專利名稱：爆炸制備金屬材料表面納米層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平面或任意曲面金屬材料表面納米層制備方法，特別是提供了一種利用炸藥作為能源的在金屬表面自生納米層的方法。
背景技術(shù)：
納米晶體材料是由小于IOOnm晶粒組成的單項或多項晶體材料，由于晶粒極其細小，界面密度高，當晶粒尺寸小到幾個納米時，界面密度可達1019/cm2。因此納米晶體材料又可視為納米晶粒和晶界兩種組元構(gòu)成的“界面材料”。由于納米晶體材料這種有別于常規(guī)多晶體材料和非晶態(tài)固體材料的獨特結(jié)構(gòu)特征，表面納米化后的金屬材料具有特殊的表面力學、物理、及其化學特性，在工業(yè)領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價值。由于常用工業(yè)金屬材料在服役期間，材料的破壞和失效一般均始于表面，如磨損、 腐蝕、疲勞斷裂等，因此材料表面結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接影響工程金屬材料的綜合性能指標。 將常規(guī)工程金屬材料表面制備出納米結(jié)構(gòu)層，可大大提高工程金屬材料綜合性能及服役能力。目前，在塊狀粗晶材料上獲得納米結(jié)構(gòu)表層的基本方式主要有三種表面涂層或沉積、表面自身納米化；混合納米化方式。①表面涂層和沉積制備的材料主要特征是，納米結(jié)構(gòu)表層的晶粒大小比較均勻，表層與基體之間存在著明顯的界面，外形尺寸與處理前相比有所增加，納米層極易脫落；②表面自身納米化的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大，納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒有明顯的界面，處理前后外形尺寸基本不變，納米層不易脫落。③混合納米化技術(shù)是將表面納米化技術(shù)與化學處理相結(jié)合，在納米結(jié)構(gòu)表面層形成時或形成后對材料進行化學處理，在材料表層獲得與基體化學成分不同的固溶體或化合物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種通過應(yīng)用炸藥爆炸能量進行材料表面自身納米化制備方法。主要原理是通過炸藥產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷作用下使平面或曲面材料表面與剛性基座發(fā)生高速撞擊而一次引入大量高速率強烈塑性變形，瞬間使整塊材料表層產(chǎn)生大量位錯、孿晶、層錯和剪切帶等內(nèi)部缺陷，獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度納米結(jié)構(gòu)層，納米層不脫落。此方法制備的納米結(jié)構(gòu)層具有面積大、層厚大、表面光潔、制備效率高、處理前后材料尺寸基本不變等特點，且制備過程快捷、高效，易于材料表面納米化的工業(yè)應(yīng)用。本發(fā)明提供了爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層方法，其主要特征在于以炸藥的化學能為能源，通過金屬材料表面與剛性基座的強烈撞擊過程完成金屬材料表面納米層的制備，其中，炸藥爆炸所引發(fā)的材料撞擊過程可以將炸藥化學能有效轉(zhuǎn)化為材料表面制備納米層所需強烈塑性變形能，該方法可以包括如下步驟(1)所述平面或曲面金屬材料具有上下表面或內(nèi)外表面，將待處理的金屬材料通過支撐物設(shè)置在剛性基座上端或內(nèi)端或外端，使所述金屬材料的下表面朝向所述剛性基座的上表面或所述金屬材料的外表面朝向所述剛性基座的內(nèi)表面或所述金屬材料的內(nèi)表面朝向所述剛性基座的外表面，并且所述金屬材料的下表面與所述剛性基座的上表面、或所述金屬材料的外表面與所述剛性基座的內(nèi)表面、或所述金屬材料的內(nèi)表面與所述剛性基座的外表面間保持一定間隙；(2)在所述的待處理的平面或曲面金屬材料的上表面或內(nèi)外表面設(shè)置炸藥層，所述炸藥層的使用量為達到碰撞壓力在IOGPa以上；(3)起爆炸藥，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷作用于平面或曲面材料上表面或內(nèi)外表面，利用材料與基座間的間隙使材料加速并獲得大于600m/s的速度與剛性基座進行高速撞擊，從而誘發(fā)平面或曲面材料撞擊表面產(chǎn)生納米層。