專利名稱：分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置，具體涉及一種分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置。
背景技術(shù)：
爆炸燒結(jié)也稱爆炸固結(jié)，是利用炸藥爆炸或飛片打擊所產(chǎn)生的沖擊波通過金屬或陶瓷粉末時，使相鄰粉末顆粒之間產(chǎn)生粘結(jié)，從而形成致密塊體的技術(shù)。該技術(shù)具有快熔快冷性，瞬時高溫高壓以及高應變率的特點，是制備平衡非平衡態(tài)材料的有效方法，被應用于納米結(jié)構(gòu)材料、非晶材料、超硬材料及難燒結(jié)粉末材料等領(lǐng)域。對于W、Mo、Ti等難熔金屬以及陶瓷粉末來說，由于其高熔點、高脆性的自然特性， 在采用常溫爆炸固結(jié)工藝時，為了提高致密度，往往采用提高沖擊壓力的方法，但是，同時容易在制備的樣品中產(chǎn)生嚴重的裂紋。因此，在降低沖擊波壓力前提下，對待燒結(jié)粉末進行高溫預熱可以制備高致密度、無裂紋、性能優(yōu)良的難熔金屬或陶瓷復合材料。預熱粉體爆炸燒結(jié)技術(shù)成為近年來研究的主導方向，其中電加熱、自蔓延高溫合成(SHS)反應升溫等加熱技術(shù)的應用最為廣泛。I)電加熱法電加熱法是利用電流通過高電阻電爐絲時產(chǎn)生的焦耳熱對待燒結(jié)粉末進行高溫預熱的方法。Gorobtsov和Roman將沖擊波作用與生還快速升溫技術(shù)相結(jié)合,采用高溫爆炸固結(jié)(HEC)工藝固結(jié)鎢重合金等難熔材料。粉體在電加熱爐中預熱后，在安裝雷管的同時打開加熱爐蓋，將炸藥沿導軌滑到盛有預熱粉體的容器上面。移動粉體到起爆炸藥的時間控制在20秒內(nèi)。試驗表明采用高于材料再結(jié)晶溫度的HEC法可獲得全密度壓坯。Akashi等的專利披露了一種具有多個樣品盒的爆炸固結(jié)裝置。該裝置與外部加熱爐結(jié)合在一起，當加熱裝置將整個鋼制爆炸固結(jié)裝置的溫度升高后，將爆炸容器滑到固結(jié)裝置上遙控起爆。 日本Kumamoto大學Hokamoto等研制了一種高溫預熱粉體水下沖擊波聚能爆炸固結(jié)裝置, 該工藝的聚能效應提高了最大沖擊壓力，且其沖擊波持續(xù)作用時間要比Sawaoka和Akashi 的飛片加載爆炸固結(jié)工藝長得多。粉末在保護氣氛的條件下進行加熱，粉末預熱結(jié)束后， 通過與油-氣轉(zhuǎn)換器相連的兩個氣缸將加熱爐下降，沖擊波加載組件隨之放置到粉末組件上，炸藥在其下部接觸預熱粉體組件的瞬間起爆，該裝置被用于金剛石粉末和C-BN粉末的爆炸固結(jié)實驗。M. A. Meyers等應用柱面加載裝置藥量均布的原理設計了平面波爆炸固結(jié)裝置。該裝置的長方形樣品盒左右對稱并置，其間放置金屬墊板作為吸收反射波的捕能陷。 兩組飛片對稱布置將炸藥的能量傳輸給樣品盒。用線性平面波發(fā)生器(排列空孔的三角形藥柱)在裝置頂部起爆炸藥，滑移爆轟波向下傳播，在中間的金屬墊板上對撞，避免了樣品盒的破壞。當要求的爆炸壓力較低時，該裝置可不用飛片，此時炸藥直接與樣品盒接觸。該裝置還適用于難固結(jié)粉末的預熱爆炸固結(jié)，以改善粉末基體的延展性，樣品盒在電爐中預熱后，沿爆炸裝置上部的導向板滑入。電加熱法的優(yōu)點是可以精確控制預熱溫度，但是，電加熱法普遍需要外置電爐，使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，且由于電加熱法加熱時間較長，對于細晶粒粉末容易導致晶粒長大而失去原有性質(zhì)。