內嵌式鎢銅粉末爆炸復合結構材料的研究

陳 艷，馬宏昊,2，楊 明

(1.中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，合肥 230026；2.中國科學技術大學中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

爆炸復合技術是一種通過炸藥爆炸產生高能爆轟波以形成強大沖擊力，從而使金屬與金屬產生高速撞擊，在撞擊部位的表面出現高壓、高溫狀態(tài)，使金屬表面氧化層瞬間熔化；同時在爆轟波的沖擊作用下，阻礙接合的物質呈噴射排出，并在達到清潔撞擊部位表面的同時，使兩種金屬的表面在極高的壓力下接合在一起，且在理論上能夠達到原子間結合力的技術[1-2]。爆炸復合材料綜合了兩種甚至多種金屬材料的優(yōu)點，具有優(yōu)異的機械和加工性能。與其他復合技術相比，爆炸復合技術工藝簡單，不需要精細復雜的人工操作以及大型昂貴的實驗設備，所以爆炸復合材料成本低廉，發(fā)展前景好。經過多年來的發(fā)展，目前爆炸復合技術幾乎能實現所有金屬間的接合，爆炸復合產品在工業(yè)生產中運用十分廣泛，特別是在航空航天、化工、石油、軍事等領域有著十分重要的作用[3-5]。

傳統(tǒng)的爆炸復合技術進行的都是不同金屬間板與板之間的結合，對于金屬粉末與金屬板材的結合(如涂層制備等很少使用該技術)，現有技術主要有熱噴涂、冷噴涂、激光熔覆、化學沉積等[6-9]。但是，傳統(tǒng)的涂層制備技術均需要專門的儀器設備而且操作較為精細復雜，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]，不需要專門的設備，但對物理性質相差較大的金屬粉末和金屬板材料，很難制得較好的涂層，通常存在諸如結合強度低、結合界面有缺陷、涂層厚度小等問題。

托克馬克核聚變裝置的內壁材料主要由兩部分組成：面對等離子體材料和熱沉材料。面對等離子體材料直接接觸等離子體，其要求熔點高、抗濺射能力強等性能；熱沉材料主要用途是支撐面對等離子體材料和傳遞熱量，所以其要求有較好的高溫力學性能和傳熱能力。鎢是一種高熔點、高密度的金屬，其抗電蝕性、抗熔焊性和高溫強度好；銅具有高熱導率、高電導率等特點，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壁材料最理想的組合。

W-Cu復合材料最大的優(yōu)點是其在各種性能上均可以呈現出鎢和銅這兩種金屬的本征物理性能，即兼具鎢的高強度、高硬度、低膨脹特征和銅的高導熱、高導電性能[12]，正是因為這些顯著的優(yōu)點，該類材料被廣泛應用于航天航空、冶金機械、電子電力、軍事、民用器材等行業(yè)[13-14]，W-Cu復合材料一直是近年來國內外研究的熱點[15-16]。

內嵌式粉末爆炸復合技術結合了傳統(tǒng)爆炸復合技術和爆炸燒結技術，利用了爆炸復合和爆炸噴涂的優(yōu)點。該技術的特點主要是通過在板內部開錯位圓孔(開孔形狀經過多次實驗設計最終選擇圓孔，圓孔對消除反射稀疏波的拉伸作用能達到最好的效果，可以很好的避免結合界面附近出現層狀裂紋)，盡量密實裝填粉末并對其進行全約束密封，粉末與板直接接觸。根據應力波理論，這樣能弱化爆轟波在自由面反射產生的稀疏波，減小對材料結合的負面影響，通過爆轟波傳播產生的強壓，使開孔內粉末爆炸燒結得到壓實的同時與板緊密結合在一起，形成內嵌式的粉板復合材料，方便不同需求的后期加工和處理。