在上述方法中，由于炸藥能量巨大，以及爆炸過程的瞬時性使平面或曲面金屬材料表面在高應(yīng)變速率條件下產(chǎn)生強烈塑性變形，并且可以通過對炸藥層厚度的控制來實現(xiàn)對塑性變形能的有效控制，所以這種能量形式與控制范圍是其他能量形式所無法比擬的； 材料與基座間隙值是根據(jù)材料厚度與炸藥層厚度的不同進行具體確定，一般材料與基座間隙值為8>0.2(5偉)，其中δ為材料厚度、h為粉狀乳化炸藥層厚度；在上述方法中，材料與基座的間隙是材料獲得爆炸沖擊載荷后進行加速飛行的距離，在炸藥爆速與炸藥層厚度一定條件下，材料與基座間的間隙決定著材料與基座的碰撞速度，但過大的間隙值會改變材料加速過程的飛行姿態(tài)，影響材料與基座的碰撞效果；炸藥的爆速是反映炸藥能量釋放時間長短的重要參數(shù)，炸藥的爆速越高則材料獲得的初始運動速度越大，材料通過間隙加速后與基座表面的碰撞速度越高；對于一定的材料而言，炸藥層厚度大小是反映材料可能獲得爆炸沖擊載荷的大小，一般情況下，材料獲得較大的沖擊載荷時，則與基座的碰撞速度與壓力值都會增大，撞擊點的壓力優(yōu)選應(yīng)大于材料表面強度極限Ob的4倍以上，一般而言，碰撞點壓力在IOGPa以上即可滿足上述要求?？傮w而言，材料表面與基座表面碰撞點的壓力與速度是誘發(fā)金屬材料表面納米化的兩個基本要素，缺一不可。僅有壓力沒有速度則為靜壓，材料表面沒有高速率應(yīng)變特征， 無法實現(xiàn)表面納米化；僅有速度沒有壓力不會使材料表面產(chǎn)生強烈塑性變形，無法誘發(fā)材料表面納米化。本發(fā)明人經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整炸藥爆速、炸藥層厚度和材料與基座間隙，使材料加速并獲得大于600m/s的速度與剛性基座進行高速撞擊，并使得撞擊點壓力在IOGPa以上，既能夠?qū)崿F(xiàn)各類常規(guī)金屬材料表面的納米化。在上述方法中，為了獲得所需要的碰撞速度和保證碰撞效果，一般炸藥的爆速優(yōu)選大于^OOm/s，材料與基座間隙優(yōu)選在1. 0 30mm之間。在上述方法中，為了獲得較厚納米層，可以實施第二次或多次爆炸。在上述方法中，還可以對平面或曲面材料的上下表面或內(nèi)外表面均實施爆炸撞擊過程，實現(xiàn)所述平面或曲面金屬材料雙面納米層的制備。在上述方法中，所述爆炸撞擊過程可以在非真空或真空條件下進行。當所述炸藥爆速小于所述金屬材料的聲速，可以直接在非真空條件下實施所述爆炸撞擊過程。而當炸藥爆速大于材料聲速時，材料與基座間隙中的空氣難以在起爆瞬間及時排出，極易在材料與基座間形成空氣壓縮墊，阻隔應(yīng)力波的傳播，影響材料表面納米層的制備厚度與質(zhì)量，此時爆炸撞擊過程優(yōu)選在真空條件下進行，所述真空條件可以是在起爆前將材料與基座間隙內(nèi)空氣抽空，真空度在35mm汞柱以內(nèi)。上述方法中的支撐物可以為與待處理的金屬材料材質(zhì)相同的細金屬絲構(gòu)成的支撐釘，其在爆炸前為所述金屬材料提供臨時性的支撐和約束，使得金屬材料和剛性基座間保持所需的間隙；而在起爆炸藥后，爆炸的沖擊載荷能夠使得所述金屬材料克服該支撐物的約束，撞擊剛性基座。所述基座優(yōu)選為為高合金鋼材質(zhì)的剛性基座，且表面硬度優(yōu)選在HRC50 65之間，基座表面光潔。并可以通過熱處理來改善基座材質(zhì)的沖擊韌性，使其能夠耐受更多次的爆炸沖擊。所述基座的表面可以為平面，也可以為任意曲面，其表面形狀與所述待處理的金屬材料的表面的形狀保持一致。例如，當待處理的金屬材料的下表面為凸面時，所述基座的上表面為對應(yīng)形狀的凹面，使得撞擊時，基座的上表面與待處理的金屬材料的下表面良好的貼合。根據(jù)待處理的金屬材料的表面形狀，而選擇具有相應(yīng)表面形狀的基座，使得本發(fā)明可對各種平面或任意曲面形狀的金屬材料的內(nèi)外表面進行處理。