2)自蔓延高溫合成(SHS)反應放熱加熱法自蔓延高溫合成(SHS)反應放熱加熱法即利用SHS反應放熱體系作為熱源對待燒結(jié)粉末進行高溫預熱。Kecskes的5996385號美國專利結(jié)合Niiler等人的兩步法與 Takeda、Akashi等人的化學加熱爐。采用自蔓延反應體系Ti+C作為熱源,將自蔓延反應粉末包裹于待燒結(jié)粉末外，經(jīng)電點火方式引燃后，通過自持反應放熱，對待燒結(jié)粉末進行預熱。該法可以制備理論密度90%以上的高純鎢與鎢基合金。陳鵬萬等人的專利(專利號 2007101632278)涉及一種自蔓延預熱粉體水介質(zhì)雙向爆炸固結(jié)裝置，用于制備高密度難固結(jié)金屬(或陶瓷)復合材料及其功能梯度材料。該裝置采用對稱布置的形式，在兩個對稱布置的樣品盒中間布置自蔓延反應粉末，再點燃后對待燒結(jié)粉體預熱至預定溫度后，由兩個對稱布置的平面波發(fā)生器雙向起爆的產(chǎn)生的平面爆轟波引爆高能主炸藥，并利用水介質(zhì)傳遞平面爆炸沖擊波、從而實現(xiàn)對粉末的雙向爆炸固結(jié)，制備了相對密度達95. 5 %的Mo/Cu FGM和相對密度達96. 05 %的W (Mo) /Cu FGM。自蔓延高溫合成(SHS)反應放熱加熱法的主要優(yōu)點是放熱量大、反應迅速和可實現(xiàn)原位加熱。由于該方法不需要外置熱源，通過原位化學反應放熱對粉體進行預熱，因此，該方法對炸藥的安全隔熱要求較高，同時，由于需要在炸藥和粉體之間放置多層隔熱材料，導致沖擊波傳播情況復雜，不利于工藝參數(shù)的精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置，選用化學加熱或電加熱方法對待燒結(jié)粉體預熱，燒結(jié)效果好，可精確控制工藝參數(shù)。本發(fā)明的分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置包括沖擊波加載組件、可控分體組件和樣品高溫回收組件，所述沖擊波加載組件用于生成爆炸沖擊波，所述樣品高溫回收組件用于承載和預熱待燒結(jié)粉體；所述可控分體組件將所述沖擊波加載組件鎖止于所述樣品高溫回收組件上方，以使所述沖擊波加載組件和所述樣品高溫回收組件之間以空氣隔離，所述可控分體組件被觸發(fā)后釋放所述沖擊波加載組件，以使所述沖擊波加載組件與所述樣品高溫回收組件相接觸。有益效果本發(fā)明提供的分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置利用可控分體組件實現(xiàn)對沖擊波加載組件的鎖止和釋放，無需對炸藥進行隔熱處理，通過調(diào)整水介質(zhì)高度、主炸藥量及炸藥類型可精確調(diào)節(jié)爆炸沖擊壓力與沖擊波持續(xù)作用時間，通過選用化學加熱方法或電加熱方法，將待燒結(jié)粉體預熱到1000°c以上，并可根據(jù)燒結(jié)條件確定最佳起爆時間。


圖I為分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置實物圖。圖2為分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為可控分體機構(gòu)動作示意圖。圖4為爆炸燒結(jié)樣品實物圖。其中，I-電雷管，2-導軌，3-傳爆藥柱，4-連接塊，5-炸藥，6-鋼托，7-電磁閥，8-彈簧，9-連桿，10-約束端蓋，11-長柄，12-側(cè)向動量塊，13-指示燈開關(guān)，14-待燒結(jié)粉體，15-樣品盒，16-加熱單元，17-樣品盒墊塊，18-加熱容器，19-底部動量塊，20-固定平臺。