粉末爆炸成形

粉末爆炸成形主讲人：颜晗概述1爆炸成形的方法与装置2金属爆炸成形的机理3分析与讨论4概述金属粉末爆炸成形属于非钢模成形法，它利用炸药爆炸时产生的瞬间冲击波的高温、高压，作用于金属粉末中，使颗粒间距离缩短。爆炸成形由于在瞬间完成，所以组成相之间几乎没有扩散，而且晶粒来不及长大。金属粉末爆炸成形工艺具有高温、高压、瞬间作用的特点，炸药爆炸后在极短的时间内（几微秒）产生的冲击压力可达106MPa，这样大的压力可直接用于压制超硬粉末材料和生产一般压力机无法压制的大型预成型件。爆炸成形工艺优点能压制各种粉末组合，而没有组成相之间的相互作用可在低于一般烧结温度下进行热压实，使压实件具有超细晶粒结构或非平衡结构等可在室温下进行压实，压实密度接近理论密度应用：爆炸成形工艺是制取新型非平衡材料、高温陶瓷材料、纳米材料以及复合材料等最具有吸引力和最富有潜力的工艺，为新材料的制备提供了广阔的应用前景。爆炸成形的方法与装置爆炸成形装置间接加压式直接加压式间接式爆炸装置是将炸药和被压实粉末用硬质金属模具分开，其装置有平面飞片装置、单柱塞装置以及柱状双活塞装置。间接法一般具有工艺参数容易控制、产品质量较高等优点；但它需要复杂的装置，成本较高，并仅能制备简单的小尺寸试样，具有一定局限性。直接式爆炸装置中的炸药与金属粉末不用模具隔开,其常见装置为柱状压实装置。盛装粉末的容器周围被炸药覆盖，在圆柱顶端是锥形物，爆轰从顶部开始，并产生自上而下的过程。此装置简单，成本较低，可产生大于2.2KN的力；且圆柱筒可无限加长，所以足以产生尺寸较大的试样。缺点是产生的收缩波不均匀，工艺参数难以精确控制。早期的爆炸装置设计金属爆炸成形的机理金属粉末或非金属粉末在极短的时间内经受巨大作用，将改变粉末通常固有的特性，如粉末体一般压制时所呈现的弹塑性。爆炸压制的特点是爆炸时产生的压力极高，施于粉末体上的压力速度极快，而且不可用一般压形理论来解释。伦诺(C.R.A.Lennon)等人为了摸索爆炸压制机理，利用直接式爆炸成形装置压制铁、镍、铜、铝金属粉末，研究了不同的冲击能量(压力)与压坯密度的变化关系，比较了铁粉的爆炸压制与等静压制时的行为，确定了爆炸压制机理即能量与压坯密度的关系式:)ΔDexp(-βEDDγTc式中β,γ—粉末特性常数;E—单位体积粉末的压制能;DT—粉末材料的理论密度;Dc—压坯的密度;△D=DT一DI;DI—原始粉末的松装密度由上式得双对数方程:由此得到lgE与关系曲线，即能量与致密化(密度)线性关系对数图，如图中铝粉、铜粉、铁粉、镍粉的爆炸能量与致密化关系曲线。进一步还可以求出金属粉末的特性常数β和γ值。γlgElgβ)DDΔDln(lgCT)DDΔDln(lgCT分析与讨论1.金属粉末颗粒间的机械作用2.化合物的合成与爆炸参数确定1.金属粉末颗粒间的机械作用在爆炸压制过程中，粉末颗粒受到冲击压力作用发生塑性变形。假设粉末颗粒为球形，金属颗粒接触前、后模型如图所示。由图知，在弹塑性变形过程中:式中σ---颗粒界面的局部应力;K---强度系数;n---硬度指数;ε---真应变,l是应变后的长度,l0是原始长度。又：)1(Kεσn0logllεrhrεlog针对单个颗粒的变形如图所示。图中颖粒在承受局部压力时接触界面被看作圆形，半径为r1，局部接触面积为S,又:21Srsrh22r502.πsrhr)2(loglog502rπsrrhrε.nKεσ)3(1/nkσε由(2),(3)得由于接触界面被看做圆面:作用在球形颗粒径向上的力为:)(log5021力方向相反符号表示应变方向与受rπsrkσ./nn.rπsrKσ502logSFσn.rπsrSKF502log根据球形颗粒r、h以及金属粉末强度系数K,硬化指数，可以计算颗粒受压界面局部应力:球形颗粒体积变化百分率:SFσ%100)(%1002)(232rhrrrhrη2.化合物的合成与爆炸参数确定冲击波通过粉体材料依次遇到颗粒和空隙，冲击波在粉末中传播时呈现非平面性的形状，激发颗粒间相对运动，若爆炸速度较高，金属粉末会局部发生熔融，形成再结晶颗粒区域。在爆炸压制时压力和速度是不连续的，这同样会激发颗粒间发生摩擦，产生的潜热会使颗粒间实现摩擦焊。研究表明为获得最佳压制效果，应以E/M值为主要参数，其中E是炸药的质量;M是待压金属粉末的质量E/M偏大会使粉末过压，E/M偏小则粉末压坯压制不完全。爆轰压力与爆轰速度和密度的关系:)4(41120200DDSP式中ρ0—结晶炸药的密度;ρS—在反应区的炸药的密度，其值约为结晶炸药的密度的1/4由试验得出的爆轰速度的平方(压制压力)和E/M值的关系曲线可知，爆轰速度(压制压力)越大，所需得E/M值越小;而且所选炸药必须具有能观察到的最大密度值的爆轰速度，如图所示。对于在多种金属粉末的研究中，得出的E/M-νD2曲线和相对密度-νD2曲线的形状都是相似的。最大密度的值高、低取决于待压制材料的种类。