本發(fā)明提供了爆炸制備金屬材料表面納米層方法，所述炸藥為常用工業(yè)炸藥，作業(yè)環(huán)境滿足金屬爆炸焊接相同條件，作業(yè)過程執(zhí)行國家《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定。本發(fā)明是通過炸藥產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷作用使平面或曲面材料表面與剛性基座發(fā)生高速撞擊而一次引入大量高速率強烈塑性變形，瞬間使整件平面或曲面材料表層形成大量位錯、孿晶、層錯和剪切帶等內(nèi)部缺陷，獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度納米結(jié)構(gòu)層。此方法制備的納米結(jié)構(gòu)層具有面積大、層厚大、表面光潔、制備效率高、處理前后材料尺寸基本不變等特點。本發(fā)明的實質(zhì)是將爆炸沖擊載荷與材料表面納米化進行有機結(jié)合，利用炸藥爆炸的巨大能量以及爆炸的瞬時性，一次實現(xiàn)整塊材料全部表面納米層的制備。本發(fā)明將待處理平面或曲面金屬材料置于剛性基座上端或內(nèi)外端，而剛性基座固定保持不動，可以利用已有的吊裝設(shè)備完成金屬材料的安放和移離，適于工業(yè)化的作業(yè)生產(chǎn)，并且可以適用于任何形狀、尺寸和面積的金屬材料的表面納米化制備，尤其便于實現(xiàn)大面積平板金屬材料的一次性整體制備；此外，本發(fā)明中的剛性基座還可以設(shè)置在金屬成型設(shè)備的下游，實現(xiàn)金屬材料成型、表面納米化處理的連續(xù)化生產(chǎn)。本發(fā)明在常規(guī)金屬材料中的應(yīng)用，將大大提高工程材料的力學、物理、化學性能， 具有廣闊的工程應(yīng)用前景。


圖1為爆炸制備金屬材料表面納米層方法的裝置及原理示意圖；附圖2為有色金屬材料PDT銅板表面納米層制備前退火態(tài)原始組織金相顯微照片；附圖3為PDT銅板表面經(jīng)過納米化制備后的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察縱剖面不同深度的變形層的照片；附圖4為PDT銅板表面經(jīng)過納米化制備后距表面約10 μ m處的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像及相應(yīng)選區(qū)電子衍射納米多晶環(huán)圖像。附圖5為PDT銅板表面經(jīng)過納米化制備后沿厚度方向的顯微硬度分布曲線；
附圖6為鋼鐵材料45鋼表面經(jīng)過納米化制備后距表面約10 μ m處的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像；附圖7為45鋼表面經(jīng)過納米化制備后距表面約10 μ m處的選區(qū)電子衍射納米多晶環(huán)圖像。
具體實施例方式實施例1 裝置及原理如圖1所示，樣品為一塊有色金屬的純銅板(PDT)作為目標材料(即飛板)，用細銅絲作為支撐釘將銅板支撐在5CrMnM0合金鋼鍛制的剛性基座之上，剛性基座的熱處理硬度為HRC60，銅板厚度為12mm，支撐釘高度為10mm，銅板上面敷設(shè)1. 6cm厚的粉狀乳化炸藥層(該炸藥的爆速為3800m/s)，當起爆炸藥后，整塊銅板將以640m/s速度向剛性基座表面撞擊，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷作用使銅板克服細支撐釘?shù)募s束，以下表面與剛性基座發(fā)生高速撞擊，碰撞點壓力為10. 6GPa，從而使銅板下表面在撞擊過程中一次引入大量高速率強烈塑性變形，瞬間使整塊銅板下表層形成大量位錯、孿晶、層錯和剪切帶等內(nèi)部缺陷，獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度納米結(jié)構(gòu)層。檢測結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。當高爆速炸藥爆炸時，材料與基座間空氣難以在瞬間排出，所形成的高壓氣墊直接阻礙材料與基座的撞擊效果，此時上述操作應(yīng)在密閉爆炸容器中的真空條件下進行。