CN108247047A - 全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法，包括：步骤一、金属板的处理：将金属板侧面开孔，开孔形状和尺寸可依据需求设计和调整，清洗孔内壁；步骤二、金属粉末的装填：先将金属板开孔的一侧密封，将金属粉末逐步倒入开孔内并尽量压实，所有开孔装填密实后，将另一侧也密封，装填密度与金属粉末材料有关；步骤三、将装填好金属粉末的金属板放置在垫板上，炸药放在金属板上，通过雷管引爆炸药，驱动金属板上部向下压实金属粉末，并使其与金属板紧密结合，完成金属粉末与板材的复合。相比于传统的爆炸复合技术，本发明通过对金属粉末实行全约束的方式，达到弱化稀疏波的作用，可以同时实现金属粉末的压实和粉板材料的复合。
Description
技术领域
本发明属于爆炸复合技术领域，具体涉及一种全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法(特别是材料物理性质相差较大的金属粉末和板材的结合)。
背景技术
爆炸复合技术是利用炸药爆炸产生的强大冲击力使金属与金属高速撞击，撞击部位表面呈瞬间的高温高压状态，金属表面的氧化物、气体吸附层等阻碍接合的极薄表层(厚约数百微米)以金属喷射物形式排出，因此基材和覆材的撞击部位露出清洁的表面，使两种金属表面在极高压力下压接，理论上达到原子间的结合力的一种技术。爆炸复合材料综合了两种或多种金属材料的优点，所以其性能优异。并且相比于其他复合材料而言，爆炸复合工艺简单，不需要昂贵的实验设备和精细的人工操作，所以爆炸复合材料成本低廉。经过几十年来的发展，目前几乎能实现所有金属间的爆炸复合，其产品广泛运用于工业生产中，并且在航空航天、石油、化工、军事等领域有着不可替代的作用。
传统的爆炸复合技术进行的都是不同材料的金属板与金属板之间的结合，对于金属粉末与板材的结合(如涂层制备等)，现有技术主要为热喷涂、冷喷涂、激光熔覆、化学沉积等。其中热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。冷喷涂是压缩空气加速金属粒子到临界速度(超音速)，金属粒子直击到基体表面后发生物理形变，金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着，整个过程金属粒子没有被熔化。传统的涂层制备技术都需要专门的仪器设备而且操作复杂，虽然近些年有提出一些基于炸药加载的爆炸喷涂方法制备涂层，不需要专门的设备，但对物理性质相差较大的粉板材料，很难制得较好的涂层，通常存在结合强度低、涂层厚度小等问题。
发明内容
本发明的目的是基于传统涂层制备技术和爆炸复合技术的各自优点，结合粉末爆炸压实技术，针对涂层制备技术操作复杂设备要求高，单次涂层只能达到微米级别，和物理性质差异较大的金属粉末和板材难以结合或结合强度低，以及一些材料由于物理性质不能通过板-板制备复合材料等问题，提出了全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法。
本发明的目的由以下技术方案实现：
全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法，粉板复合材料主要是由侧面开孔的金属板，开孔内密实装填金属粉末的结构和炸药、垫板组成；开孔距金属板上表面较近，开孔距金属板下表面较远，两开孔之间具有一定的间距。所述金属板水平放置在垫板上。
包括如下步骤：
步骤一、金属板的处理：将金属板侧面开孔，开孔形状和尺寸可依据需求设计和调整，清洗孔内壁；
步骤二、金属粉末的装填：先将金属板开孔的一侧密封，将金属粉末逐步倒入开孔内并尽量压实，所有开孔装填密实后，将另一侧也密封，装填密度与金属粉末材料有关；
步骤三、将装填好金属粉末的金属板放置在垫板上，炸药放在金属板上，通过雷管引爆炸药，驱动金属板上部向下压实金属粉末，并使其与金属板紧密结合，同时完成金属粉末的压实以及金属粉末与板材的复合。
其中，金属板厚一般要大于10mm。
其中，两开孔之间具有一定的间距，即两开孔之间的金属板壁厚度一般要大于0.5mm。
其中，开孔的作用既是金属粉末的盛装容器也是其约束，沿开孔方向的尺寸(即金属板的宽度)一般要大于30mm。
