專利名稱：塊體非晶態(tài)合金管及其復(fù)合管的多層爆炸焊接技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于爆炸焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種將多層的非晶態(tài)合金薄膜固結(jié)成為塊體非晶態(tài)合金管，以及與普通金屬材料焊接成復(fù)合管的柱對(duì)稱爆炸焊接方法。
背景技術(shù)：
使用快淬技術(shù)可生產(chǎn)一系列的非平衡態(tài)新型合金，如非晶態(tài)合金、準(zhǔn)晶、微晶合金等，其中非晶態(tài)合金最具有代表性，很多非晶態(tài)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐蝕性、優(yōu)異的軟磁或硬磁性能等，是一大類優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料與功能材料。由于快淬形成非晶態(tài)能力的限制，大量的非晶態(tài)合金只能是粉末、鱗片和薄膜形態(tài)的，一般其特征尺度均在25～50μm左右，因而限制了它們的應(yīng)用領(lǐng)域，這就使三維尺度的塊體非晶態(tài)合金制造技術(shù)成為世界性的研究熱點(diǎn)。
目前，除對(duì)少數(shù)的特殊合金組成可用控制冷卻方法制成非晶態(tài)合金塊體外，大量的生產(chǎn)技術(shù)均是采用一般的粉末冶金方法，如熱等靜壓、熱擠壓、冷壓結(jié)和爆炸燒結(jié)等制造非晶態(tài)塊體合金。也有采用多層非晶態(tài)合金薄膜直接進(jìn)行爆炸燒結(jié)的研究，但由于沒(méi)有掌握技術(shù)要點(diǎn)，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)薄膜間的冶金結(jié)合[參見(jiàn)A.E RAKHIMOV，JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS，12(1993)1891-1893]。采用粉末冶金技術(shù)，以粉末為原料的最大缺點(diǎn)是，無(wú)法使粉末間達(dá)到理想結(jié)合，制出的塊體合金中存在著孔隙、裂紋、氧化物夾雜等缺陷。再者，由于非晶態(tài)合金有過(guò)熱晶化的特點(diǎn)，因此也限制了許多熱加工技術(shù)的使用。非晶態(tài)合金的另外一個(gè)缺點(diǎn)是延性較差，延伸率一般只有1～2％，而一般的爆炸焊接和冷加工方法對(duì)于這樣的脆性材料是無(wú)法加工的，強(qiáng)烈的沖擊與冷變形，會(huì)造成大量的斷裂裂紋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多層非晶態(tài)合金薄膜的柱對(duì)稱爆炸焊接方法，用這種方法直接生產(chǎn)出管狀非晶態(tài)合金塊體及其與普通金屬的復(fù)合管材。在爆炸加工過(guò)程中，不僅對(duì)非晶態(tài)合金薄膜達(dá)到爆炸壓實(shí)，同時(shí)產(chǎn)生爆炸焊接，達(dá)到真正的冶金結(jié)合，并且保證非晶態(tài)合金不發(fā)生過(guò)熱晶化與沖擊斷裂。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下由于爆炸焊接方法的特殊性，除焊接界面外，材料基體溫升很小，基本上屬于冷加工范疇，有利于保證非晶態(tài)合金微觀結(jié)構(gòu)的無(wú)序性，可防止合金的過(guò)熱晶化。首先，采用薄膜作為原料與采用粉末原料相比，更便于預(yù)先對(duì)原料的清潔處理。其次，爆炸焊接的界面自清理作用，可消除表面氧化膜，達(dá)到理想的焊合。采用外爆炸的柱對(duì)稱焊接方法，可使非晶態(tài)合金在爆炸焊接過(guò)程中不產(chǎn)生焊接要求以外的變形，因此，可控制工件不發(fā)生斷裂。
