[发明专利]分体式高温预热粉体爆炸烧结装置

说明书

技术领域

本发明涉及高温预热粉体爆炸烧结装置，具体涉及一种分体式高温预热粉体爆炸烧结装置。

背景技术

爆炸烧结也称爆炸固结，是利用炸药爆炸或飞片打击所产生的冲击波通过金属或陶瓷粉末时，使相邻粉末颗粒之间产生粘结，从而形成致密块体的技术。该技术具有快熔快冷性，瞬时高温高压以及高应变率的特点，是制备平衡非平衡态材料的有效方法，被应用于纳米结构材料、非晶材料、超硬材料及难烧结粉末材料等领域。

对于W、Mo、Ti等难熔金属以及陶瓷粉末来说，由于其高熔点、高脆性的自然特性，在采用常温爆炸固结工艺时，为了提高致密度，往往采用提高冲击压力的方法，但是，同时容易在制备的样品中产生严重的裂纹。因此，在降低冲击波压力前提下，对待烧结粉末进行高温预热可以制备高致密度、无裂纹、性能优良的难熔金属或陶瓷复合材料。预热粉体爆炸烧结技术成为近年来研究的主导方向，其中电加热、自蔓延高温合成(SHS)反应升温等加热技术的应用最为广泛。

1)电加热法

电加热法是利用电流通过高电阻电炉丝时产生的焦耳热对待烧结粉末进行高温预热的方法。Gorobtsov和Roman将冲击波作用与生坯快速升温技术相结合，采用高温爆炸固结(HEC)工艺固结钨重合金等难熔材料。粉体在电加热炉中预热后，在安装雷管的同时打开加热炉盖，将炸药沿导轨滑到盛有预热粉体的容器上面。移动粉体到起爆炸药的时间控制在20秒内。试验表明采用高于材料再结晶温度的HEC法可获得全密度压坯。Akashi等的专利披露了一种具有多个样品盒的爆炸固结装置。该装置与外部加热炉结合在一起，当加热装置将整个钢制爆炸固结装置的温度升高后，将爆炸容器滑到固结装置上遥控起爆。日本Kumamoto大学Hokamoto等研制了一种高温预热粉体水下冲击波聚能爆炸固结装置，该工艺的聚能效应提高了最大冲击压力，且其冲击波持续作用时间要比Sawaoka和Akashi的飞片加载爆炸固结工艺长得多。粉末在保护气氛的条件下进行加热，粉末预热结束后，通过与油-气转换器相连的两个气缸将加热炉下降，冲击波加载组件随之放置到粉末组件上，炸药在其下部接触预热粉体组件的瞬间起爆，该装置被用于金刚石粉末和c-BN粉末的爆炸固结实验。M.A.Meyers等应用柱面加载装置药量均布的原理设计了平面波爆炸固结装置。该装置的长方形样品盒左右对称并置，其间放置金属垫板作为吸收反射波的捕能陷。两组飞片对称布置将炸药的能量传输给样品盒。用线性平面波发生器(排列空孔的三角形药柱)在装置顶部起爆炸药，滑移爆轰波向下传播，在中间的金属垫板上对撞，避免了样品盒的破坏。当要求的爆炸压力较低时，该装置可不用飞片，此时炸药直接与样品盒接触。该装置还适用于难固结粉末的预热爆炸固结，以改善粉末基体的延展性，样品盒在电炉中预热后，沿爆炸装置上部的导向板滑入。

电加热法的优点是可以精确控制预热温度，但是，电加热法普遍需要外置电炉，使得整个系统结构复杂，且由于电加热法加热时间较长，对于细晶粒粉末容易导致晶粒长大而失去原有性质。

2)自蔓延高温合成(SHS)反应放热加热法

自蔓延高温合成(SHS)反应放热加热法即利用SHS反应放热体系作为热源对待烧结粉末进行高温预热。Kecskes的5996385号美国专利结合Niiler等人的两步法与Takeda、Akashi等人的化学加热炉。采用自蔓延反应体系Ti+C作为热源，将自蔓延反应粉末包裹于待烧结粉末外，经电点火方式引燃后，通过自持反应放热，对待烧结粉末进行预热。该法可以制备理论密度90％以上的高纯钨与钨基合金。陈鹏万等人的专利(专利号：2007101632278)涉及一种自蔓延预热粉体水介质双向爆炸固结装置，用于制备高密度难固结金属(或陶瓷)复合材料及其功能梯度材料。该装置采用对称布置的形式，在两个对称布置的样品盒中间布置自蔓延反应粉末，再点燃后对待烧结粉体预热至预定温度后，由两个对称布置的平面波发生器双向起爆的产生的平面爆轰波引爆高能主炸药，并利用水介质传递平面爆炸冲击波、从而实现对粉末的双向爆炸固结，制备了相对密度达95.5％的Mo/Cu FGM和相对密度达96.05％的W(Mo)/Cu FGM。

自蔓延高温合成(SHS)反应放热加热法的主要优点是：放热量大、反应迅速和可实现原位加热。由于该方法不需要外置热源，通过原位化学反应放热对粉体进行预热，因此，该方法对炸药的安全隔热要求较高，同时，由于需要在炸药和粉体之间放置多层隔热材料，导致冲击波传播情况复杂，不利于工艺参数的精确控制。

发明内容