爆炸燒結(jié)塊體鋁材力學(xué)性能受泄壓孔影響研究

王 梓，郭 聳，李晨晨，張 丹，解立峰，李 斌

(南京理工大學(xué)安全工程系，江蘇，南京 210094)

爆炸燒結(jié)法利用爆炸沖擊波壓縮金屬或陶瓷粉末，在硬質(zhì)合金、難熔金屬及脆性陶瓷材料等塊體材料的制備與加工中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種簡(jiǎn)單、低成本，并有良好發(fā)展前景的方法[1]，在航天、軍事、電子及化學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[2-3]。該方法避免了傳統(tǒng)燒結(jié)過(guò)程中粉體長(zhǎng)時(shí)、高溫條件下晶粒生長(zhǎng)，激波的能量會(huì)以晶格缺陷和位錯(cuò)[4]的形式儲(chǔ)存在粉末中，成為燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力，從而降低燒結(jié)所需的活化能。KROKHALEV 等[5]在SiC-Ti 系統(tǒng)中爆炸燒結(jié)且不進(jìn)行后續(xù)燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)粉末的致密化是由于壓縮波造成的粉末位移變形。李曉杰 等[6-7]爆炸燒結(jié)制備的陶瓷材料、硬質(zhì)鋁及其合金密度可達(dá)到理論密度的99%，且制備出了達(dá)理論密度96.5%的錫鎢合金。KROKHALEV 等[8]在金屬粉末里混入金屬粘結(jié)劑進(jìn)行爆炸燒結(jié)，得到成品密度和硬度都更佳。張曉立等[9]通過(guò)爆炸燒結(jié)制備的鎢、鈦及其合金的密度也達(dá)到了理論密度的98%以上；KHRUSTALEV 等[10]制出了維氏硬度HV267 的Fe-Cu 復(fù)合材料。FARINHA 等[11]發(fā)現(xiàn)爆炸燒結(jié)產(chǎn)物密度與初始粉末特性有關(guān)，微米銅粉產(chǎn)物密度較大，而納米銅粉產(chǎn)物硬度更高，但塊體表面薄膜結(jié)構(gòu)仍有著亞微米顆粒的存在。而王金相[12]通過(guò)計(jì)算得出，在顆粒直徑由微米級(jí)降至納米級(jí)后，比表面積的增大和尺寸效應(yīng)對(duì)顆粒界面摩擦的影響將導(dǎo)致，只有當(dāng)顆粒尺度和沖擊壓力足夠大時(shí)，顆粒表面溫度才能達(dá)到材料的熔點(diǎn)。