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。本發(fā)明提供了一種分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置，包括沖擊波加載組件、可控分體組件和樣品高溫回收組件，圖I為本發(fā)明的裝置實物圖，上方的沖擊波加載組件用于生成爆炸沖擊波，下方的樣品高溫回收組件用于承載和預熱待燒結(jié)粉體，在側(cè)的可控分體組件將沖擊波加載組件鎖止于樣品高溫回收組件上方，使得沖擊波加載組件和樣品高溫回收組件之間以空氣隔離，當可控分體組件被觸發(fā)后可釋放沖擊波加載組件，使得沖擊波加載組件與樣品高溫回收組件相接觸。圖2為該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，沖擊波加載組件由炸藥5爆炸產(chǎn)生沖擊波。樣品高溫回收組件中盛放有預熱到既定溫度的待燒結(jié)粉體?？煽胤煮w組件包括鋼托6、導軌2、連接塊4、電磁閥7、長柄11、連桿9和固定平臺20。鋼托6兩側(cè)有突出的外沿，外沿通過連接塊4可滑動地安裝在導軌2上，使得鋼托6可上下移動；電磁閥7固定在固定平臺20上，固定平臺20固定在導軌上，當電磁閥7的電源接通后，可使長柄11瞬間向上運動(如圖3所示)；連桿9呈折型(如圖3實施例為型)，其一端與長柄11下端鉸接，中部以旋轉(zhuǎn)軸固定在固定平臺20上，另一端為自由端。需要鎖止時，自由端以絆搭方式將鋼托6的外沿托住，則鋼托6被鎖止；需要釋放時，接通電磁閥7的電源，則長柄11瞬間向上運動，帶動連桿9轉(zhuǎn)動，使得自由端脫離鋼托的外沿，鋼托得以釋放下落。其中，電磁閥7選自市購，由電路控制；導軌2為直徑6mm的鋼制導軌。在某實施例中，沖擊波加載組件包括炸藥單元，炸藥單元包括電雷管I、傳爆藥柱
3、炸藥盒和炸藥5，炸藥5的類型(如硝基甲烷、TNT,8701炸藥、B炸藥等)和炸藥的質(zhì)量 (如O 500g)根據(jù)具體實驗條件選取。在某實施例中，可控分體組件中的鋼托6具有一凹槽，凹槽內(nèi)為可傳遞爆炸沖擊波的介質(zhì)，如水介質(zhì)，配套的有機玻璃封蓋密封于凹槽開口處，將介質(zhì)和炸藥隔開。在某實施例中，樣品高溫回收組件包括底部動量塊19、側(cè)向動量塊12、加樣品盒 15和熱單元16。底部動量塊19和側(cè)向動量塊12均為鋼制，用于消除沖擊波反射形成的稀疏波，其中側(cè)向動量塊12為上下開口的中空結(jié)構(gòu)，底部以底部動量塊19密封，上部開口以放置加熱單元16 ;樣品盒15放置在加熱單元16中部；待燒結(jié)粉體14通過壓機壓制于樣品盒15內(nèi)，形成有一定初始密度的粉坯；加熱單元16根據(jù)需要采取化學加熱和電加熱兩種方法對待燒結(jié)粉末進行預熱。樣品盒15由304不銹鋼加工而成，外徑30mm，內(nèi)徑22mm，并可按需要放置樣品盒墊塊17。此外，還可在加熱單元16外部配置加熱容器18，在加熱單元16 上部配置約束端蓋10，均為鋼制，以提高爆炸燒結(jié)效果。安裝時，將沖擊波加載組件、可控分體組件和樣品高溫回收組件分別安裝好，再將導軌2焊接在樣品高溫回收組件上，如圖2實施例焊接于側(cè)向動量塊12上；此時，沿導軌2 移動鋼托6至適當位置(距樣品高溫回收組件約5 60_)，再將連桿9的自由端以絆搭方式托住鋼托6的外沿，從而將鋼托6鎖止在當前位置，然后將沖擊波加載組件固定于鋼托上；對于樣品高溫回收組件，將待燒結(jié)粉體14置于樣品盒15中，樣品盒15外側(cè)為加熱單元 16、加熱容器18、側(cè)向動量塊12和底部動量塊19。