內(nèi)嵌式鎢銅粉末爆炸復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的研究

陳 艷，馬宏昊,2，楊 明

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026)

爆炸復(fù)合技術(shù)是一種通過(guò)炸藥爆炸產(chǎn)生高能爆轟波以形成強(qiáng)大沖擊力，從而使金屬與金屬產(chǎn)生高速撞擊，在撞擊部位的表面出現(xiàn)高壓、高溫狀態(tài)，使金屬表面氧化層瞬間熔化；同時(shí)在爆轟波的沖擊作用下，阻礙接合的物質(zhì)呈噴射排出，并在達(dá)到清潔撞擊部位表面的同時(shí)，使兩種金屬的表面在極高的壓力下接合在一起，且在理論上能夠達(dá)到原子間結(jié)合力的技術(shù)[1-2]。爆炸復(fù)合材料綜合了兩種甚至多種金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)異的機(jī)械和加工性能。與其他復(fù)合技術(shù)相比，爆炸復(fù)合技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，不需要精細(xì)復(fù)雜的人工操作以及大型昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以爆炸復(fù)合材料成本低廉，發(fā)展前景好。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，目前爆炸復(fù)合技術(shù)幾乎能實(shí)現(xiàn)所有金屬間的接合，爆炸復(fù)合產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用十分廣泛，特別是在航空航天、化工、石油、軍事等領(lǐng)域有著十分重要的作用[3-5]。

傳統(tǒng)的爆炸復(fù)合技術(shù)進(jìn)行的都是不同金屬間板與板之間的結(jié)合，對(duì)于金屬粉末與金屬板材的結(jié)合(如涂層制備等很少使用該技術(shù))，現(xiàn)有技術(shù)主要有熱噴涂、冷噴涂、激光熔覆、化學(xué)沉積等[6-9]。但是，傳統(tǒng)的涂層制備技術(shù)均需要專門的儀器設(shè)備而且操作較為精細(xì)復(fù)雜，雖然近幾年有提出一些基于炸藥加載的爆炸噴涂方法制備涂層[10]，不需要專門的設(shè)備，但對(duì)物理性質(zhì)相差較大的金屬粉末和金屬板材料，很難制得較好的涂層，通常存在諸如結(jié)合強(qiáng)度低、結(jié)合界面有缺陷、涂層厚度小等問(wèn)題。

托克馬克核聚變裝置的內(nèi)壁材料主要由兩部分組成：面對(duì)等離子體材料和熱沉材料。面對(duì)等離子體材料直接接觸等離子體，其要求熔點(diǎn)高、抗濺射能力強(qiáng)等性能；熱沉材料主要用途是支撐面對(duì)等離子體材料和傳遞熱量，所以其要求有較好的高溫力學(xué)性能和傳熱能力。鎢是一種高熔點(diǎn)、高密度的金屬，其抗電蝕性、抗熔焊性和高溫強(qiáng)度好；銅具有高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率等特點(diǎn)，其延展性好，易于加工[11]。所以鎢和銅及其合金是目前作為托克馬克內(nèi)壁材料最理想的組合。

W-Cu復(fù)合材料最大的優(yōu)點(diǎn)是其在各種性能上均可以呈現(xiàn)出鎢和銅這兩種金屬的本征物理性能，即兼具鎢的高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹特征和銅的高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電性能[12]，正是因?yàn)檫@些顯著的優(yōu)點(diǎn)，該類材料被廣泛應(yīng)用于航天航空、冶金機(jī)械、電子電力、軍事、民用器材等行業(yè)[13-14]，W-Cu復(fù)合材料一直是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[15-16]。

內(nèi)嵌式粉末爆炸復(fù)合技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)爆炸復(fù)合技術(shù)和爆炸燒結(jié)技術(shù)，利用了爆炸復(fù)合和爆炸噴涂的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的特點(diǎn)主要是通過(guò)在板內(nèi)部開錯(cuò)位圓孔(開孔形狀經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最終選擇圓孔，圓孔對(duì)消除反射稀疏波的拉伸作用能達(dá)到最好的效果，可以很好的避免結(jié)合界面附近出現(xiàn)層狀裂紋)，盡量密實(shí)裝填粉末并對(duì)其進(jìn)行全約束密封，粉末與板直接接觸。根據(jù)應(yīng)力波理論，這樣能弱化爆轟波在自由面反射產(chǎn)生的稀疏波，減小對(duì)材料結(jié)合的負(fù)面影響，通過(guò)爆轟波傳播產(chǎn)生的強(qiáng)壓，使開孔內(nèi)粉末爆炸燒結(jié)得到壓實(shí)的同時(shí)與板緊密結(jié)合在一起，形成內(nèi)嵌式的粉板復(fù)合材料，方便不同需求的后期加工和處理。

