[科普中國]-爆炸成形

簡介

金屬粉末爆炸成形屬于非鋼模成形法，它利用炸藥爆炸時產(chǎn)生的瞬間沖擊波的高溫、高壓，作用于金屬粉末中，使顆粒間距離縮短。

爆炸成形由于在瞬間完成，所以組成相之間幾乎沒有擴散，而且晶粒來不及長大。爆炸成形能夠壓出相對密度極高的壓坯23。

金屬粉末爆炸成形工藝具有高溫、高壓、瞬間作用的特點，炸藥爆炸后在極短的時間內(nèi)（幾微秒）產(chǎn)生的沖擊壓力可達106MPa，這樣大的壓力可直接用于壓制超硬粉末材料和生產(chǎn)一般壓力機無法壓制的大型預(yù)成型件。4

歷史爆炸成型的歷史可以追溯到l9世紀末期。1876年英國工程師Adamson利用火藥棉爆炸研究鐵板和鋼板承受沖擊力時的行為，1888年美國化學(xué)家Charles Munroe利用火藥棉接觸爆炸，借助鏤花模板和鋼絲網(wǎng)模塊在金屬表面雕刻圖案，都是人類早期從事爆炸成型的實例。

20世紀初以后，人們對此也做過許多有益嘗試，但是爆炸成型作為一門獨立的技術(shù)手段應(yīng)用于生 產(chǎn)實踐之中還是從本世紀50年代開始。

一方面，在兩次世界大戰(zhàn)中由于軍事應(yīng)用的需要，人們在爆炸理論、爆炸技術(shù)、爆炸效應(yīng)、材料對爆炸載荷的響應(yīng)等方面的研究以及對毫秒級甚至微秒級瞬變過程探測和觀察手段的建立中，為爆炸成型奠定了堅實的理論和實驗基礎(chǔ)。

另一方面，經(jīng)歷兩次世界大戰(zhàn)后的世界進入了兩極對峙 的冷戰(zhàn)時期，瘋狂的軍備競賽導(dǎo)致諸如原子能、航天等許多尖端軍工產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，這些新興的軍工企業(yè)往往要求加工許多形狀奇特而復(fù)雜的零部件，生產(chǎn)批量小 ，要求精度高，傳統(tǒng)的機加手段和設(shè)備無力進行加工。一些軍工企業(yè)為了自身的需要開始把注意力轉(zhuǎn)移到利用受 控爆炸進行某些特殊加工作業(yè)上來。開始是試驗性 的，后經(jīng)推廣應(yīng)用，逐漸形成一批專業(yè)企業(yè)的部門專門從事爆炸成型作業(yè)或技術(shù)研究工作。

六、七十年代，爆炸成型技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用成為世界科技界關(guān)注的一個熱點，從1967年到1981年世界范圍的國際高能率加工(Energy Rate Fabizieation)會議就召開了七次，其它小型的專業(yè)研討會、交流會不勝枚舉，使爆炸成型技術(shù)越來越完善，應(yīng)用越來越廣泛。

分類金屬的爆炸成型是利用炸藥作為能源來加工金屬。目前，金屬爆炸成型的范圍主要包括成形、校形、脹形、翻邊、雕刻、壓絞、粉末壓制成形、焊接、表面硬化和切割等。在金屬爆炸成型領(lǐng)域中應(yīng)用的爆炸是一種在一定條件下的受控爆炸，它具有獨特的理論和工程條件。

根據(jù)爆炸裝藥與加工對象的相對位置不同，通常把金屬爆炸加工分為兩種基本類型：

1、接觸爆炸加工：加工時裝藥與被加工的對象直接接觸；

2、隔離爆炸加工：加工時裝藥與被加工的對象相隔一定的距離，此間隔距離內(nèi)的介質(zhì)可能是空氣、水、油和砂等，裝藥爆炸產(chǎn)生的能量通過這些中間介質(zhì)傳遞到被加工的對象上。

這兩種爆炸加工方法作用在加工工件上的作用力差別很大，因此，造成工件材料的性狀變化也很不同。接觸爆炸時工件上所受的壓力很大，通常達幾千萬千帕；隔離爆炸時工件上所受的壓力要小得多，通常為幾萬千帕。