安裝時可在接觸部位涂抹黃油或凡士林以確保接觸良好。使用時，以加熱單元16對待燒結(jié)粉體14進行預熱，達到既定溫度后，接通電磁閥7 的電源，則長柄11向上方運動，帶動連桿9轉(zhuǎn)動(圖3實施例為逆時針轉(zhuǎn)動)，則連桿9的自由端脫離鋼托6的外沿，鋼托6連同沖擊波加載組件一起釋放下落，跌落在樣品高溫回收組件上。此時引爆炸藥5，形成的爆炸沖擊波經(jīng)鋼托、介質(zhì)和約束端蓋10傳壓至待燒結(jié)粉體 14，對其進行爆炸燒結(jié)。進一步地，在導軌2下端套裝彈簧8，根據(jù)沖擊波加載組件的質(zhì)量選用不同強度的彈簧，一方面在沖擊波加載組件下落時起緩沖作用，確保下落后猛烈撞擊時炸藥5不會灑出或傾覆，另一方面確保在沖擊波加載組件穩(wěn)定后，鋼托6和約束端蓋10相接觸。進一步地，在側(cè)向動量塊12上安裝指示燈開關(guān)13，當沖擊波加載組件下落撞擊樣品高溫回收組件后可觸發(fā)指示燈開關(guān)13，指示燈開關(guān)13連接外部的指示燈，指示燈亮起時提示此時可以引爆炸藥5。利用本發(fā)明的裝置可進行如下制備過程實驗I、W90-CU10混合粉末自蔓延預熱典型溫升實驗利用化學加熱方法，采用(Ti02+Al+C) (Fe203+Al)自蔓延混合體系為加熱單元， 其中(Fe203+Al)體系按20%、30%與40%的比例混入。采用2個12伏(DGA-120)電瓶串聯(lián)組成強電流源，電點火鎢絲兩端通過電線夾與聚氯乙烯絕緣電線相連進而與電流源相連通。用直徑Olmm K型熱電偶測量粉體中心和邊緣處的溫升歷程。結(jié)果表明，經(jīng)歷約120s 后，粉體達到最高溫度，且達到等溫狀態(tài)，此后溫度開始緩慢下降，因此，最佳起爆時間應選為120s，預熱最高溫度可根據(jù)所用粉量進行調(diào)節(jié)，整個裝置在高溫下工作可靠。實驗2、W90-CU10混合粉末自蔓延預熱爆炸燒結(jié)實驗本實驗所用W粉純度大于99. 9 %，平均粒徑為2 ii m，Cu粉純度大于99 %，平均粒徑為2i!m，W粉與Cu粉按照質(zhì)量比9 I的比例混合，經(jīng)2小時的高能球磨后，得到混合均勻的初始粉末，然后用油壓機將初始粉末壓制于樣品盒中，形成厚壁管狀機壓自蔓延粉體， 厚度為16_，相對密度為60%。采用硝基甲烷液體炸藥(硝基甲烷密度I. 18g/cm3，爆壓
11.89GPa，爆速6300m/s，藥量200g)。采用與實驗I相同的化學加熱法，先將機壓自蔓延粉體放入加熱容器中，將用于點火的鎢絲通過加熱容器壁上的點火孔放入機壓自蔓延粉體上的預留孔中，倒入少許松散自蔓延粉末作為引燃劑，粉體預熱溫度最高770°C。結(jié)果表明，機壓自蔓延粉體經(jīng)預熱升溫爆炸燒結(jié)后，燒結(jié)質(zhì)量良好，致密化程度高，無明顯裂紋，具有較高的車削性能。本發(fā)明的裝置也可采用電加熱方式對粉體預熱，例如以螺線管電阻絲為加熱單元，繞在樣品盒周圍實施電加熱。圖4所示為利用本發(fā)明裝置得到的直徑cp22mm的W90/Cul0爆炸燒結(jié)樣品實物圖，其致密化程度較高，無明顯裂紋，車削性能好，表現(xiàn)了良好的燒結(jié)質(zhì)量。