1 粉末爆炸燒結(jié)機(jī)制—表面熔化結(jié)合機(jī)制

金屬粉末的爆炸燒結(jié)，最重要的特征是沖擊波瞬間掠過(guò)，作用時(shí)間極短，沖擊波的能量大部分沉積在粉末顆粒的表面形成極薄熔化層，并且粉末顆粒表面產(chǎn)生有規(guī)律的、嚴(yán)重的變形。因此，粉末顆粒表面與內(nèi)部有非常大的溫度差，沖擊波掠過(guò)后，粉末顆粒自身便是一個(gè)強(qiáng)大的冷卻體，使得粉末體系冷卻過(guò)程中，顆粒表面極薄的熔化層驟冷，顆粒與顆粒之間便通過(guò)該金屬熔化層冷卻形成的晶粒接合在一起。由于沖擊波的作用，粉末顆粒被絕熱壓縮，顆粒與顆粒之間相互碰撞，產(chǎn)生摩擦，同時(shí)顆粒還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的形變，因此整個(gè)粉末體系的內(nèi)能得到極大的增加。相對(duì)于金屬粉末顆粒被壓實(shí)所做的功而言，體系熱能增加是相當(dāng)主要的一部分，又因?yàn)檎麄€(gè)爆炸燒結(jié)過(guò)程時(shí)間極短，粉末體系內(nèi)部來(lái)不及進(jìn)行熱傳導(dǎo)，故所有熱能的增加幾乎全部沉積在顆粒表面，造成顆粒表面形成極薄的熔化層(大量實(shí)驗(yàn)表明，厚度僅微米左右)[17-19]。

建立粉末顆粒微元模型(見(jiàn)圖1)，用粉末顆粒表面沿著沖擊波方向的微質(zhì)點(diǎn)速度來(lái)說(shuō)明粉末顆粒產(chǎn)生嚴(yán)重且規(guī)律的變形問(wèn)題。在沖擊波作用下，粉末顆粒靠近沖擊波，表面處的微質(zhì)點(diǎn)1，以沖擊波前進(jìn)的速度v沿著沖擊波前進(jìn)的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)沖擊波傳播到粉末顆粒的背面時(shí)(見(jiàn)圖1微質(zhì)點(diǎn)2)，根據(jù)應(yīng)力波原理，由于粉末之間孔隙的存在(即微質(zhì)點(diǎn)2處存在一個(gè)自由面)，使沖擊波的壓力發(fā)生急劇變化，微質(zhì)點(diǎn)2將以2v的速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。即可理解為，在沿沖擊波的傳播方向上，粉末顆粒與孔隙接觸位置的微質(zhì)點(diǎn)兩端存在大小v的速度差，導(dǎo)致粉末顆粒極易向沿著沖擊波傳播方向的孔隙發(fā)生變形。

圖1 粉末顆粒表層不同部位的微質(zhì)點(diǎn)速度Fig.1 Micro-point velocity in different parts of the surface of powder particles

2 實(shí)驗(yàn)

金屬板采用T2紫銅，尺寸為80 mm×100 mm×14 mm，對(duì)銅板側(cè)面(100 mm×14 mm的面)開雙排錯(cuò)位為φ4 mm的圓孔，兩排孔中心距3 mm，單排孔兩開孔中心距7 mm，開孔上端距金屬板上表面2 mm，開孔下端距金屬板下表面5 mm(見(jiàn)圖2)。

1-雷管；2-炸藥；3-保護(hù)板1；4-銅板；5-圓孔；6-粉末；7-保護(hù)板2圖2 內(nèi)嵌式粉板爆炸復(fù)合裝置Fig.2 Setup of powder and board for embedded explosive cladding

金屬粉末采用純度大于99.9%的電解銅粉以及純度大于99.9%的結(jié)晶鎢粉，從粉末的掃描電鏡(Scanning Electron Microscope ,SEM)圖像(見(jiàn)圖3)可看出，銅粉和鎢粉的粒度均有3m和23m兩種。實(shí)驗(yàn)前，將開孔一端密封，從另一端將粉末逐步裝填進(jìn)開孔內(nèi)，一邊裝填一邊逐步壓實(shí)，排出粉末間隙空氣，盡量增大裝填密度，裝填完成后，將開孔另一端也密封。炸藥采用的是工業(yè)乳化炸藥，密度1.15 g/cm3，爆速約為4 750 m/s，裝藥厚度20 mm，炸藥用量200 g。按如圖2所示自下而上依次放置保護(hù)板2、銅板、保護(hù)板1、炸藥，采用雷管進(jìn)行邊緣起爆，則可以將開孔內(nèi)粉末通過(guò)爆炸燒結(jié)壓實(shí)的同時(shí)使其與銅板緊密結(jié)合。實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)粉末SEM圖像Fig.3 SEM images of experimental powder

