CN112222404B - 基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置及方法,上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面分别密闭连接于外管的顶端和底端，并设置于塑料管内部中心位置处；上锥形钻头和下锥形钻头的两个锥形坡面上均开设有倒角，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面处均设有泄压片，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面顶部中心处均设有凹槽；且非锥形端面与外管的顶端和底端之间还分别设有垫片；外管内部设有内管，且内管管壁与外管管壁之间预留有相应宽度间隙以形成环状空间。通过本发明能安全高效地制备微观结构为纳米级的高强度铝棒。

Description

基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置及方法

技术领域

本发明涉及金属纳米材料技术，具体涉及一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置及方法。

背景技术

爆炸烧结纳米合金粉末是利用炸药爆轰产生的冲击波作用于粉末表面，在极短时间内使颗粒受到挤压、碰撞，使颗粒间产生摩擦、绝热塑性剪切和微射流。大量的塑性变形能转变为热量,由于冲击波的作用时间非常短,整个过程具有瞬时性,使得热量只沉积在粉末颗粒的表面,表层热量迅速向颗粒内部的低温处传导,粉末晶粒来不及大,因此能够很好地保持材料的原有性能。

目前，现有技术(专利申请号:201720691307.X)公开一种可泄压式爆炸烧结纳米铝棒的装置。该装置主要通过在基座上面开一个泄压孔去除粉末中的气体，由于只有一个泄压孔，单向泄压，这种方式可能会使粉末间的气体释放不是很完全。由于该装置各部分为金属材质，上、下锥形钻头的坡面为光滑的结构，顶端为锥形，将这两种部件与装置的其他部件进行人为的组装与拆卸时操作起来也有些不便。

同时,现有技术(专利号CN 106381439 A)公开一种采用爆炸烧结制备纳米氧化物弥散强化马氏体耐热钢的方法。该方法主要是将氧化物粉末与马氏体钢粉末球磨混合均匀并实现氧化物在马氏钢粉末基体中的固溶，然后再装填于成型腔内，再进行爆炸烧结制备,通过该方法制备所得纳米氧化物会出现团结和不均匀的现象,影响了最终成品的质量。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置及方法，通过本发明能安全高效地制备微观结构为纳米级的高强度铝棒。

技术方案：本发明一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，包括上锥形钻头、下锥形钻头和外管，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面分别密闭连接于外管的顶端和底端，三者形成密闭结构，该密闭结构设置于塑料管内部中心位置处；所述上锥形钻头和下锥形钻头的两个锥形坡面上均开设有倒角，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面处均设有泄压片，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面顶部中心处均设有凹槽；且非锥形端面与外管的顶端和底端之间还分别设有垫片；所述外管内部设有内管(内管内填充有铝粉颗粒)，且内管管壁与外管管壁之间预留有相应宽度间隙以形成环状空间(当炸药产生冲击波时，该环状空间用于缓冲)。

上述内管和外管的管壁上均涂覆有高温脱模剂，该高温脱模剂能够防止爆炸烧结过程中铝粉与对应内壁熔化烧结一体，便于最后在线切割时能顺利将内管和外管剥离，进而保证成型铝棒的完整性。

进一步的，所述上锥形钻头与下锥形钻头的结构和尺寸相同，对称设置于外管的顶端和底端。

进一步的，所述上锥形钻头和下锥形钻头均包括圆锥体和两个圆柱体，两个圆柱从上到下体依次安装于圆锥体底部，圆锥体的直径×高为(44～46)mm× (22～23)mm的圆锥，两个圆柱体直径×高分别为(40～42)mm×(9～11) mm、(25～27)mm×(9～11)mm。

进一步的，所述凹槽的直径×高为(9～11)×(12～14)mm，泄压片的直径×厚度为(25～27)×0.2mm，垫片外径×内径×厚度为(25～27)×(1～3)×1mm。

进一步的，所述塑料管顶端外侧固定有传爆药柱和雷管，塑料管与外管之间预留有相应宽度间隙以此形成环状空间，该环状空间与传爆药柱连通，塑料管与外管之间的环状空间内填充有炸药。

进一步的，所述内管的外径×厚度×高为(29～31)mm×2mm×(159～161) mm；外管的外径×厚度×高为(44～46)mm×2mm×(179～181)mm；塑料管的外径×厚度×高(74～76)mm×1.5mm×(219～221)mm。

进一步的，所述内管、外管、上锥形钻头和下锥形钻头采用45#钢制成，所述塑料管采用PVC工程塑料制成。

本发明还公开一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的方法，包括以下步骤：

S1、制备纳米铝粉，即在铝粉中加入钛粉，且铝粉和钛粉的质量百分数分别为：98.5％～99％以及1.0％～1.5％，然后用球磨将内管中的混合金属粉末充分研磨混合均匀形成纳米混合铝粉；