具體實(shí)施方法可按如下程序進(jìn)行首先，對(duì)非晶態(tài)合金薄膜進(jìn)行表面處理，除去氧化物、油污等，以保證爆炸焊接界面的清潔，有利于爆炸焊接的實(shí)現(xiàn)，防止在焊接的固結(jié)件中產(chǎn)生夾雜、不結(jié)合區(qū)。將表面清潔后的薄膜纏繞在圓柱形的芯棒上，制成原料棒。由于非晶態(tài)薄膜表面粗糙度、不整平度的存在，可自然形成間隙，這些間隙就可作為爆炸焊接的加速距離。這樣就可通過(guò)調(diào)節(jié)非晶態(tài)合金薄膜卷的松緊度，來(lái)控制薄膜卷的初裝密度，使薄膜卷的初裝密度控制在其合金理論密度的40％～80％的范圍內(nèi)，使薄膜間形成合理的爆炸焊接間隙。然后，將卷好的原料棒一起放置在飛管的正中，封裝在飛管打擊裝置內(nèi)。與一般粉末爆炸燒結(jié)方法不同，在本發(fā)明中，飛管與薄膜卷之間必須留有間隙，以供炸藥爆轟壓力能驅(qū)動(dòng)飛管加速到焊接速度，達(dá)到使飛管與非晶態(tài)合金薄膜之間、非晶態(tài)合金薄膜之間的爆炸焊接條件。間隙控制在飛管壁厚的0.1～10倍之間，以0.5～2倍最好。最后，通過(guò)調(diào)節(jié)布置在飛管外部的炸藥參數(shù)，使之滿足爆炸焊接條件，就能使薄膜間產(chǎn)生良好的冶金焊合。如果飛管的內(nèi)表面處理干凈，就可與非晶態(tài)合金管焊接在一起，通過(guò)除去芯棒后，可制成內(nèi)表面為非晶態(tài)合金層的復(fù)合管。對(duì)于管狀的非晶態(tài)合金塊體，可用兩種方法制得。一種是用焊接好的復(fù)合管為原料，加工或腐蝕除去外表面的普通金屬；另一種是在飛管內(nèi)表面或非晶態(tài)合金帶卷的外表面涂上石墨、滑石、陶瓷或金屬自身氧化物作為防粘層，爆炸焊接后就能輕易地剝離飛管，再除去芯棒就能制成管狀的非晶態(tài)合金塊體。
使非晶態(tài)合金薄膜間產(chǎn)生爆炸焊接的參數(shù)條件，可由爆炸焊接理論計(jì)算得到。飛管與非晶態(tài)合金薄膜、薄膜與薄膜之間的碰撞速度Vp的下限條件，可按一般的爆炸焊接參數(shù)設(shè)計(jì)確定，即Vp≥KHv/ρ]]>其中K＝0.6，Hv是非晶態(tài)合金的維氏硬度；ρ是其理論密度。
Vp的上限條件是焊接多層非晶態(tài)合金薄膜所特有的，是對(duì)爆炸焊接所產(chǎn)生熱量的控制，用以防止非晶態(tài)合金的過(guò)熱晶化，即12Vp2<Cp(Tx-T0)]]>或Vp<2Cp(Tx-T0)]]>其中，Cp是非晶態(tài)合金常壓熱容量；Tx是通常的晶化溫度；T0是環(huán)境溫度。
而對(duì)于飛管的軸向閉合速度Vc恰好等于炸藥爆速Vd這種爆炸焊接形式，形成爆炸焊接的條件可直接按下述條件對(duì)直接炸藥的爆速進(jìn)行控制，即CT≤Vd≤1.1CL其中CL是非晶態(tài)合金的膨脹波聲速；CT是剪切波聲速。下限是在爆炸焊接中，防止在碰撞點(diǎn)前薄膜發(fā)生彎曲波的條件，是薄膜爆炸焊接的特有條件；上限是防止進(jìn)入超聲速流動(dòng)狀態(tài)的一般爆炸焊接條件。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是非晶態(tài)合金薄膜間均能滿足爆炸焊接條件，薄膜間幾乎可全部達(dá)到理想的冶金焊合，因此合金塊體中的缺陷較少。外爆炸柱對(duì)稱焊接的嚴(yán)格對(duì)稱性，可使工件承受十分均勻爆炸壓力，不發(fā)生變形、斷裂。通過(guò)限制爆炸焊接過(guò)程中，薄膜中彎曲波的形成可防止微觀裂紋。通過(guò)限制爆炸焊接能量，可以防止非晶態(tài)合金的過(guò)熱晶化。因此，可制造優(yōu)質(zhì)的塊體非晶態(tài)合金管，并且隨所采用的飛管材料不同，可制成各種普通材料與非晶態(tài)合金的復(fù)合管。


附圖是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的外爆炸焊接結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號(hào)所示，(1)起爆雷管，(2)炸藥，(3)隔爆塊，(4)上端塞，(5)芯棒，(6)非晶態(tài)合金薄膜卷，(7)間隙，(8)飛管，(9)下端塞，(10)卸載飛塊。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)敘述本發(fā)明的最佳實(shí)施例
實(shí)施例1采用約25μm厚、寬100mm的Fe78B13Si9鐵基非晶態(tài)合金薄膜帶，卷緊在Φ12mm的芯棒(5)上，非晶態(tài)合金薄膜卷(6)的外徑約為Φ23.5mm，裝填密度約為理論密度的62％。飛管(8)為普通碳鋼管，內(nèi)徑Φ26mm，外徑Φ29mm，壁厚1.5mm。飛管(8)與非晶態(tài)合金帶卷(6)之間的間隙(7)約為1.25mm。外布炸藥(2)的外徑為Φ80mm，密度0.81g·cm-3，爆速Vd＝4167m·s-1，計(jì)算得到的飛管打擊速度Vp＝672m·s-1。由于Fe78B13Si9非晶態(tài)合金的維氏硬度Hv＝910kg·mm-2＝8.948GPa，密度ρ＝7.18g·cm-3，用公式Vp≥0.6HV/ρ]]>計(jì)算出Vp下限為669m·s-1；而合金的Cp＝590J·kg-1·K-1，晶化溫度Tx＝823K，取環(huán)境溫度為T0＝298K，用公式Vp<2Cp(Tx-T0)]]>計(jì)算出上限為787m·s-1。鐵基非晶的聲速與一般鋼材相近，普通鋼的剪切波聲速CT為3220 m·s-1，膨脹波聲速CL為5940m·s-1，炸藥爆速Vd恰在其間。計(jì)算表明，設(shè)計(jì)參數(shù)滿足爆炸焊接條件，并且不會(huì)使非晶態(tài)合金發(fā)生晶化。實(shí)施爆炸焊接后，去除芯棒，得到內(nèi)徑為Φ12mm，外徑為Φ23mm的完整復(fù)合管，非晶態(tài)合金層厚約4mm。
