專利名稱：非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料爆炸壓實(shí)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于爆炸加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的雙管爆
炸壓實(shí)制備方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的一些剛性、耐磨耐熱部件以 及電子工業(yè)和汽車工業(yè)等領(lǐng)域，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的低膨脹系數(shù)、較高的熱導(dǎo)率和 低密度在光學(xué)儀器和精密儀表等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。 近年來(lái)非晶材料因其在科學(xué)及工程上的重要性引起了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)金屬及合 金相比，非晶材料具有高強(qiáng)度、高硬度及高的彈性應(yīng)變極限，相對(duì)高的斷裂韌性、抗疲勞及 抗腐蝕性。非晶材料在復(fù)合材料中一項(xiàng)重要的應(yīng)用就是作為增強(qiáng)相。非晶材料為金屬成分， 與陶瓷相比，與金屬基體更相容并形成強(qiáng)的界面結(jié)合力，可有效改進(jìn)基體材料的力學(xué)性能。 因此非晶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 M. H. Lee等人對(duì)非晶增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了第一次嘗試。他們?cè)贏l的熔點(diǎn) 溫度以上通過(guò)浸滲的方法生產(chǎn)出了 Ni39.2Nb2。.6Ta4。.2非晶帶及顆粒均勻分布于Al合金基體 中的復(fù)合材料(M. H. Lee， J. H. Kim， J. S. Park, W. T. Kim， D. H. Kim. Development ofNi-Nb-Ta metallic glass particle reinforced Al based matrix composites. Mater. Sci. Forum， 2005，475 (V) :3427-3430)。 P. Yu等人通過(guò)機(jī)械合金化的方法制備了 Ni6。Nb4。的非晶粉末，繼而又通過(guò)粉末 冶金的方法加入到Al中，制得Al-30wt. % Ni6。Nb4。金屬基復(fù)合材料(P. Yu， L. C. Zhang， W. Y. Zhang, et al. Interfacial reaction during the fabrication of Ni60Nb4。 metallic glassparticles—reinforced Al based匪Cs. Materials Science and Engineering A， 2007,444(1-2) :206-213)。 Z. Zhang等通過(guò)把非晶Al85Ni10La5合金增強(qiáng)相加入到5083鋁合金中合成了 5083微晶鋁/Al85Ni10La5復(fù)合材料(Zhihui Zhang， Bing Q. Han， David Witkin. et al， Synthesis ofNanocrystalline Aluminum Matrix Composites Reinforced with In Situ Devitrified Al_Ni_LaAmorphous Particles, Scr.Mater. ，2006，54(5) :869-874)。
M. T. Stawovy等利用機(jī)械合金化的方法，將非晶鐵與微晶鎢的合金作為增強(qiáng) 相加入到鐵基中并隨之進(jìn)行壓實(shí)制得了金屬?gòu)?fù)合材料(M. T. Stawovy andA. 0. Aning， Processingof Amorphous Fe_W Reinforced Fe Matrix Composites, Mater Sci Eng A， 1998256(1-2) :138-143)。 國(guó)內(nèi)尚無(wú)非晶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)道。國(guó)外非晶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù) 合材料的制備通常采用機(jī)械合金化配合粉末冶金的方法，這種方法需要專門的設(shè)備，耗費(fèi) 較多的人力、物力及財(cái)力，制備成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的爆炸壓實(shí)制備方法，它
