为2.1～2.9km/s。
7.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：所述轻气炮为二级轻气炮，二级轻气炮包括两个气室，引爆一级气室中的炸药，推动活塞平稳压缩二级气室中的轻质气体，达到预定压强使膜片破裂，驱动飞片以一定的速度撞击回收盒。
8.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：在步骤S5中，使用抛光机和砂纸将铌铝合金表面的杂质磨掉。
9.根据权利要求书1所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：所述回收盒包括台座(1)和螺旋盖(2)，台座(1)表面内凹形成样品仓；螺旋盖(2)包括相连的螺纹段(21)和支撑段(22)，螺纹段(21)的直径大于支撑段(22)的直径，样品仓包括与支撑段(22)直径相同的第一仓(11)以及与螺纹段(21)螺纹配合的第二仓(12)，第一仓(11)的深度大于支撑段(22)的长度。
10.根据权利要求书9所述的冲击压缩制备铌铝合金的方法，其特征在于：所述螺纹段(21)的顶部开设有直线沟槽(23)。
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