爆炸燒結(jié)工藝包括直接型和間接型：間接型爆炸燒結(jié)裝置利用炸藥爆轟作用上板，帶動(dòng)活塞高速?zèng)_擊放置于下板凹槽內(nèi)的粉末試樣，從而得到致密的塊體材料[13]；而直接型爆炸燒結(jié)裝置將粉末裝填在鋼管內(nèi)并初步壓實(shí)，通過(guò)管外填充炸藥產(chǎn)生的柱面匯聚沖擊波直接作用于粉末，從而得到致密的塊體柱狀材料[14]。水下爆炸燒結(jié)的方法可利用介質(zhì)延長(zhǎng)沖擊波時(shí)間[15]。MEYERS 等[16]發(fā)現(xiàn)，雙層鋼管結(jié)構(gòu)可提供比單層結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的爆炸沖擊波，粉末的爆炸燒結(jié)成型效果更好、力學(xué)性能更優(yōu)。然而直接型爆炸壓實(shí)裝置，成型的塊材極易出現(xiàn)馬赫孔現(xiàn)象，即沖擊波在裝填中心傳播的過(guò)程中由于橫截面壓力分布不均而產(chǎn)生未完全壓實(shí)或壓制過(guò)度，嚴(yán)重影響燒結(jié)體的力學(xué)性能[17]。針對(duì)馬赫孔現(xiàn)象，BECK 等[18]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炸藥的爆速過(guò)高時(shí)，爆炸產(chǎn)生沖擊波在管內(nèi)匯聚反射并突然作用于粉末顆粒時(shí)，會(huì)引起顆粒表面加熱熔化，而粒子內(nèi)部的溫度則相對(duì)較低，在粉體的軸心區(qū)域處發(fā)生強(qiáng)烈的馬赫反射，從而使制備的塊體材料中心區(qū)域出現(xiàn)不規(guī)則的孔洞和裂紋即馬赫孔。ZHOU 等[19]對(duì)燒結(jié)產(chǎn)物進(jìn)行后續(xù)熱處理，提高其延展性并觀察其破壞形式。付艷恕等[20]通過(guò)設(shè)計(jì)雙管爆炸燒結(jié)裝置來(lái)保證低爆速下的高爆炸壓力，并在其中心加入軸芯以消除加載應(yīng)力波在軸心處反射形成的馬赫孔。李曉杰等[21]在裝填粉末的鋼管抽真空后密封，防止氣體在稀疏波作用下形成鼓泡和裂縫。但抽真空處理步驟較為復(fù)雜，在低成本大批量的塊體材料工業(yè)生產(chǎn)中不具備明顯優(yōu)勢(shì)。桑圣軍等[22]設(shè)計(jì)了一種在底端開(kāi)有泄壓孔的爆炸燒結(jié)裝置，爆炸過(guò)程中泄爆片破裂，使得初壓過(guò)程殘存在粉末間隙的氣體能夠在沖擊波作用下進(jìn)入泄壓孔內(nèi)，有效避免了裂紋及馬赫孔等缺陷的出現(xiàn)，但對(duì)于泄壓孔的具體參數(shù)對(duì)爆炸燒結(jié)成品的性能參數(shù)影響，未有較為深入的研究。本文在底端開(kāi)有泄壓孔的雙管爆炸燒結(jié)裝置的基礎(chǔ)上，研究泄壓孔相關(guān)參數(shù)對(duì)爆炸燒結(jié)產(chǎn)品性能的影響機(jī)理。這種裝置既能避免產(chǎn)生抽真空處理的高昂成本，又能防止如文獻(xiàn)[20]中的中軸破壞整體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

鋁作為輕金屬，在建筑領(lǐng)域[23]、制造業(yè)等有著廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有爆炸燒結(jié)工藝制備的塊體鋁材尺寸受限，僅為尺寸較小的棒狀鋁材，不能滿足大規(guī)模、大范圍的應(yīng)用，且無(wú)法通過(guò)爆炸燒結(jié)批量化、工業(yè)化地制備力學(xué)性能更高的塊體鋁材。另外，目前鮮有關(guān)于鋁塊力學(xué)性能定量分析的研究。因此，本文利用改良的爆炸燒結(jié)裝置，通過(guò)改變泄壓孔體積，來(lái)探究不同條件下制得塊體鋁材力學(xué)性能，并對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行分析，探索能夠消除爆炸燒結(jié)制品內(nèi)馬赫孔和表面裂紋的裝置條件，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)法[24]對(duì)制得鋁塊力學(xué)性能進(jìn)行定量評(píng)估來(lái)探究最佳裝置參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本研究采用如圖1(a)所示的直接型爆炸燒結(jié)裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在氬氣氛圍下的真空手套箱中將平均粒徑2 μm 的鋁粉裝入雙層不銹鋼套管的內(nèi)管中，并進(jìn)行初步壓實(shí)，蓋上端塞密封不銹鋼套管；隨后將密封好的不銹鋼套管置于PVC 管的中心位置，填充炸藥于PVC 管中并壓實(shí)；最后在填充好炸藥的PVC 管頂端安裝好雷管和傳爆藥柱。所用傳爆藥柱為摻混10%木粉的銨梯炸藥，爆速為2158 m/s。

