可洩壓式爆炸燒結納米鋁棒的裝置及方法與流程
2023-09-18 08:47:05
本發明涉及粉末爆炸燒結裝置，具體涉及一種可洩壓式爆炸燒結納米鋁棒的裝置。
背景技術：
爆炸燒結納米合金粉末是利用炸藥爆轟產生的激波作用於粉末表面，在極短的時間內在顆粒表面發生高溫熱熔、高壓燒結成型的一種材料加工技術。與傳統的熱壓燒結和熱等靜壓燒結等方法相比，爆炸燒結納米合金粉末有著其獨特的優點。(1)具備高壓性，可以燒結出近乎密實的材料。目前有關非晶鈷基合金、微晶鋁及其合金的燒結密度已超過99％的理論密度；(2)具備快熔快冷性，有利於保持粉末的優異特性。由於激波加載的瞬時性，爆炸燒結時顆粒從常溫升至熔點溫度所需的時間極短，通常為微秒級，這使溫升僅限於顆粒表面，而顆粒內部仍然保持低溫狀態，形成「燒結」後將對界面起冷卻「淬火」作用，這種機制可以防止晶粒「長大」，使其具有晶粒小，分布均勻的物理特性，因此可以保持其在納米顆粒狀態下材料的優異特性，如較高的強度、硬度、磁學性能和耐腐蝕性等。
目前，陳鵬萬，周強等人在專利號為201210096266.1的發明專利中公開了一種分體式高溫預熱粉體爆炸燒結裝置，主要通過高溫預熱方式去除粉末中氣體這一方式，但裝置在預熱過程中，粉末顆粒可能發生團聚現象，對材料的晶粒結構，力學性能具有很大的影響。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種可洩壓式爆炸燒結納米鋁棒的裝置及方法，該裝置及方法可以製備微觀結構為納米級的高強度鋁棒。
為實現本發明的目的提供技術方案如下：
一種可洩壓式納米鋁棒爆炸燒結的裝置及方法，該裝置包括上端堵頭、包套、打擊管、外套管、洩壓片和基座；上端堵頭、包套、打擊管和基座相互緊密配合，形成柱狀密閉容器，包套和打擊管之間存在間隙，外套管和打擊管之間的間隙用來盛裝炸藥，外套管頂部中心位置固定傳爆藥柱和雷管，其特徵在於，該裝置的基座上設有洩壓結構，其中，基座的頂部中心設有用於壓縮粉末中氣體的凹槽，且基座頂部依次設有洩壓片、墊片；此外，上端堵頭的頂端設置為傳爆過程中用於穩壓的錐形結構。
進一步的，包套、打擊管、上端堵頭及基座為45#鋼，外套管為pvc工程塑料。
本發明的燒結納米鋁棒的方法具體步驟如下：
(a)組裝好包套，打擊管和基座，與納米鋁粉及上端堵頭一起放入充滿保護氣氛的密閉手套箱內；
(b)在包套內均勻加入納米鋁粉，壓實，並蓋上上端堵頭；
(c)從手套箱內取出燒結裝置；
(d)將燒結裝置與外套管組裝好，並在其中加入低爆速炸藥；
(e)啟動雷管觸發藥柱起爆低爆速炸藥，打擊管在爆炸力作用下打擊包套，壓實納米鋁粉，獲得納米鋁棒；
(f)切割打擊管和包套，獲得所需的納米鋁棒。
進一步的，步驟(b)中，鋁粉填裝密實度達到40％-60％。
進一步的，步驟(d)中所述的藥層厚度l4為13.5mm。
本發明中採用的低爆速炸藥為粉狀銨梯炸藥，且裝藥密度為0.9g/cm3。該粉狀銨梯炸藥的粒徑在1～2μm之間。
本發明中的鋁粉顆粒的尺寸在60～140nm之間，燒結後的鋁棒的晶粒尺寸主要集中在60～500nm之間，有極少部分晶粒團聚成大顆粒。
本發明與現有技術相比，其顯著優點：
(1)本發明的產物為晶粒尺寸達到納米級的鋁棒，粒徑分布較窄。
(2)本發明採用爆炸燒結技術，一次成型，工業簡單，可以實現工業化生產。
(3)本發明使用的驅動炸藥為銨梯炸藥，價格便宜，來源廣泛。
(4)本發明使用的堵頭、包套和打擊管結構簡單，採用普通不鏽鋼材即可，價格
便宜同時加工方便。
附圖說明
圖1是本發明可洩壓式納米鋁棒爆炸燒結的裝置的結構示意圖；
圖2是本發明中納米鋁粉的sem圖；
