一种粉末堆积结构全金属活性材料的制备方法与流程

本发明涉及一种粉末堆积结构全金属活性材料的制备方法，属于全金属活性材料制备技术领域。

背景技术：

活性材料(reactivematerials)通常是指由两种或多种非炸药类固体物质所组成的在点火后可以自身或与空气发生反应同时释放大量化学能的含能材料。活性材料通常具有很高的能量密度和反应温度，在焊接，材料合成及军事领域具有广泛的应用。尤其作为活性破片使用时，可以释放大量能量并产生强烈爆炸或燃烧效应，大幅度提高战斗部毁伤目标的能力。目前活性材料主要包括金属-金属型、铝热剂型和金属-聚合物型等。其中，全金属活性材料除了具有较优的释能特性之外，还兼具有一定的密度及强度等力学性能，既可以在一定的载荷作用下保持结构的完整性，又有较强的侵彻能力，作为活性破片可实现穿燃或穿爆的双重毁伤，在国防领域具有很大的发展潜力。

目前常见的制备全金属活性材料的方法有冷等静压，物理气相沉积，冷喷涂，爆炸成型等。为使活性材料达到预期的性能指标，材料应具有较均匀的结构组成，较充分的界面结合，还要避免在制备过程中组元之间提前反应造成的能量损失以及爆炸等安全事故。其中物理气相沉积法可以制备颗粒尺寸为纳米级的薄膜，点火后材料具有极高的燃烧速率，但因其沉积效率低，不适于块体材料的制备，限制了材料在活性破片领域的应用。冷等静压，冷喷涂，爆炸成型作为有效制备块体全金属活性材料的方法具有各自的特点。其中，冷等静压成型具有生产周期短，成本低，工序简单等优点。但冷等静压最大的缺点在于材料的致密度较低，通常不到最大理论密度的80％，严重降低的活性材料单位体积的能量密度，同时由于材料孔隙率较高，点火后燃烧速率和效率都很低；爆炸成型具有极高的成型效率和极高的材料成型密度；冷喷涂工作温度低，对喷涂粒子和基体的热影响小，能有效避免材料制备过程中由高温所导致的组元间反应，材料致密度接近理论密度。采用爆炸成型或冷喷涂虽然都可以制备出致密的块体全金属活性材料，但组成材料的粉末仍属于机械堆积结构，材料强度低，且受工艺限制，粉末尺寸都属于微米级，在实际使用过程中会出现反应阈值温度较高，燃烧速度较慢甚至反应不充分等问题，严重影响材料的释能特性。因此必须通过冷加工变形对活性材料进行进一步的微观组织调控。

其中，轧制作为一种重要的加工变形方式可以使颗粒发生变形，增大单位体积内活性组元之间的接触面积，达到降低点火阈值和提高燃烧速率的目的。然而，由于通过爆炸成型或冷喷涂方法所制备的全金属活性材料坯体中粉末颗粒仍处于机械堆积状态，材料室温塑性变形能力差，甚至不足1％，采用传统的冷轧方法，材料极易开裂；此外，活性材料作为一种具有特殊应用背景的材料具有较高的温度敏感性，且材料中不同金属活性组元之间熔点差异较大，一般的高温热轧，会极易导致活性组元发生反应，从而大幅降低材料在实际使用中的能量释放效果，甚至引起爆炸等安全问题。因此，材料制备的关键在于如何在保证坯体完整性及不发生反应的前提下改善材料内部组织。为解决材料变形开裂的问题，本发明采用添加包套的方法对粉末堆积结构的活性材料坯体进行轧制变形，同时控制温度，防止材料提前发生反应。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有制备工艺存在的不足，提出一种粉末堆积结构全金属活性材料的制备方法，本发明的方法克服了金属基活性材料对温度敏感的问题，采用低温粉末成型与包套冷轧相结合的方法制备出无裂纹的全金属活性材料板材，通过多道次小变形冷轧工艺改善了金属活性材料坯体的微观组织，提高活性组元的接触面积，进而降低活性材料的点火阈值温度并提高燃烧反应速率。

本发明是通过如下技术方案来实现的。

一种粉末堆积结构全金属活性材料的制备方法，采用粉末成型结合多道次连续包套冷轧的方法进行制备，材料制备过程包括如下步骤：

步骤一，采用粉末成型法制备具有粉末堆积结构的全金属活性材料坯体；

步骤二，将步骤一制备得到的活性材料坯体置于底板的凹槽中，然后盖上盖板形成包套；活性材料坯体和凹槽为间隙配合；盖板和凹槽为间隙配合；

步骤三，对步骤二得到的装有活性材料坯体的包套进行冷轧变形，得到粉末堆积结构全金属活性材料；

优选地，所述全金属活性材料坯体的制备工艺即粉末成型法为冷喷涂或粉末爆炸成型，坯体为微米级金属粉末堆积结构，粉末粒径为10-30μm。

所述包套由相同材质的盖板和带有凹槽的底板组成。优选地，所述包套材料为铝合金或纯铜。

优选地，活性材料坯体及包套盖板与包套凹槽的配合方式均为间隙配合。

所述轧制工艺为多道次连续冷轧，优选地，轧制速度为200-500mm/s，每道次变形量为10％-30％，单道次轧制前后不进行热处理。

本发明具有如下的有益效果：首先，通过粉末成型法可以快速高效地获得尺寸较大的块体全金属活性材料坯体。其次，在将坯体与包套配合时，包套盖板与凹槽为间隙配合。接缝处不需焊接，既避免了焊接时可能由高温引起的材料提前反应，也防止在轧制过程中焊接处变形不均匀导致的包套盖板错动。在轧制过程中坯体在包套施加的三向压应力约束下避免发生开裂，既保证了材料最终的成型完整性，又实现了材料颗粒的二次变形，增大了活性组元之间单位体积的接触面积，提高了活性材料的反应速度。同时在制备过程中由于不进行热处理，避免了由于温度升高而引起的活性组元提前反应而导致的活性能量损失及安全问题，保留了加工硬化的效果，材料内部存在大量的位错，既提高了材料的强度，又为反应提供了驱动力，降低了点火阈值。该方法简化了工序，实现了具有较优释能特性的粉末堆积结构全金属活性材料块体在较低温度下得快速成型。