圖1 爆炸燒結(jié)模具裝置示意圖及燒結(jié)成品Fig. 1 Schematic diagram of explosive sinter device and products

實(shí)驗(yàn)所采用裝置參數(shù)如下：外管為外徑67 mm、壁厚1.5 mm 的PVC 管，上、下端堵頭，內(nèi)、外套管均為45#鋼材質(zhì)，上端堵頭設(shè)計(jì)成90°錐角的圓錐形堵頭，以引導(dǎo)爆轟波沿著軸向向下傳播；下端堵頭開(kāi)有直徑為12 mm 的泄壓孔作為高壓氣體存儲(chǔ)腔，初步壓實(shí)后粉末間空隙中存留的氣體在受到擠壓后有外向內(nèi)，由上向下傳播，在達(dá)到一定壓力后將泄爆片沖破進(jìn)入泄爆孔。其中泄爆片采用厚度為0.2 mm 的圓銅片，開(kāi)孔墊片采用厚度為1 mm 的低碳鋼材質(zhì)的圓片。外套管采用外徑為45 mm、壁厚為2 mm、長(zhǎng)度為185 mm 的不銹鋼圓管；內(nèi)套管采用外徑為30 mm、壁厚為2 mm、長(zhǎng)度為160 mm 的不銹鋼圓管。

經(jīng)前期摸索測(cè)試，對(duì)爆炸燒結(jié)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比分析不同參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果，得出如圖2 和圖3 所示的不同炸藥層厚度和初裝密實(shí)度下的試驗(yàn)結(jié)果，最終確定炸藥層厚度為12.2 mm，初裝密實(shí)度在60%左右，炸藥裝填高度為260 mm。

圖2 不同炸藥裝填厚度條件下爆炸燒結(jié)鋁塊樣品圖Fig. 2 Aluminum rods prepared by explosive consolidation with different explosive layer thickness

圖3 不同初裝密實(shí)度樣品爆炸燒結(jié)后鋁塊硬度分布規(guī)律圖Fig. 3 Hardness distribution of aluminum blocks prepared under different initial compactness

1.2 表征測(cè)試

顯微硬度測(cè)試[25]：對(duì)切割好的鋁塊樣品沿4 條不同直徑方向分別選取11 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，各點(diǎn)間隔1.5 mm。采用島津維氏顯微硬度儀HMV-G-FA SHIMADZU 對(duì)其進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，取各測(cè)點(diǎn)硬度的平均值作為該鋁塊樣品的平均硬度值。測(cè)試點(diǎn)分布情況如圖4 所示。

圖4 硬度測(cè)試點(diǎn)分布情況示意圖Fig. 4 Distribution of hardness test points

本實(shí)驗(yàn)中采用的維氏顯微硬度儀是把正四棱錐體金剛石壓頭以980.6 m·N 的試驗(yàn)力壓入爆炸燒結(jié)制備的試樣表面，其中金剛石壓頭兩個(gè)相對(duì)面夾角為136°，壓入后控制試驗(yàn)力保持10 s，隨后卸載試驗(yàn)力，通過(guò)測(cè)量得到試樣表面壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度平均值，維氏硬度值即用試驗(yàn)力除以壓痕表面積所得的商，具體計(jì)算如式(1)所示：

式中：0.102 為試驗(yàn)力的單位由kgf 更換為N 后需要乘的系數(shù)，即1/g=1/9.80665=0.102(g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度)；F/N 為試驗(yàn)力；A/mm2為壓痕表面積；D/mm 為壓痕平均對(duì)角線長(zhǎng)度。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試：采用MTS Exceed E43 型電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)其逐步施加載荷，得到鋁塊樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計(jì)算分析得到鋁塊樣品的抗壓強(qiáng)度，每組樣品進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)，取三次實(shí)驗(yàn)的平均值作為鋁塊樣品的平均抗壓強(qiáng)度值；爆炸燒結(jié)鋁棒樣品的尺寸根據(jù)GB/T 7314-2017[26]，采用高徑比為1～2，利用線切割工藝制備出直徑5 mm、高度7 mm 的鋁棒樣品若干。