S2、将下锥形钻头、外管和内管依次组装好，然后将组装好的部件与上锥形钻头以及设有第二凹槽的铁块一起放入带有电动压药机的密闭手套箱的操作室内；该铁块上的第二凹槽与下锥形钻头的圆锥体相适配，在压药过程中使用铁块固定下锥形钻头；

S3、将步骤S2中密闭手套箱的操作室内抽真空，再充入惰性气体，使整个手套箱充满惰性气体，使得手套箱内的压力为0.5Mpa；

S4、在内管内均匀加入纳米混合铝粉，使用电动压药机，采用采用3000N～ 5000N的力将纳米混合铝粉压实，使纳米混合铝粉的压实密度达到60％～70％，然后盖上上锥形钻头，完整烧结装置的装配；

S5、从手套箱内取出上述步骤S4装配后的烧结装置；

S6、在塑料管内部底下铺一层炸药，再放入烧结装置，同时人为的或者用仪器将烧结装置固定住，待烧结装置周围及上端填装满炸药将烧结装置固定住，然后封装好塑料管，再在塑料管上端固定传爆药柱和雷管；

S7、启动雷管触发药柱起爆低速炸药，外管在爆炸力作用下打击内管；压实纳米铝粉，获得纳米铝棒；

S8、切割外管和内管，获得所需的纳米铝棒。

所述步骤S4中的纳米混合铝粉颗粒的粒径为100至200nm，例如取140nm。

所述步骤S6中药层厚度为12至14nm，例如取值13mm。

上述过程采用的低爆速炸药为粉状铵梯炸药，且装药密度为0.8～1g/cm³，该粉状铵梯炸药的粒径在1-2um之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明基于爆炸烧结技术，本发明通过对称设置上锥形钻头和下锥形钻头、以及对应泄压片等，使得整个装置具有双向泄压、双向稳压、双向压实效果，使得粉末间的气体释放更加完全，压实效果更好，使得烧结出来的铝棒性能更好。

(2)本发明上锥形钻头和下锥形钻头的锥形坡面上都均设有倒角，方便固定扳手，使钻头的组装与拆卸更加方便，设计更加人性化。

(3)本发明的方法中采用电动的压药机加装密闭手套箱，达到了更高的初装实密度；

(4)本发明在内管的铝粉中添加对应钛粉，以此增强金属粉末间的润湿性，增加金属粉末之间的接触，增加其相界面接触效果，使得烧结出来的铝棒性能更好。

附图说明

图1为本发明实施例中的装置结构示意图；

图2为本发明实施例中上锥形钻头和下锥形钻头的侧视图；

图3为本发明实施例中上锥形钻头和下锥形钻头的俯视图；

图4为实施例在压实铝粉过程中用来固定下锥形钻头的铁块第二凹槽示意图；

图5为实施例的现场试验装置示意图；

图6为实施例现场试验俯视图；

图7为实施例所得纳米铝棒示意图；

图8为实施例所得纳米铝棒硬度示意图；

图9为实施例所得纳米铝棒的微观结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，包括上锥形钻头3、下锥形钻头11和外管6，上锥形钻头3和下锥形钻头11的非锥形端面分别密闭连接于外管6的顶端和底端，三者形成密闭结构，该密闭结构设置于塑料管8内部中心位置处；上锥形钻头3和下锥形钻头11的两个锥形坡面上均开设有倒角4(便于安装和拆卸)，上锥形钻头3和下锥形钻头11的非锥形端面处均设有泄压片5，上锥形钻头3和下锥形钻头11的非锥形端面顶部中心处均设有凹槽9；且非锥形端面与外管6的顶端和底端之间还分别设有垫片10。此处，上锥形钻头3和下锥形钻头11的上端均呈光滑的圆锥体13，传爆过程中起稳压作用。

外管6内部设有内管7(内管7内填充有铝粉12颗粒)，且内管7管壁与外管 6管壁之间预留有相应宽度间隙以形成环状空间(当炸药产生冲击波时，该环状空间用于缓冲)。

上锥形钻头3与下锥形钻头11的结构和尺寸相同，对称设置于外管6的顶端和底端。如图2和图3所示，上锥形钻头3和下锥形钻头11均包括圆锥体13 和两个圆柱体14，两个圆柱从上到下体依次安装于圆锥体13底部，圆锥体13 的直径×高为(44～46)×(22～23)mm的圆锥，两个圆柱体14直径×高分别为 (40～42)×(9～11)mm、(25～27)×(9～11)mm。凹槽9的直径×高为(9～ 11)×(12～14)mm，泄压片5的直径×厚度为(25～27)×0.2mm，垫片10外径×内径×厚度为(25～27)×(1～3)×1mm。