附图说明

图1为坯体与包套组合的结构示意图；

图2为坯体材料在扫描电镜(背散射模式)下的组织形貌

图3为轧制后材料在扫描电镜(背散射模式)下的组织形貌

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种al-ni二元系粉末堆积结构全金属活性材料的制备方法，包括如下步骤：采用冷喷涂方法制备al-ni活性材料坯体1；其中所述al-ni活性材料坯体1的尺寸为：40mm×30mm×3mm(长×宽×厚)；al、ni组元摩尔比为1:1；粉末颗粒尺寸为10-30μm。

取铝合金盖板2，以及设置有凹槽3的铝合金底板4；其中铝合金盖板2的尺寸为：40mm×30mm×4mm(长×宽×厚)；铝合金底板4的尺寸为：80mm×60mm×11mm(长×宽×厚)；凹槽3的尺寸为：40mm×30mm×7mm(长×宽×深)；盖板2和底板4均为6061系铝合金。

将al-ni活性材料坯体1置于凹槽3中，随后放入盖板2，与底板4配合形成包套，如图1所示；之后对坯体进行轧制，轧制的过程为：对装有活性材料坯体的包套在室温下采用多道次连续轧制的工艺进行轧制变形；其中轧辊直径为250mm，轧制速度为500mm/s，每道次变形量为20％，共进行9道次连续轧制；al-ni活性材料终轧板厚度为0.4mm。每道次轧制前后不做任何热处理。

实施效果：在对坯体的轧制过程中，发现未加包套的al-ni活性材料坯体由于本身室温塑性较差，经第一道次轧制之后便发生开裂，而采用铝合金包套的al-ni活性材料坯体轧制后成型质量良好，表面无裂纹。xrd结果显示，坯体在轧制过程中组元之间没有发生中间化合反应。对坯体和最终材料进行准静态拉伸测试，结果显示轧制后材料的抗拉强度由坯体的130mpa提高到近200mpa，力学性能提高明显。对材料微观组织进行观察发现，经过冷喷涂制备的坯体中，ni组元出现分布不均匀的现象，如图2所示；经过对坯体的轧制处理之后组元分布更加均匀，如图3所示。采用imageproplus软件进行统计，统计结果显示：单位体积内al、ni组元的接触面积较坯体提高了30％。对材料进行燃烧反应检测发现：被发明所制备的活性材料，固态反应起始温度较冷喷涂坯体降低了40℃；静态点火实验测得轧制后的al-ni活性材料燃烧速度较坯体提高了40％，可达到140mm/s，且实验结果离散性明显降低。

实施例2

本实施例的实施方法同实施例1，所不同之处在于，所述粉末堆积结构全金属活性材料坯体为冷喷涂成型法制备的al-ni-w三元系金属粉末活性材料；所述al-ni-w活性材料的组分及摩尔分数为：al:ni:w＝2:2:1；其中包套材料选用6063系铝合金。

采用多道次连续冷轧的工艺，轧制速度为200mm/s，每道次变形量为10％，共进行6道次连续轧制，终轧板厚度为1.6mm。每道次轧制前后不做任何热处理。

实施效果：添加包套轧制后，al-ni-w活性材料表面无裂纹且质量良好，而未加包套的坯体在轧制过程中发生了破碎。微观组织分析结果显示，w颗粒分布更加均匀，最终材料的静态点火阈值温度较坯体降低了40℃，燃烧波传播速度提高20％。

实施例3

本实施例的实施方法同实施例1，所不同之处在于，所述粉末堆积结构全金属活性材料坯体为粉末爆炸成型法制备的al-cu二元系金属粉末活性材料；所述al-cu活性材料的组分及摩尔分数为：al:cu＝1:1；其中包套材料为纯铜。

采用多道次连续冷轧的工艺，轧辊直径为250mm，轧制速度为400mm/s，每道次变形量为30％；

实施效果：与实施例1结果类似，采用包套轧制后，al-cu活性材料表面无裂纹。微观组织分析结果显示al、cu颗粒均发生了剧烈的塑性变形，单位体积内al、cu组元间接触面积提高达50％，且轧制过程中组元之间没有发生中间化合反应，轧后材料点火反应阈值温度降低50℃。

综上所述，本发明的方法克服了传统粉末成型方法中粉末堆积结构全金属活性材料释能特性较差，室温塑性变形能力差及对温度敏感的问题。保证了活性材料块体的制备效率和加工质量，提高了单位体积内活性组元的接触面积，降低了材料的点火反应阈值温度并提高了燃烧反应速度。同时采用铝合金或纯铜包套有利于轧制过程中热量的散失，避免了温升导致的活性组元间提前反应及安全问题的出现，保证了材料在使用过程中的能量释放效率。此外，该方法工序简单，可实现粉末堆积结构全金属活性材料在室温下的高效成型。