實(shí)施例2除在飛管(8)的內(nèi)表面涂上有滑石粉防粘層外，采用與實(shí)施例1相同的條件，測(cè)量得炸藥爆速Vd＝4367m·s-1，計(jì)算出飛管打擊速度Vp＝702m·s-1，也滿足爆炸焊接條件。爆炸焊接后，去除芯棒，剝離下飛管，外圓經(jīng)磨光得到外徑為Φ19mm，內(nèi)徑為Φ12mm，長(zhǎng)80mm的管狀非晶態(tài)合金塊體，塊體合金經(jīng)X射線衍射證實(shí)仍保持非晶態(tài)，表面無(wú)宏觀裂紋。經(jīng)光學(xué)金相檢查只有少量的薄膜斷裂，裂紋只限制在單層薄膜中，沒(méi)有形成薄膜之間的貫通。
權(quán)利要求
1.一種塊體非晶態(tài)合金管及其復(fù)合管的多層爆炸焊接技術(shù)，其特征是以非晶態(tài)合金薄膜為原料，將非晶態(tài)合金薄膜卷在芯棒上，通過(guò)調(diào)節(jié)非晶態(tài)合金薄膜卷的松緊程度，控制薄膜間的爆炸焊接間隙，將非晶態(tài)合金薄膜卷放置在柱對(duì)稱的飛管打擊裝置的正中，對(duì)金屬飛管與非晶態(tài)合金薄膜、非晶態(tài)合金薄膜與薄膜間進(jìn)行爆炸焊接；通過(guò)除去芯棒，制成內(nèi)層表層為非晶態(tài)合金的復(fù)合管，再除去外層金屬飛管制成塊體非晶態(tài)合金管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體非晶態(tài)合金管及其復(fù)合管的多層爆炸焊接技術(shù)，其特征是非晶態(tài)合金薄膜卷的初裝密度為合金密度的40～80％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體非晶態(tài)合金管及其復(fù)合管的多層爆炸焊接技術(shù)，其特征是飛管與非晶態(tài)合金薄膜卷間留有管壁厚度0.1～10倍間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體非晶態(tài)合金管及其復(fù)合管的多層爆炸焊接技術(shù)，其特征是飛管打擊速度Vp控制在2Cp(Tx-T0)>Vp≥0.6Hv/ρ]]>范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體非晶態(tài)合金管及其復(fù)合管的多層爆炸焊接技術(shù)，其特征是所使用炸藥爆速控制在非晶態(tài)合金的剪切波聲速與1.1倍膨脹波聲速之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于爆炸焊接技術(shù)領(lǐng)域,提供了一種將多層非晶態(tài)合金薄膜固結(jié)成為塊體非晶態(tài)合金管,以及與普通金屬材料焊接成復(fù)合管的柱對(duì)稱爆炸焊接方法。其特征是以非晶態(tài)合金薄膜為原料,將非晶態(tài)合金薄膜卷在芯棒上,通過(guò)調(diào)節(jié)非晶態(tài)合金薄膜卷的松緊程度,控制薄膜間的爆炸焊接間隙,將非晶態(tài)合金薄膜卷放置在柱對(duì)稱的飛管打擊裝置的正中,對(duì)金屬飛管與非晶態(tài)合金薄膜、非晶態(tài)合金薄膜與薄膜間進(jìn)行爆炸焊接;通過(guò)除去芯棒,制成內(nèi)層表層為非晶態(tài)合金的復(fù)合管,再除去外層金屬飛管制成塊體非晶態(tài)合金管。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可焊接各種非晶態(tài)合金薄膜,保持合金的非平衡態(tài)特征,并可減少合金塊體中的缺陷,防止合金塊體變形斷裂。
文檔編號(hào)B23K20/08GK1338348SQ01128249
公開(kāi)日2002年3月6日 申請(qǐng)日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者李曉杰, 閻鴻浩, 孫明, 王金相, 董守華, 奚進(jìn)一, 王宇新, 楊文彬 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)