当炸药爆炸产生的冲击波对纳米铝粉12进行压实时，上下两个泄压片5均在受到压实过程中纳米铝粉12颗粒间的气体冲击时破裂，通过垫片10的中心孔传递到凹槽9内，起缓冲作用，可以有效防止中心孔的产生以及纳米铝粉12粉末的抛洒。

其中，塑料管8顶端外侧固定有传爆药柱2和雷管1，塑料管8与外管6之间预留有相应宽度间隙以此形成环状空间，该环状空间与传爆药柱2连通，塑料管8 与外管6之间的环状空间内填充有炸药。

内管7的外径×厚度×高为(29～31)×2×(159～161)mm；外管6的外径×厚度×高为(44～46)×2×(179～181)mm；塑料管8的外径×厚度×高(74～76) ×1.5×(219～221)mm。

内管7、外管6、上锥形钻头3和下锥形钻头11采用45#钢制成，塑料管8 采用PVC工程塑料制成。

采用上述双向泄压装置基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的方法，包括以下步骤：

S1、在内管7中加入铝粉12和钛粉，铝粉12和钛粉的质量百分数分别为： 98.5％～99％以及1.0％～1.5％，然后用球磨将内管7中的混合金属粉末充分研磨混合均匀形成纳米混合铝粉12；

S2、将下锥形钻头11、外管6和内管7依次组装好，然后将组装好的部件与上锥形钻头3以及设有第二凹槽的铁块15(如图4所示)一起放入带有电动压药机的密闭手套箱的操作室内；

S3、将步骤S2中密闭手套箱的操作室内抽真空，再充入惰性气体，使整个手套箱充满惰性气体；

S4、在内管7内均匀加入纳米混合铝粉12，使用电动压药机，采用 3000N～5000N的力将纳米混合铝粉12压实，使纳米混合铝粉12的压实密度达到65％～75％，并盖上上锥形钻头3，完整烧结装置的装配；

S5、从手套箱内取出上述步骤S4装配后的烧结装置；

S6、在塑料管8内部底下铺一层炸药，再放入烧结装置，同时人为的或者用仪器将烧结装置固定住，待烧结装置周围及上端填装满炸药将烧结装置固定住，然后封装好塑料管8，再在塑料管8上端固定传爆药柱2和雷管1；

S7、启动雷管1触发药柱起爆低速炸药，外管6在爆炸力作用下打击内管7；压实纳米铝粉12，获得纳米铝棒；

S8、切割外管6和内管7，获得所需的纳米铝棒。

步骤S4中纳米混合铝粉12颗粒的粒径为60-140nm。

步骤S6中药层厚度为12～14mm。

上述过程采用的低爆速炸药为粉状铵梯炸药，且装药密度为0.8～1g/cm³，该粉状铵梯炸药的粒径在1-2um之间。由于使用炸药的爆速在km/s级别，爆轰波由上至下传播的时间差极小，因此整个装置的上下两端同时产生同样的作用，使得烧结出来的铝棒性能更好。

实施例：

本实施例中纳米铝粉12的平均粒径为100nm，采用的低爆速炸药为粉状铵梯炸药，其粒径为2um，按照如下步骤进行制备纳米铝棒。

(a)将内管7和外管6的管壁均涂覆有一层高温脱模剂，这样能够以防止爆炸烧结过程中铝粉12与内管7以及外管6熔化烧结一体，方便在线切割时能顺利将不锈钢套管剥离保证成型铝棒的完整性；

(b)将下锥形钻头11、外管6、内管7依次装配，与纳米铝粉12及上锥形钻头3还有带第二凹槽的铁块15(在压实铝粉的过程中用于固定下锥形钻头11 一起放入带有电动压药机的密闭手套箱的操作室内；

(c)然后抽真空，再充入惰性气体，使整个手套箱充满惰性气体，此处手套箱内的压力为0.5Mpa；

(d)在内管7内均匀加入150g的纳米铝粉，使用电动压药机，采用4500N 的力将铝粉压实，使纳米铝粉12的压实密度达到65％，并盖上上锥形钻头3；

(e)从手套箱内取出上述装配完成的烧结装置，如图5和图6所示；

(f)先在塑料管8底下铺一层低速炸药，再放入上述烧结装置，然后人工或者用仪器将烧结装置固定住，待烧结装置周围及上端均填装满低速炸药且将烧结装置固定住，此处，低速炸药的装药密度为0.9g/cm³，再在塑料管8上端固定传爆药柱2和雷管1；

(g)启动雷管1触发药柱2起爆低速炸药，外管6在爆炸力作用下打击内管7；压实纳米铝粉12，获得纳米铝棒；

(h)切割外管6和内管7，获得所需的纳米铝棒，如图7所示。

如图8所示，本实施例中中纳米铝棒的表面最高的维氏硬度值为155.67HV，最低的维氏硬度值为134.00HV，平均硬度值为146.88HV，标准差为6.89HV，其硬度超过现有传统技术制备的铝棒硬度的5倍以上。如图9所示，本实施例制得的纳米铝棒的微观结构均匀，制得纳米铝棒的粒径均在200nm左右，致密度较高。