能夠在保持非晶顆粒的非平衡態(tài)特征，同時(shí)有效地降低非晶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制 造成本，為非晶顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造條件。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓 實(shí)制備方法，作為增強(qiáng)相的非晶粉末與鋁基體粉末均勻混合后裝在內(nèi)管中，在內(nèi)管外設(shè)置 有間隔的外管，內(nèi)管和外管上端設(shè)置錐形的PVC端塞以調(diào)整波形，內(nèi)管和外管下端封閉，外 管被炸藥包覆，在頂部中心由雷管起爆，采用點(diǎn)起爆方式，炸藥起爆后，在外管側(cè)壁發(fā)生滑 移爆轟，驅(qū)動(dòng)外管作為飛行管打擊內(nèi)管，將混合粉末壓實(shí)在一起。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(l)在實(shí)現(xiàn)非晶顆粒增強(qiáng)相復(fù)合材料的爆 炸壓實(shí)的同時(shí)能防止非晶相材料的晶化現(xiàn)象；(2)在內(nèi)管加置鋼墊可有效消除馬赫孔的產(chǎn) 生且能根據(jù)需要設(shè)置鋼墊層數(shù)以一次性獲得所需數(shù)目的塊體復(fù)合材料；(3)軸對(duì)稱的加載 結(jié)構(gòu)能有效消除彎曲效應(yīng)，防止產(chǎn)生宏觀裂紋；(4)內(nèi)、外管與下端塞的固連，以防止下端 塞移位造成的邊界效應(yīng)。(5)采用爆炸壓實(shí)一次性成功獲得了非晶顆粒增強(qiáng)A1基復(fù)合材 料，毋須專用生產(chǎn)設(shè)備，所用炸藥也成本低廉，為這種材料的大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，為其 廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明雙管爆炸壓實(shí)裝置示意圖。 圖2是本發(fā)明非晶顆粒及非晶顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的XRD圖樣。 圖3是本發(fā)明Fe基非晶顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的SEM照片，(a) 5wt. %非晶，
(b)30wt. %非晶。
具體實(shí)施例方式
對(duì)于含非晶相粉末的爆炸壓實(shí)，壓實(shí)件的缺陷主要根源有三個(gè)方面一是炸藥的
爆熱和和粉體的整體絕熱壓縮溫升容易引起非晶相的晶化，二是對(duì)于軸對(duì)稱爆炸壓實(shí)壓力
不當(dāng)容易產(chǎn)生馬赫孔(壓力過(guò)大)或壓不實(shí)(壓力過(guò)小)，三是爆炸壓實(shí)的彎曲效應(yīng)和邊
界效應(yīng)容易引起材料的斷裂。因此，本發(fā)明通過(guò)雙管的軸對(duì)稱爆炸壓實(shí)消除彎曲效應(yīng)，內(nèi)、
外管和下端塞固連以消除邊界效應(yīng)，在內(nèi)管內(nèi)設(shè)置鋼墊以消除馬赫效應(yīng)且可根據(jù)需要在內(nèi)
管里設(shè)置鋼墊層數(shù)以一次性獲得所需數(shù)目的塊體復(fù)合材料，此外，內(nèi)、外管之間設(shè)置間隙可
在控制打擊速度的同時(shí)降低炸藥爆熱對(duì)粉末的加熱作用。本發(fā)明非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材
料雙管爆炸壓實(shí)制備方法中，作為增強(qiáng)相的非晶粉末與鋁基體粉末均勻混合后裝在內(nèi)管6
中，在內(nèi)管6外設(shè)置有間隔的外管7，內(nèi)管6和外管7上端設(shè)置錐形的PVC端塞2以調(diào)整波
形，內(nèi)管6和外管7下端封閉，外管7被炸藥包覆，在頂部中心由雷管1起爆，采用點(diǎn)起爆方
式，炸藥3起爆后，在外管7側(cè)壁發(fā)生滑移爆轟，驅(qū)動(dòng)外管7作為飛行管打擊內(nèi)管6，將混合
粉末5壓實(shí)在一起。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程如下 1、混粉本發(fā)明所涉及的非晶粉末是鐵基、鈷基非晶粉末，鋁基體粉末為純鋁粉，表面無(wú)氧化層，將增強(qiáng)相的非晶粉末與鋁基體粉末按一定比例(非晶粉末占混合粉末的質(zhì) 量比為5 30% )混合均勻，可采用行星式球磨機(jī)，為防止非晶顆粒晶化，轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高，約 為70-100轉(zhuǎn)每分鐘。 2、裝粉在內(nèi)管6與下端塞9固連(比如焊接)后將混合粉末5裝入內(nèi)管6，可采 用壓力機(jī)進(jìn)行壓裝，控制粉末的孔隙率為30-40%。 3、裝藥安裝外管7、上端塞2、炸藥3、雷管1，其中外管7需與下端塞9固連，內(nèi)、外 管6、7及炸藥3要保持較高的同軸度，炸藥3要保持同樣的厚度，使爆炸壓力波嚴(yán)格對(duì)稱。
4、起爆雷管1置于炸藥3頂部中心位置，采用點(diǎn)起爆方式。 5、取樣爆炸壓實(shí)后，將內(nèi)管6、外管7、鋼墊8分別切除、分離，可獲得爆炸壓實(shí)的
非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