密度測(cè)試：利用排水法，對(duì)爆炸燒結(jié)后鋁塊的密度進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析不同位置處鋁塊的密度規(guī)律。

金相顯微測(cè)試：將爆炸燒結(jié)制備的鋁塊經(jīng)金相砂紙精細(xì)打磨拋光后，用配置好的腐蝕液(苦味酸：檸檬酸：氫氟酸=1∶1∶1)對(duì)鋁塊樣品進(jìn)行腐蝕以便于觀察表面的微觀結(jié)構(gòu)，隨后立即將鋁塊樣品置于金相顯微鏡下觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

本研究中，泄壓孔開(kāi)于裝置底部中心位置，直徑為10 mm。通過(guò)改變其深度來(lái)控制泄壓孔體積。在上述裝置下，將鋁粉經(jīng)過(guò)初始?jí)簩?shí)裝填入套管中，對(duì)10 mm、13 mm、16 mm 三種泄壓孔深度下制得鋁塊力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。裝填情況如表1 所示。

表1 不同泄壓孔深度下鋁粉裝填數(shù)據(jù)Table 1 Aluminum powder loading data under different pressure relief hole depths

不同泄壓孔深下經(jīng)爆炸燒結(jié)制得的鋁塊樣品，如圖5 所示。結(jié)果表明，制得的鋁塊成型效果均較好，沒(méi)有較大的缺陷存在。

圖5 不同泄壓孔深度下爆炸燒結(jié)樣品圖Fig. 5 Aluminum bars prepared by explosive consolidation under different pressure relief hole depths

2.1 不同泄壓孔深度下制得鋁塊力學(xué)性能對(duì)比

泄壓孔深度分別為10 mm、13 mm、16 mm 條件下爆炸燒結(jié)制備的鋁塊的硬度分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同泄壓孔深度下鋁塊硬度分布規(guī)律Fig. 6 Hardness distribution of aluminum blocks under different pressure relief hole depths

從圖6 可看出，在泄壓孔深度為10 mm 條件下制備的鋁塊的平均硬度值最高，達(dá)到HV155.14，但其標(biāo)準(zhǔn)差較大，為HV13.90，表明鋁塊樣品表面硬度分布不均勻；在泄壓孔深度為16 mm 條件下制備的鋁塊的平均硬度值也比在泄壓孔深度13 mm條件下制備的鋁塊高，但其標(biāo)準(zhǔn)差在三組數(shù)據(jù)中最大，達(dá)到了HV14.18；而雖然泄壓孔深度為13 mm條件下制備的鋁塊平均硬度值為HV146.88，比另外兩組略小，但是其標(biāo)準(zhǔn)差在三組數(shù)據(jù)中最小，為HV6.89，僅為其他兩組的50%左右。由上所述，在泄壓孔深度為13 mm 條件下制備的鋁塊表面的硬度分布最為均勻，硬度值波動(dòng)幅度最小。而在泄壓孔深度為10 mm 和16 mm 條件下制備的鋁塊在邊緣處均出現(xiàn)了明顯的硬度降低現(xiàn)象。初步分析其原因，10 mm 深度的泄壓孔體積較小，無(wú)法儲(chǔ)存足夠的氣體，粉末孔隙中殘存氣體未被擠入泄壓孔，在底部形成聚集，造成底部硬度整體降低。而16 mm 深度的泄壓孔儲(chǔ)壓降低，激波到來(lái)時(shí)將部分鋁粉擠入泄壓孔，底部無(wú)法形成致密結(jié)構(gòu)，硬度下降。同時(shí)，這也使得鋁棒整體向泄壓孔方向發(fā)生微小偏移，而頂部結(jié)構(gòu)形成的部分位錯(cuò)則在這種過(guò)程中消失，使得頂部硬度也有所降低。