本发明的工作原理：雷管引爆炸药后，产生冲击波驱动金属板上部向下运动，对金属粉末产生向下的强压，同时开孔与开孔之间的金属板间隙也因为向下的冲击波被压缩，由于泊松效应，会发生横向拉伸，开孔两侧的间隙一起挤压金属粉末，加上向下的强压，和金属板下端以及垫板的支撑作用，金属粉末受到全约束包裹式的挤压，在自身被压实的同时，在开孔内壁界面处与金属板紧密结合在一起，形成了内嵌式的粉板复合材料。所述金属板开孔的作用是将金属粉末密实装填其中，通过开孔内壁和开孔端的密封达到对金属粉末的全约束，使金属粉末不处于自由表面，这种结构能弱化冲击波在自由表面反射的稀疏波，避免对金属粉末造成影响和损失。
与现有技术相比，本发明具备如下的优异性和显著特点：
相比于传统的涂层制备技术，本发明所设计的装置不需要专门的仪器设备，工艺简单，操作灵活，实施方便；
相比于其他的涂层制备技术，本发明能实现厚涂层的形成，满足更多的材料需求，特别是对于一些物理性质差异较大的粉末和基体材料，一般的涂层制备技术并不能制得所需涂层，但本发明能使更多材料形成较大厚度的涂层；
传统的涂层制备技术是将金属粉末加速，冲击到板材表面使其结合，容易对板材表面造成损伤，形成细小孔洞或坑洼，本发明是粉板直接接触，通过挤压实现粉板材料的复合，不会对板材表面造成损伤，有效的保护材料；
相比于传统的爆炸复合技术，特别是对于一些板材性质脆性较大不能通过板-板进行复合的材料，本发明可以实现粉板材料的复合，使粉末压实形成板材的同时与板紧密结合，制得所需材料的板-板复合材料；
相比于直接将金属粉末放在板材表面(自由面)进行复合实验，本发明所设计的装置是将金属粉末装填在开孔内，属于半封闭环境，且开孔端可以通过简易处理达到密封，通过这样的约束，可以弱化爆炸后稀疏波对金属粉末的影响，易制得厚涂层，且能减少金属粉末材料的损失；
本发明所设计的装置的开孔形状和尺寸都可以进行预先设计，且粉末几乎可以完全压实，达到材料自身的密度，对实验后的金属粉末压实成型可以进行一定程度的控制，即厚度是可以通过事先计算和设计得到的，且对后期加工设计具有很大余地。
附图说明
图1是本发明侧面开单排类矩形孔实验装置示意图；
图2是本发明侧面开单排圆孔实验装置示意图；
图3是本发明侧面双排错位T形孔实验装置示意图。
图中附图标记含义为：1为雷管，2为炸药，3为金属板，4为开孔，5为金属粉末，6为垫板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明
实例1：
炸药2采用工业乳化炸药，密度为1.1g/cm3，用药量为150g。金属板3采用T2紫铜，尺寸为80×100×12mm3，开孔4形状为图1所示，具体尺寸为中间矩形10×4mm2，两端为φ4mm的半圆，两开孔中心间距为16mm，开孔上端距金属板上表面2mm，开孔下端距金属板下表面6mm。金属粉末5为粒径1～3μm的钨粉，装填密度为5g/cm3。装填粉末前对开孔内壁做清洗和打磨预处理。装填好金属粉末5并做密封处理后，如图1放置好各部件，将垫板6、金属板3、炸药2从下到上依次水平放置，采用边缘起爆，雷管1位于垂直于开孔方向的炸药2一侧的中点。通过雷管引爆炸药，驱动铜板上端向下挤压钨粉，压实钨粉的同时使其与孔内壁的铜板紧密结合，形成钨铜复合材料。所装填钨粉除了开孔端有少许溢出，中间部分全部压实并与铜板结合，并通过测试表明：压实后钨层厚度约1.1mm，密度18.5g/cm3，通过电子显微镜观察，钨粉与开孔内壁下表面的铜板结合界面较好，钨层内部有层状裂纹，在圆弧处均结合良好且无明显裂纹。
实例2：
炸药2采用工业乳化炸药，密度为1.1g/cm3，用药量为150g。金属板3采用T2紫铜，尺寸为80×100×12mm3，开孔4形状为图1所示，具体尺寸为中间矩形10×4mm2，两端为φ4mm的半圆，两开孔中心间距为16mm，开孔上端距金属板上表面2mm，开孔下端距金属板下表面6mm。金属粉末5为粒径45μm的钨粉，装填密度为4.5g/cm3。装填粉末前对开孔内壁做清洗和打磨预处理。装填好金属粉末5并做密封处理后，如图1放置好各部件，将垫板6、金属板3、炸药2从下到上依次水平放置，采用边缘起爆，雷管1位于垂直于开孔方向的炸药2一侧的中点。通过雷管引爆炸药，驱动铜板上端向下挤压钨粉，压实钨粉的同时使其与孔内壁的铜板紧密结合，形成钨铜复合材料。所装填钨粉除了开孔端有少许溢出，中间部分全部压实并与铜板结合，并通过测试表明：压实后钨层厚度约1mm，密度17g/cm3，通过电子显微镜观察，钨粉与孔内壁下表面的铜板结合界面较好，钨层内部有层状裂纹，在圆弧处均结合良好且无明显裂纹。