實(shí)施例1 采用Fe基非晶粉末(純度99.5%，粒度200目)作為增強(qiáng)相，其成分為 Fe63. 3%， W15. 36%， MolO. 95%， Ni5. 43%， Cr3. 56%， Sil. 28%。按非晶粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)分 別為5X與A1粉(99% ，325目)混合。使用XQM-2L型行星式球磨機(jī)使其混合均勻，此過(guò)程 持續(xù)4小時(shí)，轉(zhuǎn)速為80rpm。內(nèi)管6內(nèi)徑26mm、外徑29mm，外管7內(nèi)徑33mm、外徑37mm，內(nèi)、 外管間距2mm，將內(nèi)管6、外管7與鋼質(zhì)下端塞9焊接后進(jìn)行裝粉，裝混合粉末5厚度10mm， 粉末孔隙率為36. 4% ，設(shè)置3層鋼墊8，直徑25. 6mm，高5mm，裝置上端放置PVC上端塞2以 調(diào)整波形，上端塞錐角為120度，炸藥3厚度35mm，爆速4700m/s，外由PVC管4約束。由雷 管1起爆并實(shí)施爆炸壓實(shí)后，用電火花加工切割掉內(nèi)、外管并將鋼墊分離，獲得4塊直徑為 24mm、高度為8. 7mm的試樣。
實(shí)施例2 非晶粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，內(nèi)管6內(nèi)徑為26mm、外徑為30mm，外管7內(nèi)徑為40mm、
外徑45mm，內(nèi)、外管間距5mm，設(shè)置2層鋼墊8，直徑25. 6mm，高10mm，炸藥3厚度為48mm，其
余采用與實(shí)施例1相同的條件，獲得3塊直徑為23. 8mm，高度為8. 6mm的試樣。 對(duì)壓實(shí)件進(jìn)行的X射線衍射(XRD)，測(cè)試結(jié)果表明復(fù)合材料中非晶增強(qiáng)體在爆炸
壓實(shí)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生晶化(如圖2所示)；如圖3所示為非晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、30%的
非晶顆粒增強(qiáng)A1基復(fù)合材料掃描電鏡(SEM)照片，觀察表明非晶增強(qiáng)體均勻地分布在A1
基體中。
權(quán)利要求
一種非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓實(shí)制備方法，其特征在于作為增強(qiáng)相的非晶粉末與鋁基體粉末均勻混合后裝在內(nèi)管(6)中，在內(nèi)管(6)外設(shè)置有間隔的外管(7)，內(nèi)管(6)和外管(7)上端設(shè)置錐形的PVC端塞(2)以調(diào)整波形，內(nèi)管(6)和外管(7)下端封閉，外管(7)被炸藥包覆，在頂部中心由雷管(1)起爆，采用點(diǎn)起爆方式，炸藥(3)起爆后，在外管(7)側(cè)壁發(fā)生滑移爆轟，驅(qū)動(dòng)外管(7)作為飛行管打擊內(nèi)管(6)，將混合粉末(5)壓實(shí)在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓實(shí)制備方法，其特征 在于非晶粉末占混合粉末的質(zhì)量比為5 30%，混合粉末的孔隙率為30-40%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓實(shí)制備方法，其特征 在于內(nèi)、外管為同心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，間隔距離為2 5mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓實(shí)制備方法，其特征 在于內(nèi)管內(nèi)設(shè)置鋼墊(8)對(duì)混合粉末(5)進(jìn)行分層壓實(shí)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓實(shí)制備方法，其特征 在于鋼墊(8)厚度為5-10mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓實(shí)制備方法，其特征 在于內(nèi)管(6)和外管(7)的下端通過(guò)下端塞(9)密封并固定連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料雙管爆炸壓實(shí)制備方法，作為增強(qiáng)相的非晶粉末與鋁基體粉末均勻混合后裝在鋼質(zhì)內(nèi)管中，在內(nèi)管外設(shè)置有間隙的鋼制外管，內(nèi)管和外管上端設(shè)置錐形的PVC端塞以調(diào)整波形，內(nèi)管和外管下端封閉，外管外包覆炸藥，在頂部中心由雷管起爆，采用點(diǎn)起爆方式，炸藥起爆后，在外管側(cè)壁發(fā)生滑移爆轟，驅(qū)動(dòng)外管打擊內(nèi)管，將粉末壓實(shí)在一起，除去內(nèi)、外管，可得塊體非晶顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明可有效阻止炸藥爆炸產(chǎn)生的熱量作用于混合粉末，可有效降低粉末的整體溫升，從而可保持增強(qiáng)相非晶顆粒的非平衡態(tài)特征；可根據(jù)需要在內(nèi)管里設(shè)置鋼墊層數(shù)一次性獲得所需數(shù)目的塊體復(fù)合材料；成本低廉。
文檔編號(hào)B22F3/08GK101745639SQ20081023577
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者孫宇新, 張曉立, 杭逸夫, 王金相, 榮光, 葛偉 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)