圖7 給出單次測(cè)量的不同泄壓孔深度條件下爆炸燒結(jié)制備的鋁塊的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。圖7 中可見(jiàn)，在泄壓孔深度為10 mm 條件下制備的鋁塊抗壓強(qiáng)度為87.6 MPa，在泄壓孔深度為13 mm 條件下制備的鋁塊抗壓強(qiáng)度為146.1 MPa，在泄壓孔深度為16 mm 條件下制備的鋁塊抗壓強(qiáng)度為134.8 MPa。為保證測(cè)試結(jié)果的可靠性，采用3 次測(cè)量取平均的方式，得出了不同條件下制備的鋁塊的抗壓強(qiáng)度及彈性模量的相關(guān)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

圖7 不同泄壓孔深度下鋁塊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Compression stress-strain curves of micron aluminum rods under different pressure relief hole depths

表2 不同泄壓孔深度條件下鋁塊的抗壓強(qiáng)度及彈性模量Table 2 Compressive strength and elastic modulus of aluminum blocks under different pressure relief hole depths

圖8 給出了不同泄壓孔深度下制得鋁塊密度測(cè)試結(jié)果。由圖可知，鋁塊密度分布較為均勻，其中泄壓孔深度為10 mm 時(shí)，制得鋁塊密度為純鋁理論密度的97.47%，密度標(biāo)準(zhǔn)差為0.91%；泄壓孔深度為16 mm 時(shí)，制得鋁塊密度為純鋁理論密度的97.59%，密度標(biāo)準(zhǔn)差為0.84%。而由于前文所述原因，底部鋁粉被擠入泄壓孔，使得該部分密度明顯降低。而泄壓孔深度為13 mm 條件下制備的鋁塊的密度均勻性最好，為0.39%，且其平均密度也是最高，達(dá)到了純鋁理論密度的98.31%。且此條件下制得鋁塊樣品的最小密度為2.6339 g/cm3，也遠(yuǎn)大于泄壓孔深度h=10 mm 和h=16 mm 條件下制備的鋁塊的最小密度值。

圖8 不同泄壓孔深度條件下鋁塊密度分布規(guī)律Fig. 8 Density distribution of aluminum blocks under different pressure relief hole depths

2.2 泄壓孔深度對(duì)制得鋁塊力學(xué)性能影響研究

為了解釋鋁塊力學(xué)性能受泄壓孔深度的影響原因，本研究測(cè)試了所制備鋁塊的微觀結(jié)構(gòu)。圖9為50 μm 和200 μm 尺度下鋁塊的金相顯微圖。

對(duì)比觀察三種條件下的金相顯微圖可以發(fā)現(xiàn)，泄壓孔深度10 mm 時(shí)(圖9(a)、圖9(b))，200 μm尺度下觀察到鋁塊樣品表面存在孔隙和大尺寸裂縫，大尺寸裂縫的存在是由于泄壓孔深度較小時(shí)，爆炸燒結(jié)過(guò)程中粉末顆粒間的空隙內(nèi)仍存留有未完全被擠壓入泄壓孔的氣體，在樣品中形成局部聚集，氣體的局部聚集將會(huì)降低爆炸激波在顆粒間傳播形成的微觀缺陷，造成局部硬度偏低。這也能夠解釋上文所述的尾端表面硬度較低的特性。50 μm 尺度下金相顯微圖進(jìn)一步佐證了這個(gè)現(xiàn)象，圖中可觀察到較規(guī)則的圓形空穴分布于樣品表面，殘存氣體的空穴導(dǎo)致粉末顆粒間無(wú)法緊密熔合，同時(shí)擠壓、熔化周邊晶粒造成晶界模糊，導(dǎo)致鋁塊樣品出現(xiàn)局部缺陷。這也印證了其硬度和密度分布不均的現(xiàn)象。并且由于殘存氣體的存在，受到外力作用下，鋁塊樣品極易在氣體存在位置處產(chǎn)生裂紋，隨外力加大最終表現(xiàn)為鋁塊碎裂，故其抗壓強(qiáng)度較低。金屬的彈性模量由金屬原子間的相互作用和晶格類型直接決定，晶界也會(huì)對(duì)彈性模量產(chǎn)生影響，爆炸燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的大量晶格缺陷將會(huì)增加鋁塊變形抗力，即表現(xiàn)為彈性模量的增加。同時(shí)，晶粒間孔隙率也與彈性模量成線性關(guān)系[27]，而10 mm 和16 mm 泄壓孔深下制得鋁塊均在晶粒間存在大型裂縫或空穴，造成彈性模量的下降。因此，13 mm 泄壓孔下制得鋁塊彈性模量最高。