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置，其特征在于，包括沖擊波加載組件、可控分體組件和樣品高溫回收組件，所述沖擊波加載組件用于生成爆炸沖擊波，所述樣品高溫回收組件用于承載和預熱待燒結(jié)粉體；所述可控分體組件將所述沖擊波加載組件鎖止于所述樣品高溫回收組件上方，以使所述沖擊波加載組件和所述樣品高溫回收組件之間以空氣隔離，所述可控分體組件被觸發(fā)后釋放所述沖擊波加載組件，以使所述沖擊波加載組件與所述樣品高溫回收組件相接觸。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述可控分體組件包括鋼托(6)、導軌(2)、 連接塊(4)、電磁閥(7)、連桿(9)、長柄(11)和固定平臺(20);兩個所述導軌(2)相互平行垂向焊接在所述樣品高溫回收組件上，所述鋼托(6)兩側(cè)有突出的外沿，所述外沿通過連接塊(4)可滑動地安裝于導軌(2)上；所述固定平臺(20)固定于導軌上，電磁閥(7)固定在所述固定平臺(20)上，連桿(9)呈折型，其一端與長柄(11)下端鉸接，中部以旋轉(zhuǎn)軸固定在固定平臺(20)上，另一端為自由端；所述自由端可以絆搭方式將所述外沿托住，以將所述鋼托(6)鎖止；當電磁閥(7)的電源接通后可使長柄(11)瞬間向上運動，帶動所述連桿(9)轉(zhuǎn)動，以使所述自由端脫離所述外沿；所述沖擊波加載組件置于所述鋼托(6)上。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述鋼托(6)具有凹槽，并配有有機玻璃封蓋，所述有機玻璃封蓋密封在所述凹槽開口處，所述凹槽內(nèi)有可傳遞爆炸沖擊波的介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述可控分體組件進一步包括套裝于導軌(2)底部的彈簧(S)0
5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述樣品高溫回收組件包括底部動量塊(19)、側(cè)向動量塊(12)、加熱容器(18)，樣品盒(15)，加熱單元(16)和約束端蓋(10);所述側(cè)向動量塊(12)為圓筒結(jié)構(gòu)，其下方以所述底部動量塊(19)密封，所述加熱容器(18)具有凹槽，位于所述側(cè)向動量塊(12)的中空位置,所述加熱單元(16)位于所述凹槽中，所述加熱單元(16)為圓筒結(jié)構(gòu)，所述樣品盒(15)放置于所述加熱單元(16)的中空位置；所述約束端蓋(10)覆蓋于所述加熱容器(18)上方。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述側(cè)向動量塊(12)上端面裝有指示燈開關(guān)(13)，當所述沖擊波加載組件下落撞擊到所述樣品高溫回收組件后觸發(fā)指示燈開關(guān)(13)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分體式高溫預熱粉體爆炸燒結(jié)裝置，包括沖擊波加載組件、可控分體組件和樣品高溫回收組件，利用可控分體組件可實現(xiàn)對沖擊波加載組件的鎖止和釋放。使用本發(fā)明能夠通過調(diào)整實驗條件可精確調(diào)節(jié)爆炸沖擊壓力和沖擊波持續(xù)作用時間，可采用化學加熱方法或電加熱方法，待燒結(jié)粉體的預熱溫度最高可達1000℃以上，并可根據(jù)燒結(jié)條件通過多次實驗確定最佳起爆時間。
文檔編號B22F3/10GK102601361SQ20121009626
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者周強, 尹昊, 陳鵬萬, 高鑫 申請人:北京理工大學