表1 實(shí)驗(yàn)方案

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

爆炸復(fù)合后，采用阿基米德法測(cè)量樣品(粉末壓實(shí)部分)的密度，利用電子顯微鏡(SEM)觀察樣品斷面形貌、元素成分和分布情況，由維氏硬度計(jì)測(cè)量樣品的硬度。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果宏觀斷面

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)1、2樣品宏觀結(jié)果類似，實(shí)驗(yàn)3、4宏觀結(jié)果類似，所以僅分析實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3的樣品宏觀斷面(見(jiàn)圖4)。從宏觀上來(lái)看，開孔內(nèi)粉末經(jīng)爆炸復(fù)合后得到壓實(shí)并與銅板結(jié)合在一起，實(shí)驗(yàn)3(添加10%銅粉)的壓實(shí)效果更好。實(shí)驗(yàn)前的圓孔經(jīng)過(guò)爆炸復(fù)合后幾乎呈半圓形狀，這是因?yàn)榭拷杂擅?銅板的上、下表面)的部分，只受到來(lái)自于爆轟波的強(qiáng)壓作用，而兩排孔的交錯(cuò)部分，不僅受到爆轟波的強(qiáng)壓，還受到孔與孔之間的互相擠壓，以及在相對(duì)孔壁上的反射波作用，圓弧無(wú)法向自由面發(fā)展，進(jìn)而被壓縮成近似的平面，這正好符合本實(shí)驗(yàn)想通過(guò)開孔內(nèi)嵌式爆炸復(fù)合得到類似于直接在表面爆炸復(fù)合的層狀結(jié)果。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品斷面Fig.4 Section view of experimental sample

內(nèi)嵌式爆炸復(fù)合方法主要是利用爆轟波產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力對(duì)粉末進(jìn)行壓實(shí)，以及銅板自身對(duì)粉末進(jìn)行包裹式的自約束，不僅有垂直方向爆轟波的強(qiáng)大壓力，還有開孔間隙的銅受壓后因?yàn)椴此尚?yīng)對(duì)水平方向產(chǎn)生的擠壓效果，雖然該效果與爆轟波的強(qiáng)壓相比較小，但仍對(duì)粉末進(jìn)行了很大的物理約束，這也是前期探索性實(shí)驗(yàn)對(duì)開孔形狀設(shè)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)。在裝填粉末時(shí)盡量密實(shí)，主要是盡量排出空氣。根據(jù)應(yīng)力波理論，應(yīng)力波(本文中的爆轟波)在自由界面反射的稀疏波會(huì)產(chǎn)生拉伸作用，所以當(dāng)空氣越少時(shí)，這種稀疏波的影響就越小，這也是難以直接在銅板表面進(jìn)行爆炸復(fù)合的原因。

3.2 粉末壓實(shí)部分的密度

對(duì)爆炸復(fù)合后的樣品，取粉末壓實(shí)部分做試件，采用阿基米德法測(cè)量試件的密度，4種實(shí)驗(yàn)方案得到的壓實(shí)密度和理論壓實(shí)密度如表2所示。密實(shí)銅的密度為8.9 g/cm3，密實(shí)鎢的密度為19.3 g/cm3。

表2 實(shí)驗(yàn)壓實(shí)密度和理論壓實(shí)密度

由表2可以看出，4種實(shí)驗(yàn)方案的壓實(shí)比都能達(dá)到90%以上，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)方法對(duì)粉末的壓實(shí)效果較好，特別是實(shí)驗(yàn)方案3中，壓實(shí)比達(dá)到96.0%，接近密實(shí)材料的密度。從4種實(shí)驗(yàn)方案的對(duì)比可以看出，23m的粉末比3m的粉末得到的壓實(shí)密度更大，添加10%的銅粉后，得到的壓實(shí)密度更大。由粉末爆炸燒結(jié)表面結(jié)合機(jī)制可知，爆炸燒結(jié)是通過(guò)內(nèi)能轉(zhuǎn)化成熱能，在粉末顆粒表面形成極薄的熔化層，急冷后粉末顆粒之間結(jié)合在一起。同樣密度、同種配比的粉末其內(nèi)能一定時(shí)，粒徑大的粉末顆粒其表面積較小，沉積在單位面積上的熱能較大，其熔化層效果以及燒結(jié)質(zhì)量會(huì)更好。在難熔的鎢粉中添加銅粉，銅粉熔點(diǎn)低，起黏合作用，所以燒結(jié)質(zhì)量更好，有銅粉做過(guò)渡，界面處的結(jié)合效果也變得更好。