圖9 不同泄壓孔深度條件下鋁塊金相顯微圖Fig. 9 Metallographic micrographs of aluminum blocks prepared under different pressure relief hole depths

而泄壓孔深度16 mm 時(shí)(圖9(e)、圖9(f))，200 μm 尺度下同樣觀察到鋁塊樣品表面存在孔隙和大裂縫，大裂縫存在的原因則是泄壓孔深度過(guò)大使得爆炸沖擊過(guò)程中部分鋁粉被擠入泄壓孔中，造成尾端鋁粉顆粒間接觸密實(shí)度不足，從宏觀上即表現(xiàn)為尾端密實(shí)度和硬度大幅降低的現(xiàn)象。50 μm 尺度下金相顯微圖同樣印證這一結(jié)論，圖中可以看出樣品顆粒間局部存在明顯孔隙，相比于圖9(b)的類圓形氣穴孔隙，其更似顆粒局部堆積稀疏下的不規(guī)則間隙，同時(shí)表現(xiàn)出的模糊晶界和清晰晶界間混雜特點(diǎn)也表明沖擊壓縮過(guò)程中存在鋁粉瞬時(shí)擠出引發(fā)壓力波動(dòng)造成的不均勻壓實(shí)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)位置處鋁塊致密程度相對(duì)降低，整體密度和硬度分布不均的現(xiàn)象，且在壓縮強(qiáng)度測(cè)試中表現(xiàn)為壓縮強(qiáng)度較低。

相比于前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，泄壓深度13 mm 時(shí)(圖9(c)、圖9(d))的金相顯微圖卻顯示出200 μm尺度下的無(wú)微少裂痕和50 μm 尺度的無(wú)孔隙(或間隙)現(xiàn)象，這表明其既無(wú)孔深不足引起的殘存氣體滯留，又無(wú)孔深過(guò)大引發(fā)的局部鋁粉疏松。同時(shí)，清晰均勻的晶界也反映著沖擊壓縮過(guò)程中受力均勻等特征，因此，反映在宏觀上也就表現(xiàn)出良好的實(shí)驗(yàn)效果，該條件下制得的樣品力學(xué)性能也成為三者中的最佳。

3 力學(xué)性能定量分析

為了定量評(píng)估鋁塊的力學(xué)性能，本文考慮了鋁塊在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法設(shè)計(jì)了一套綜合評(píng)估鋁塊力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型。并據(jù)此對(duì)上述三種泄壓孔深下制得的鋁塊的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。總結(jié)歸納了反映其力學(xué)性能的6 個(gè)指標(biāo)，包括：平均相對(duì)密度、密度均勻性(即密度標(biāo)準(zhǔn)差)、平均硬度、硬度均勻性(即硬度標(biāo)準(zhǔn)差)、抗壓強(qiáng)度及彈性模量。即本定量?jī)?yōu)化評(píng)估方法的評(píng)估指標(biāo)集為U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}，其中u1指平均相對(duì)密度指標(biāo)，u2指密度均勻性指標(biāo)，u3指平均硬度指標(biāo)，u4指硬度均勻性指標(biāo)，u5指抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，u6指彈性模量指標(biāo)。