圖3是本發明中納米鋁粉的粒徑分布圖；
圖4是本發明中燒結棒產物的實物圖；
圖5是本發明中燒結棒產物的金相顯微鏡圖像；
圖6是發明中燒結棒產物的掃描電鏡圖。
其中，1、雷管；2、傳爆藥柱；3、低爆速炸藥；4、上端堵頭；5、打擊管；6、包套；7、納米鋁粉；8、外套管；9、洩壓片；10、墊片；11、凹槽；12、基座。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
本發明是通過以下裝置來實現：
一種可洩壓式納米鋁棒爆炸燒結的裝置，該裝置包括上端堵頭4、包套6、打擊管5、外套管8、洩壓片9和基座12；上端堵頭4、包套6、打擊管5和基座12相互緊密配合，形成柱狀密閉容器，包套6和打擊管5之間存在間隙，基座中心有用於壓縮粉末中氣體的凹槽11，外套管8和打擊管5之間的間隙用來盛裝炸藥，外套管頂部中心位置固定傳爆藥柱2和雷管1。基座12上設有洩壓結構，其中，基座12的頂部中心設有用於壓縮粉末中氣體的凹槽11，且基座12頂部依次設有洩壓片9、墊片10；此外，上端堵頭4的頂端設置為傳爆過程中用於穩壓的錐形結構
其中，上端堵頭4由一個圓錐和兩個圓柱體構成，分別為傾角×直徑尺寸為：45°×45mm，直徑×高尺寸為：41×10mm及直徑×高尺寸為：26×10mm的圓柱體；包套6的外徑×厚度×高尺寸為：30×2×160mm；打擊管5的外徑×厚度×高尺寸為：45×2×180mm；洩壓片9的直徑×厚度尺寸為：26×0.2mm；開孔墊片10的外徑×內徑×厚度尺寸為：26×2×1mm；基座12由兩個圓柱體構成，直徑×高尺寸為：26×10mm及直徑×高尺寸為41×10mm；基座12中的凹槽11的直徑×高尺寸為：10×13mm；外套管8的外徑×厚度×高尺寸為：75×1.5×220mm。
上端堵頭4頂部為錐形，以便使爆轟波沿著軸向穩定傳播，包套6為盛裝納米鋁粉7的容器，打擊管5為包套6外的一層鋼管，用來傳遞爆轟波的軸向傳播，而打擊管5與包套6的間隙則起到緩衝爆轟波，使其穩定傳播的作用，外套管8與打擊管5之間存放炸藥，底部的基座12用來固定包套6和打擊管5，同時隔絕空氣，基座12中心開空心凹槽12，上端存在開孔墊片和薄鐵片，雷管1和藥柱2固定在裝置頂端。採用低爆速炸藥4驅動擠壓打擊管5，衝擊包套6，形成穩定的軸向衝擊波擠壓摩擦納米鋁粉7，使其燒結成具有納米結構的鋁棒，基座12上的洩壓片9在受到壓實過程中粉末顆粒間的氣體衝擊時破裂，通過墊片10的中心孔傳遞到基座的凹槽12內，形成高壓氣體，可以有效防止中心孔的產生以及粉末的拋灑。
實施例
本發明採用納米鋁粉7的平均粒度為100nm，採用的低爆速炸藥3為粉狀銨梯炸藥，其粒徑為1.5μm，按照如下步驟進行製備納米鋁棒
(a)組裝好包套6，打擊管5和基座12，與納米鋁粉7及上端堵頭4一起放入充滿保護氣氛的密閉手套箱內；
(b)在包套6內均勻加入100g納米鋁粉7，壓實，鋁粉填裝密實度達到40％-60％，並蓋上上端堵頭4；
(c)從手套箱內取出爆炸燒結裝置；
(d)將爆炸燒結裝置與外套管8組裝，並在外套管8管內加入低爆速炸藥3，裝藥密度為0.9g/cm3；
(e)啟動雷管1觸發藥柱2起爆低爆速炸藥3，打擊管5在爆炸力作用下打擊包套6，壓實納米鋁粉7，獲得納米鋁棒；
(f)切割打擊管5和包套6，獲得所需的納米鋁棒。
本實施例製得的納米鋁棒的實物如圖4所示，納米鋁棒的維氏硬度為120kgf/mm2，其硬度達到了傳統工業製備鋁棒硬度的4倍以上，如圖5所示，可以看出製得的納米鋁棒的微觀結構均勻，如圖6所示，製得納米鋁棒的粒徑均在200nm以內，緻密度較高。