3.3 斷面形貌和微觀特性以及元素分析

用SEM觀察了4個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品的結(jié)合界面微觀形貌，對(duì)實(shí)驗(yàn)1、2樣品進(jìn)行了線掃描元素分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)3、4樣品的粉末壓實(shí)層進(jìn)行面掃描能譜分析(見(jiàn)圖5)。

圖5 結(jié)合界面微觀形貌SEM圖像和能譜分析Fig.5 SEM and EDS images at the interfaces

由4幅SEM圖像可以看出，實(shí)驗(yàn)1的粉末壓實(shí)層有部分孔隙，結(jié)合界面附近也存在少許孔隙；實(shí)驗(yàn)2的粉末壓實(shí)層有較多孔隙，且孔隙的尺寸較大，結(jié)合界面附近也存在孔隙；實(shí)驗(yàn)3的粉末壓實(shí)層孔隙少，且孔隙尺寸小，結(jié)合界面附近幾乎沒(méi)有孔隙，結(jié)合界面比較理想；實(shí)驗(yàn)4的粉末壓實(shí)層孔隙較少，孔隙尺寸較小，結(jié)合界面附近幾乎沒(méi)有孔隙，結(jié)合界面比較理想。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用23m和3m兩種不同粒度的粉末，前者的粉末壓實(shí)層孔隙度更小且孔隙的尺寸更小；添加10%的銅粉后，粉末壓實(shí)層的孔隙度變小且孔隙的尺寸也變小，同時(shí)，結(jié)合界面附近幾乎沒(méi)有孔隙，界面結(jié)合更加規(guī)則理想。

從純鎢粉實(shí)驗(yàn)條件下結(jié)合界面的線掃描(見(jiàn)圖5a～圖5b)可以看出，界面處沒(méi)有過(guò)渡層，即熔化層。由添加銅粉實(shí)驗(yàn)條件下粉末壓實(shí)層的面掃描元素分析(見(jiàn)圖5e～圖5f)可以看出，銅粉分布較為均勻，內(nèi)部孔隙少，鎢銅質(zhì)量比保持在9∶1左右(圖5e中Cu為11.33%，圖5f中Cu為11.19%)。

3.4 粉末壓實(shí)部分的硬度

用維氏顯微硬度計(jì)對(duì)粉末壓實(shí)部分進(jìn)行了硬度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)力值0.200 kgf，荷載持續(xù)時(shí)間15 s，測(cè)點(diǎn)間距200m，每組實(shí)驗(yàn)樣品測(cè)試5組數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 粉末壓實(shí)部分硬度

4 結(jié)論及展望

1)內(nèi)嵌式爆炸復(fù)合方法可以簡(jiǎn)單、快捷制備出W-Cu粉板復(fù)合材料。

2)經(jīng)過(guò)爆炸復(fù)合后，2排圓孔變成互相對(duì)面的半圓，這對(duì)層狀復(fù)合材料的加工非常便捷。

3)結(jié)合界面沒(méi)有元素過(guò)渡層。

4)在鎢粉中添加10%的銅粉和采用較大粒徑的粉末(23m與3m相比較)，均能減小結(jié)合界面和粉末壓實(shí)層的孔隙率以及孔隙尺寸，增加粉末壓實(shí)率，提高復(fù)合材料的均勻致密性。

5)添加10%的銅粉后，粉末壓實(shí)層的硬度有所降低，23m粒度的比3m粒度的硬度降低更多。

本研究的初衷是能制備出鎢粉與銅板的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹苯釉阢~板表面進(jìn)行鎢粉的復(fù)合，難度太大，效果不好，故設(shè)計(jì)出該內(nèi)嵌式W-Cu粉板爆炸復(fù)合的方法，希望通過(guò)爆轟波強(qiáng)大的沖擊作用,使孔與孔之間的間隙受到剪切作用被破壞，達(dá)到相鄰孔內(nèi)鎢粉結(jié)合在一起，形成鎢層的結(jié)構(gòu)。由圓孔已變?yōu)榘雸A可以看出，該想法是有成功的可能性的。但因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)仍在嘗試和探索過(guò)程，孔的尺寸、孔的間隙尺寸、鎢粉的裝填密度以及炸藥的各種參數(shù)都是影響該實(shí)驗(yàn)效果的因素，故后期的工作會(huì)對(duì)各種因素做相應(yīng)調(diào)整以達(dá)到預(yù)期的理想效果，例如增大開孔尺寸、減小開孔間隙、粉末裝填抽真空等方法。