根據(jù)層次分析法確定上述六個(gè)指標(biāo)間的權(quán)重系數(shù)。依據(jù)表3 所示的判斷矩陣標(biāo)度，得到如表4所示的上述六個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的判斷矩陣表格。

表3 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 3 The scale of judgment matrix and its meaning

表4 指標(biāo)體系對(duì)應(yīng)判斷矩陣表格Table 4 Index system related to the judgment matrix

式中：C.R為一致性比率；R.I為隨機(jī)一致性指標(biāo)，其值見(jiàn)表5； λmax為判斷矩陣A的特征值；n為評(píng)估指標(biāo)的個(gè)數(shù)。在矩陣比較復(fù)雜時(shí)，其最大特征值計(jì)算較為復(fù)雜，在工程應(yīng)用中，常使用其近似算法：

表5 R.I 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 5 Random Consistency Index (R.I.)

采用和積法獲取評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，首先對(duì)判斷矩陣A按式(5)進(jìn)行列規(guī)范化：

其次，對(duì)上一步得到的規(guī)范化結(jié)果，按式(6)各行累加求和；

對(duì)上一步得到的結(jié)果按式(7)規(guī)范化，即得權(quán)重系數(shù)：

建立鋁材適用性評(píng)價(jià)集合V，V={v1,v2,···,vn},其中，v1,v2,···,vn為與上述指標(biāo)集中各元素相對(duì)應(yīng)。鋁材適用性評(píng)估指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)上述六項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的定量標(biāo)定，它的制定是基于現(xiàn)行業(yè)中鋁材主流應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)性能的要求，調(diào)研了大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，咨詢了相關(guān)專家學(xué)者，并進(jìn)行了多次研討，在不失公正的前提下，科學(xué)合理劃分各指標(biāo)分值，確定鋁材適用性評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 鋁塊力學(xué)性能評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Evaluation index standard of mechanical properties of aluminum block

基于鋁塊的六項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，將標(biāo)準(zhǔn)劃分成3 級(jí)，分別為優(yōu)、良、中，其中優(yōu)對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)85 分～100 分(含85 分)，良 對(duì) 應(yīng) 分 數(shù)75 分～85 分(含75 分)，中 對(duì) 應(yīng) 分 數(shù)60 分～75 分(含60 分)，則V={100,80,60}，依據(jù)不同條件下爆炸燒結(jié)制備的鋁塊的性能指標(biāo)，基于上述評(píng)估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)隸屬度函數(shù)，可得出相應(yīng)隸屬度矩陣R。

在不同泄壓孔深度條件下，使用爆炸燒結(jié)工藝對(duì)鋁粉進(jìn)行壓制成型，經(jīng)大量試驗(yàn)研究，收集不同條件下爆炸燒結(jié)制備鋁材的上述六種關(guān)鍵指標(biāo)參量，如表7 所示。

表7 不同泄壓孔深度條件下爆炸燒結(jié)制備鋁材的關(guān)鍵指標(biāo)參量Table 7 The key index parameters of aluminum under different relief hole depths

在泄壓孔深度h=10 mm、h=13 mm、h=16 mm條件下爆炸燒結(jié)制備的鋁塊的隸屬度矩陣用R1、R2、R3表示，依據(jù)隸屬度函數(shù)，對(duì)指標(biāo)集中各指標(biāo)對(duì)應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，則隸屬度矩陣分別為：

結(jié)合上述權(quán)重系數(shù)集A與隸屬度矩陣R，構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型B，其中，B=A×R，通過(guò)矩陣運(yùn)算可得出綜合評(píng)價(jià)指數(shù)B。