其操作步驟為①進行材料、基座、炸藥及雷管的系統(tǒng)安裝；②將安裝好的系統(tǒng)放入爆炸容器中；③封閉爆炸容器，啟動真空泵抽空容器中的空氣，保證材料與基座間真空度在35mm汞柱以內(nèi)；④起爆炸藥；⑤打開真空容器，取出材料與基座。其他操作方法如上所述。實施例2 裝置及原理如圖1所示，樣品為一塊鋼鐵材料的45鋼作為目標材料(即圖示中飛板)，用細鋼絲作為支撐釘將45鋼板支撐在5CrMnM0合金鋼鍛制的剛性基座之上，剛性基座的熱處理硬度為HRC60，45鋼板厚度為22mm，支撐釘高度為25mm，45鋼板上面敷設(shè)4. 6cm 厚的粉狀乳化炸藥層(該炸藥的爆速為3800m/s)，當起爆炸藥后，整塊45鋼板將以640m/ s速度向剛性基座表面撞擊，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷作用使45鋼板克服支撐釘?shù)募s束，以下表面與剛性基座發(fā)生高速撞擊，碰撞點壓力為10. 6GPa，從而使45鋼板下表面在撞擊過程中一次引入大量高速率強烈塑性變形，瞬間使整塊45鋼板下表層形成大量位錯、孿晶、層錯和剪切帶等內(nèi)部缺陷，獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度納米結(jié)構(gòu)層。檢測結(jié)果如圖6、圖7所示。實施例3 樣品為純銅空心半球作為目標材料?；鶠?CrMnM0合金鋼制的剛性空心半球狀，其內(nèi)球面朝上。用細銅絲作為支撐釘將純銅空心半球支撐在基座內(nèi)部，純銅空心半球的內(nèi)球面朝下，使得純銅空心半球的外球面朝向剛性空心半球基座的內(nèi)球面。剛性基座的熱處理硬度為HRC60，純銅空心半球的厚度為12mm，支撐釘高度為10mm，純銅空心半球的內(nèi)球面上敷設(shè)1. 6cm厚的粉狀乳化炸藥層(該炸藥的爆速為3800m/s)，當起爆炸藥后，整個純銅空心半球?qū)⒁?40m/s速度向剛性基座表面撞擊，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷作用使純銅空心半球克服細支撐釘?shù)募s束，以外球面與剛性基座發(fā)生高速撞擊，碰撞點壓力為
10. 6GPa，從而使純銅空心半球的外球面在撞擊過程中一次引入大量高速率強烈塑性變形， 瞬間使整個外球面表層形成大量位錯、孿晶、層錯和剪切帶等內(nèi)部缺陷，獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度納米結(jié)構(gòu)層。實施例4 樣品為45鋼空心半球作為目標材料?；鶠?CrMnMo合金鋼制的空心半球狀，其外球面朝上。用細鋼絲作為支撐釘將45鋼空心半球支撐在基座外部，45鋼空心半球的內(nèi)球面朝下，使得45鋼空心半球的內(nèi)球面朝向剛性基座的外球面。剛性基座的熱處理硬度為 HRC60，45鋼空心半球厚度為22mm，支撐釘高度為25mm，45鋼空心半球的外球面敷設(shè)4. 6cm 厚的粉狀乳化炸藥層(該炸藥的爆速為3800m/s)，當起爆炸藥后，整個45鋼空心半球?qū)⒁?640m/s速度向剛性基座表面撞擊，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊載荷作用使45鋼空心半球克服支撐釘?shù)募s束，以內(nèi)球面與剛性基座發(fā)生高速撞擊，碰撞點壓力為10. 6GPa，從而使45鋼空心半球內(nèi)球面在撞擊過程中一次引入大量高速率強烈塑性變形，瞬間使45鋼空心半球內(nèi)球面表層形成大量位錯、孿晶、層錯和剪切帶等內(nèi)部缺陷，獲得表面為納米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度納米結(jié)構(gòu)層。
權(quán)利要求