实例3：
炸药2采用工业乳化炸药，密度为1.1g/cm3，用药量为150g。金属板3采用T2紫铜，尺寸为80×100×12mm3，开孔4形状为图2所示，为φ5mm的圆孔，两开孔中心间距为12mm，开孔上端距金属板上表面2mm，开孔下端距金属板下表面5mm。金属粉末5为粒径45μm的钨粉，装填密度为4.6g/cm3。装填粉末前对开孔内壁做清洗和打磨预处理。装填好金属粉末5并做密封处理后，如图1放置好各部件，将垫板6、金属板3、炸药2从下到上依次水平放置，采用边缘起爆，雷管1位于垂直于开孔方向的炸药2一侧的中点。通过雷管引爆炸药，驱动铜板上端向下挤压钨粉，压实钨粉的同时使其与孔内壁的铜板紧密结合，形成钨铜复合材料。所装填钨粉除了开孔端有少许溢出，中间部分全部压实并与铜板结合，并通过测试表明：压实后钨层厚度约2.7mm，密度17g/cm3，通过电子显微镜观察，钨粉与圆孔内壁的铜均结合良好，裂纹问题得到改善。
实例4：
炸药2采用工业乳化炸药，密度为1.1g/cm3，用药量为150g。金属板3采用T2紫铜，尺寸为80×100×12mm3，开孔4形状为图2所示，为φ5mm的圆孔，两开孔中心间距为12mm，开孔上端距金属板上表面2mm，开孔下端距金属板下表面5mm。金属粉末为添加质量分数10％铜粉的钨粉，粒径约为45μm，装填密度为4g/cm3。装填粉末前对开孔内壁做清洗和打磨预处理。装填好金属粉末5并做密封处理后，如图1放置好各部件，将垫板6、金属板3、炸药2从下到上依次水平放置，采用边缘起爆，雷管1位于垂直于开孔方向的炸药2一侧的中点。通过雷管引爆炸药，驱动铜板上端向下挤压钨粉，压实钨粉的同时使其与孔内壁的铜板紧密结合，形成钨铜复合材料。所装填钨粉除了开孔端有少许溢出，中间部分全部压实并与铜板结合，并通过测试表明：压实后钨层厚度约2.5mm，密度16g/cm3，通过电子显微镜观察，钨粉与圆孔内壁的铜均结合良好，钨层裂纹问题得到明显改善。
Claims (4)
1.全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法，其特征在于：粉板复合材料主要是由侧面开孔(4)的金属板(3)，开孔(4)内密实装填金属粉末(5)的结构和炸药(2)、垫板(6)组成；开孔(4)距金属板(3)上表面较近，开孔(4)距金属板(3)下表面较远，两开孔之间具有一定的间距；所述金属板(3)水平放置在垫板(6)上，包括如下步骤：
步骤一、金属板(3)的处理：将金属板侧面开孔(4)，开孔(4)形状和尺寸可依据需求设计和调整，清洗开孔(4)内壁；
步骤二、金属粉末(5)的装填：先将金属板(3)开孔(4)的一侧密封，将金属粉末(5)逐步倒入开孔(4)内并尽量压实，所有开孔(4)装填密实后，将另一侧也密封，装填密度与金属粉末(5)材料有关；
步骤三、将装填好金属粉末(5)的金属板(3)放置在垫板(6)上，炸药(2)放在金属板(3)上，通过雷管(1)引爆炸药(2)，驱动金属板(3)上部向下压实金属粉末(5)，并使其与金属板(3)紧密结合，同时完成金属粉末(5)的压实以及金属粉末(5)与板材的复合。
2.根据权利要求1所述的全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法，其特征在于：金属板(3)厚一般要大于10mm。
3.根据权利要求1所述的全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法，其特征在于：两开孔之间具有一定的间距，即两开孔之间的金属板壁厚度一般要大于0.5mm。
4.根据权利要求1所述的全约束弱稀疏金属粉爆炸压实及粉板爆炸复合方法，其特征在于：开孔的作用既是金属粉末的盛装容器也是其约束，沿开孔方向的尺寸即金属板的宽度一般要大于30mm。
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