1 粉末爆炸燒結機制—表面熔化結合機制

金屬粉末的爆炸燒結，最重要的特征是沖擊波瞬間掠過，作用時間極短，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生有規(guī)律的、嚴重的變形。因此，粉末顆粒表面與內部有非常大的溫度差，沖擊波掠過后，粉末顆粒自身便是一個強大的冷卻體，使得粉末體系冷卻過程中，顆粒表面極薄的熔化層驟冷，顆粒與顆粒之間便通過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，產生摩擦，同時顆粒還會產生嚴重的形變，因此整個粉末體系的內能得到極大的增加。相對于金屬粉末顆粒被壓實所做的功而言，體系熱能增加是相當主要的一部分，又因為整個爆炸燒結過程時間極短，粉末體系內部來不及進行熱傳導，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(大量實驗表明，厚度僅微米左右)[17-19]。

建立粉末顆粒微元模型(見圖1)，用粉末顆粒表面沿著沖擊波方向的微質點速度來說明粉末顆粒產生嚴重且規(guī)律的變形問題。在沖擊波作用下，粉末顆?？拷鼪_擊波，表面處的微質點1，以沖擊波前進的速度v沿著沖擊波前進的方向運動。當沖擊波傳播到粉末顆粒的背面時(見圖1微質點2)，根據應力波原理，由于粉末之間孔隙的存在(即微質點2處存在一個自由面)，使沖擊波的壓力發(fā)生急劇變化，微質點2將以2v的速度繼續(xù)向前運動。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點兩端存在大小v的速度差，導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點速度Fig.1 Micro-point velocity in different parts of the surface of powder particles

2 實驗

金屬板采用T2紫銅，尺寸為80 mm×100 mm×14 mm，對銅板側面(100 mm×14 mm的面)開雙排錯位為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(見圖2)。

1-雷管；2-炸藥；3-保護板1；4-銅板；5-圓孔；6-粉末；7-保護板2圖2 內嵌式粉板爆炸復合裝置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%的結晶鎢粉，從粉末的掃描電鏡(Scanning Electron Microscope ,SEM)圖像(見圖3)可看出，銅粉和鎢粉的粒度均有3m和23m兩種。實驗前，將開孔一端密封，從另一端將粉末逐步裝填進開孔內，一邊裝填一邊逐步壓實，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板2、銅板、保護板1、炸藥，采用雷管進行邊緣起爆，則可以將開孔內粉末通過爆炸燒結壓實的同時使其與銅板緊密結合。實驗方案如表1所示。

圖3 實驗粉末SEM圖像Fig.3 SEM images of experimental powder

表1 實驗方案

3 實驗結果及分析

爆炸復合后，采用阿基米德法測量樣品(粉末壓實部分)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，由維氏硬度計測量樣品的硬度。

3.1 實驗結果宏觀斷面

因為實驗1、2樣品宏觀結果類似，實驗3、4宏觀結果類似，所以僅分析實驗1和實驗3的樣品宏觀斷面(見圖4)。從宏觀上來看，開孔內粉末經爆炸復合后得到壓實并與銅板結合在一起，實驗3(添加10%銅粉)的壓實效果更好。實驗前的圓孔經過爆炸復合后幾乎呈半圓形狀，這是因為靠近自由面(銅板的上、下表面)的部分，只受到來自于爆轟波的強壓作用，而兩排孔的交錯部分，不僅受到爆轟波的強壓，還受到孔與孔之間的互相擠壓，以及在相對孔壁上的反射波作用，圓弧無法向自由面發(fā)展，進而被壓縮成近似的平面，這正好符合本實驗想通過開孔內嵌式爆炸復合得到類似于直接在表面爆炸復合的層狀結果。

圖4 實驗樣品斷面Fig.4 Section view of experimental sample

內嵌式爆炸復合方法主要是利用爆轟波產生的強大壓力對粉末進行壓實，以及銅板自身對粉末進行包裹式的自約束，不僅有垂直方向爆轟波的強大壓力，還有開孔間隙的銅受壓后因為泊松效應對水平方向產生的擠壓效果，雖然該效果與爆轟波的強壓相比較小，但仍對粉末進行了很大的物理約束，這也是前期探索性實驗對開孔形狀設計得出的經驗。在裝填粉末時盡量密實，主要是盡量排出空氣。根據應力波理論，應力波(本文中的爆轟波)在自由界面反射的稀疏波會產生拉伸作用，所以當空氣越少時，這種稀疏波的影響就越小，這也是難以直接在銅板表面進行爆炸復合的原因。