1.爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層的方法，其特征在于，通過金屬材料表面與剛性基座表面的爆炸撞擊過程完成金屬材料表面納米層的制備，其包括如下步驟(1)所述金屬材料具有上表面和下表面或內(nèi)外表面，將待處理的金屬材料通過支撐物設(shè)置在剛性基座上端或內(nèi)端或外端，使所述金屬材料的下表面朝向所述剛性基座的上表面或所述金屬材料的外表面朝向所述剛性基座的內(nèi)表面或所述金屬材料的內(nèi)表面朝向所述剛性基座的外表面，并且所述金屬材料的下表面與所述剛性基座的上表面、或所述金屬材料的外表面與所述剛性基座的內(nèi)表面、或所述金屬材料的內(nèi)表面與所述剛性基座的外表面間保持一定間隙；(2)在所述的待處理的金屬材料的上表面或外表面或內(nèi)表面設(shè)置炸藥層，以炸藥為能源，所述炸藥的使用量為達到碰撞點壓力在IOGPa以上；(3)起爆炸藥，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷作用于材料上表面或外表面或內(nèi)表面，利用材料與基座間的間隙使材料加速，使材料獲得大于600m/s的速度與剛性基座進行高速撞擊，從而誘發(fā)材料撞擊表面產(chǎn)生納米層。
2.按權(quán)利要求1所述的爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層的方法，其特征在于所述炸藥為爆速大于1800m/s的工業(yè)炸藥。
3.按權(quán)利要求1或2所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層的方法，其特征在于所述金屬材料與基座間的間隙值在1. 0 30mm之間。
4.按權(quán)利要求1或2所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層的方法，其特征在于對所述金屬材料實施一次或多次爆炸撞擊過程來完成平面或曲面表面納米層的制備。
5.按權(quán)利要求1或2所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層方法，在對所述金屬材料的上下表面或內(nèi)外表面均實施爆炸撞擊過程，實現(xiàn)所述平面或曲面金屬材料雙面納米層的制備。
6.按權(quán)利要求1或2所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層的方法，其特征在于當炸藥爆速小于材料聲速時在非真空條件下進行所述爆炸撞擊過程；當炸藥爆速大于材料聲速時在真空條件下進行所述爆炸撞擊過程。
7.按權(quán)利要求6所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層的方法，所述在真空條件下進行為將所述金屬材料與基座間空氣抽空后再起爆炸藥，其真空度在35mm汞柱以內(nèi)。
8.按權(quán)利要求1或2所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層方法，其特征在于所述基座形狀可為平面或任意曲面，其材質(zhì)為高合金鋼的剛性基座，且表面硬度在 HRC50 65之間，基座表面光潔。
9.按權(quán)利要求8所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層方法，其特征在于所述基座經(jīng)過進一步熱處理來提高其沖擊韌性。
10.按權(quán)利要求1或2所述爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層方法，其特征在于所述基座的表面為平面或曲面；并且與所述待處理的平面或曲面金屬材料的表面形狀相對應(yīng)，使得爆炸撞擊時基座表面與待處理的金屬材料表面實現(xiàn)良好的貼合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種爆炸制備平面或任意曲面金屬材料表面納米層的方法，其特征在于以炸藥為能源，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷作用于材料背面，使材料獲得大于600m/s的速度與剛性基座進行撞擊，其撞擊點壓力大于10GPa，從而誘發(fā)與基座撞擊的金屬材料表面產(chǎn)生納米層。本發(fā)明具有生產(chǎn)裝置簡單、制備效率高、制備面積大、易于工業(yè)化應(yīng)用等特點，并且生成的納米層不易脫落，從而實現(xiàn)提高工程金屬材料表面性能的目的。
文檔編號B82Y40/00GK102392123SQ201110304518
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者佟姝婕, 佟錚, 史志銘 申請人:佟錚