由上述評(píng)估結(jié)果，依據(jù)隸屬度原則可以得出，在泄壓孔深度h=13 mm 條件下爆炸燒結(jié)制備的鋁塊在第一級(jí)的隸屬度最大，為0.307；且在第二級(jí)的隸屬度中也是最大，為0.472；在第三級(jí)中的隸屬度最小，為0.221。這表明在泄壓孔深度h=13 mm 條件下制備的鋁塊綜合性能最好(綜合了平均相對(duì)密度、密度均勻性、平均硬度、硬度均勻性、抗壓強(qiáng)度及彈性模量六大關(guān)鍵性能指標(biāo))；而在泄壓孔深度h=10 mm 與h=16 mm 條件下爆炸燒結(jié)制備的鋁塊大多隸屬于第二級(jí)和第三級(jí)，及其綜合性能要比泄壓孔深度13 mm 條件下制備的鋁塊差。結(jié)合評(píng)價(jià)集V=[ 100 80 60 ]來(lái)看，泄壓孔深度h=10 mm 條件下爆炸燒結(jié)制備鋁塊的得分為73.18 分，泄壓孔深度h=13 mm 條件下爆炸燒結(jié)制備鋁塊的得分為81.72 分，泄壓孔深度h=16 mm 條件下爆炸燒結(jié)制備鋁塊的得分為76.98分，表明在泄壓孔深度h=13 mm 時(shí)，爆炸燒結(jié)制備鋁塊的綜合性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

本文自行搭建了爆炸燒結(jié)裝置，并開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)研究和綜合評(píng)估，主要得到以下結(jié)論：

(1) 采用爆炸燒結(jié)制備了力學(xué)性能較高的鋁塊，在泄壓孔深度h=10 mm、h=13 mm、h=16 mm的3 組試驗(yàn)中，制得的鋁塊平均硬度在HV146.88～HV155.14 范圍內(nèi)，而在h=13 mm 試驗(yàn)中硬度標(biāo)準(zhǔn)差最小，為HV6.89，是其他兩組實(shí)驗(yàn)的50%左右；此三組實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的抗壓強(qiáng)度分別為87.6 MPa、146.1 MPa、134.8 MPa，彈性模量分別為2.108 GPa、6.850 GPa、4.092 GPa，可見(jiàn)h=13 mm 時(shí)鋁塊的抗壓強(qiáng)度和彈性模量都是最大的；就密度而言，三組試驗(yàn)中所測(cè)相對(duì)密度分別為97.47%、98.31%、97.59%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.91%、0.39%、0.84%，可見(jiàn)泄壓孔深度h=13 mm 時(shí)鋁塊密度最大、密度標(biāo)準(zhǔn)差最小，綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

(2) 泄壓孔深度h=10 mm、h=16 mm 條件下制備的鋁塊在金相圖中均有少許較長(zhǎng)的裂紋出現(xiàn)，而在泄壓孔深度h=13 mm 條件下制備的鋁塊在金相圖中也有少許裂紋，但較短而細(xì)。對(duì)應(yīng)前述的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。h=10 mm 時(shí)，泄壓孔儲(chǔ)氣容量較低使得制得鋁塊內(nèi)部存在殘余氣體，而h=16 mm 時(shí)，部分鋁粉被沖入泄壓孔中，使得鋁塊底部結(jié)構(gòu)較為松散，導(dǎo)致力學(xué)性能的下降。

(3) 結(jié)合層次分析法及模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法，結(jié)合鋁塊的關(guān)鍵性能參數(shù)，即平均相對(duì)密度、密度均勻性、平均密度、密度均勻性、抗壓強(qiáng)度及彈性模量等，對(duì)不同泄壓孔深度下制備鋁塊的力學(xué)性能進(jìn)行定量評(píng)估，對(duì)于泄壓孔深度分別為10 mm、13 mm、16 mm 的評(píng)估結(jié)果分別為73.18 分、81.72 分、76.98 分。最終結(jié)果表明：泄壓孔深度h=13 mm 時(shí)制得鋁塊綜合力學(xué)性能較好。