3.2 粉末壓實部分的密度

對爆炸復合后的樣品，取粉末壓實部分做試件，采用阿基米德法測量試件的密度，4種實驗方案得到的壓實密度和理論壓實密度如表2所示。密實銅的密度為8.9 g/cm3，密實鎢的密度為19.3 g/cm3。

表2 實驗壓實密度和理論壓實密度

由表2可以看出，4種實驗方案的壓實比都能達到90%以上，說明該實驗方法對粉末的壓實效果較好，特別是實驗方案3中，壓實比達到96.0%，接近密實材料的密度。從4種實驗方案的對比可以看出，23m的粉末比3m的粉末得到的壓實密度更大，添加10%的銅粉后，得到的壓實密度更大。由粉末爆炸燒結表面結合機制可知，爆炸燒結是通過內能轉化成熱能，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合在一起。同樣密度、同種配比的粉末其內能一定時，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質量會更好。在難熔的鎢粉中添加銅粉，銅粉熔點低，起黏合作用，所以燒結質量更好，有銅粉做過渡，界面處的結合效果也變得更好。

3.3 斷面形貌和微觀特性以及元素分析

用SEM觀察了4個實驗樣品的結合界面微觀形貌，對實驗1、2樣品進行了線掃描元素分析，對實驗3、4樣品的粉末壓實層進行面掃描能譜分析(見圖5)。

圖5 結合界面微觀形貌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，實驗1的粉末壓實層有部分孔隙，結合界面附近也存在少許孔隙；實驗2的粉末壓實層有較多孔隙，且孔隙的尺寸較大，結合界面附近也存在孔隙；實驗3的粉末壓實層孔隙少，且孔隙尺寸小，結合界面附近幾乎沒有孔隙，結合界面比較理想；實驗4的粉末壓實層孔隙較少，孔隙尺寸較小，結合界面附近幾乎沒有孔隙，結合界面比較理想。通過對比可以發(fā)現，使用23m和3m兩種不同粒度的粉末，前者的粉末壓實層孔隙度更小且孔隙的尺寸更?。惶砑?0%的銅粉后，粉末壓實層的孔隙度變小且孔隙的尺寸也變小，同時，結合界面附近幾乎沒有孔隙，界面結合更加規(guī)則理想。

從純鎢粉實驗條件下結合界面的線掃描(見圖5a～圖5b)可以看出，界面處沒有過渡層，即熔化層。由添加銅粉實驗條件下粉末壓實層的面掃描元素分析(見圖5e～圖5f)可以看出，銅粉分布較為均勻，內部孔隙少，鎢銅質量比保持在9∶1左右(圖5e中Cu為11.33%，圖5f中Cu為11.19%)。

3.4 粉末壓實部分的硬度

用維氏顯微硬度計對粉末壓實部分進行了硬度測試，實驗力值0.200 kgf，荷載持續(xù)時間15 s，測點間距200m，每組實驗樣品測試5組數據，測試結果如表3所示。

表3 粉末壓實部分硬度

4 結論及展望

1)內嵌式爆炸復合方法可以簡單、快捷制備出W-Cu粉板復合材料。

2)經過爆炸復合后，2排圓孔變成互相對面的半圓，這對層狀復合材料的加工非常便捷。

3)結合界面沒有元素過渡層。

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)，均能減小結合界面和粉末壓實層的孔隙率以及孔隙尺寸，增加粉末壓實率，提高復合材料的均勻致密性。

5)添加10%的銅粉后，粉末壓實層的硬度有所降低，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合結構，因為直接在銅板表面進行鎢粉的復合，難度太大，效果不好，故設計出該內嵌式W-Cu粉板爆炸復合的方法，希望通過爆轟波強大的沖擊作用,使孔與孔之間的間隙受到剪切作用被破壞，達到相鄰孔內鎢粉結合在一起，形成鎢層的結構。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。但因為該實驗設計仍在嘗試和探索過程，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都是影響該實驗效果的因素，故后期的工作會對各種因素做相應調整以達到預期的理想效果，例如增大開孔尺寸、減小開孔間隙、粉末裝填抽真空等方法。