通过上述实施例可以看出，本发明通过对称设置上锥形钻头和下锥形钻头、以及对应泄压片等使得粉末间的气体释放更加完全，压实效果更好，再加上改进后的纳米铝粉，最终使得烧结出来的铝棒性能更好。

Claims (10)

1.一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：包括上锥形钻头、下锥形钻头和外管，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面分别密闭连接于外管的顶端和底端，三者形成密闭结构，该密闭结构设置于塑料管内部中心位置处；所述上锥形钻头和下锥形钻头的两个锥形坡面上均开设有倒角，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面处均设有泄压片，上锥形钻头和下锥形钻头的非锥形端面顶部中心处均设有凹槽；且非锥形端面与外管的顶端和底端之间还分别设有垫片；所述外管内部设有内管，且内管管壁与外管管壁之间预留有相应宽度间隙以形成环状空间；

所述内管填充有纳米混合铝粉，所述纳米混合铝粉包括铝粉和钛粉，铝粉和钛粉的质量百分数分别为：98.5%~99%以及1.0%～1.5%，然后用球磨将内管中的混合金属粉末充分研磨混合均匀形成纳米混合铝粉。

2.根据权利要求1所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：所述上锥形钻头与下锥形钻头的结构和尺寸相同，对称设置于外管的顶端和底端。

3.根据权利要求1所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：所述内管和外管的内管壁上均涂覆有高温脱模剂。

4.根据权利要求1所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：所述上锥形钻头和下锥形钻头均包括圆锥体和两个圆柱体，两个圆柱从上到下体依次安装于圆锥体底部，圆锥体的直径×高为（44～46）mm×（22～23）mm的圆锥，两个圆柱体直径×高分别为（40～42）mm×（9～11）mm、（25～27）mm×（9～11）mm。

5.根据权利要求1所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：所述凹槽的直径×高为（9～11）mm×（12～14）mm，泄压片的直径×厚度为（25～27）mm×0.2mm，垫片外径×内径×厚度为（25～27）mm×（1～3）×1mm。

6.根据权利要求1所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：所述塑料管顶端外侧固定有传爆药柱和雷管，塑料管与外管之间预留有相应宽度间隙以此形成环状空间，该环状空间与传爆药柱连通。

7.根据权利要求1所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：所述内管的外径×厚度×高为（29～31）mm×2mm×（159～161）mm；外管的外径×厚度×高为（44～46）mm×2mm×（179～181）mm；塑料管的外径×厚度×高（74～76）mm×1.5mm×（219～221）mm。

8.根据权利要求1所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的双向泄压装置，其特征在于：所述内管、外管、上锥形钻头和下锥形钻头采用45#钢制成，所述塑料管采用PVC工程塑料制成。

9.一种基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、制备纳米铝粉，即在铝粉中加入钛粉，且铝粉和钛粉的质量百分数分别为：98.5%~99%以及1.0%～1.5%，然后用球磨将内管中的混合金属粉末充分研磨混合均匀形成纳米混合铝粉；

S2、将下锥形钻头、外管和内管依次组装好，然后将组装好的部件与上锥形钻头以及设有第二凹槽的铁块一起放入带有电动压药机的密闭手套箱的操作室内；该铁块上的第二凹槽与下锥形钻头的圆锥体相适配，在压药过程中使用铁块固定下锥形钻头；

S3、将步骤S2中密闭手套箱的操作室内抽真空，再充入惰性气体，使整个手套箱充满惰性气体，使得手套箱内的压力为0.5Mpa；

S4、在内管内均匀加入纳米混合铝粉，使用电动压药机，采用3000N～5000N的力将纳米混合铝粉压实，使纳米混合铝粉的压实密度达到60%～70%，然后盖上上锥形钻头，完整烧结装置的装配；

S5、从手套箱内取出上述步骤S4装配后的烧结装置；

S6、在塑料管内部底下铺一层炸药，再放入烧结装置，同时将烧结装置固定住，待烧结装置周围及上端填装满炸药将烧结装置固定住，然后封装好塑料管，再在塑料管上端固定传爆药柱和雷管；

S7、启动雷管触发药柱起爆低速炸药，外管在爆炸力作用下打击内管；压实纳米混合铝粉，获得纳米铝棒；

S8、切割外管和内管，获得所需的纳米铝棒。

10.根据权利要求9所述的基于爆炸烧结工艺制备金属纳米铝棒的方法，其特征在于：所述步骤S4中纳米混合铝粉颗粒的粒径为100~200nm；所述步骤S6中药层厚度为12～14mm。

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