接觸爆炸加工目前已采用的主要有爆炸焊接、爆炸切割、表面硬化和粉末爆炸壓制成形等；隔離爆炸加工目前已采用的主要有爆炸成形和爆炸校形。

原理爆炸成形是利用炸藥的爆炸能量使金屬加工成一定的形狀。它是金屬爆炸成型的一種重要類別。

爆炸成形時，爆炸物質(zhì)的化學(xué)能在極短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為周圍介質(zhì)(空氣或水)中的高壓沖擊波，并以脈沖波的形式作用于坯料，使其產(chǎn)生塑性變形并以一定速度貼模，完成成形過程。沖擊波對坯料的作用時間為微秒級，僅占坯料變形時間的一小部分。這種高速變形條件，使爆炸成形的變形機理及過程與常規(guī)沖壓加工有著根本性的差別。

金屬粉末或非金屬粉末在極短的時間內(nèi)經(jīng)受巨大作用，將改變粉末通常固有的特性，如粉末體一般壓制時所呈現(xiàn)的彈塑性5。爆炸壓制的特點是爆炸時產(chǎn)生的壓力極高，施于粉末體上的壓力速度極快，而且不可用一般壓形理論來解釋。

爆炸成形的特點1).工藝優(yōu)點**(1).**可在室溫下進行壓實，壓實密度接近理論密度；

**(2).**可在低于一般燒結(jié)溫度下進行熱壓實，使壓實件具有超細晶粒結(jié)構(gòu)或非平衡結(jié)構(gòu)等；

**(3).**能壓制各種粉末組合，而沒有組成相之間的相互作用。

2).應(yīng)用特點**(1).**適合于小批量、大型且形狀復(fù)雜的產(chǎn)品的生產(chǎn)（如導(dǎo)彈及飛機的某些部件）；特別是零件尺寸及所需壓力超過現(xiàn)有壓力機的能力時。

**(2).**由難以加工材料（如高強度耐熱金屬）所制造的零件。

**(3).**在大型零件上可以保證嚴格的制造公差，和沖床成形相比，可獲得較高的表面光潔度。

**(4).**可充分利用金屬的延伸性，省略了機械成形時所要求的中間退火工序。

**(5).**可調(diào)整工件整個表面上的爆炸壓力分布，避免機械成形時可能產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

**(6).**實現(xiàn)某些機械方法難以達到的加工手段（如復(fù)雜大型零件、粉末壓制成型、硬化加工、可控切割等）。

**(7).**需建立爆炸場地、訓(xùn)練有關(guān)爆破技術(shù)人員。

**(8).**存在爆炸噪聲等安全問題。

總之，決定是否采用爆炸成型方法主要考慮爆炸成型方法的唯一性和經(jīng)濟性。

爆炸成形系統(tǒng)組成與分類1).成形系統(tǒng)組成爆炸成形、整形和翻邊的工藝十分近似。通常都是采用隔離爆炸加工方法。此外，隔離爆炸加工法還可用于鍛造、軋花紋和波紋等方面的加工。

典型的爆炸成形系統(tǒng)由四個基本部分組成。

**(1).**炸藥或火藥（用火藥時可以采用接觸裝藥爆炸成形）；

**(2).**能量傳遞的介質(zhì)（水、油、砂或空氣等）；

**(3).**模具；

**(4).**工件。

在有些加工過程中還需要成形水槽、空氣壓縮機、真空泵、液壓機和搬運模具及工件用的起重機等輔助設(shè)備。

2).爆炸成形系統(tǒng)分類爆炸成形系統(tǒng)分為開式和閉式兩種。二者一般都采用凹模；開式系統(tǒng)一般是在一個整體的模具上制出型腔，而閉式系統(tǒng)則需要采用組合式模具；開式系統(tǒng)只使用猛炸藥，閉式系統(tǒng)猛炸藥和火藥都可以使用，通常多使用火藥；開式系統(tǒng)對加工零件尺寸沒有多大限制，閉式系統(tǒng)加工零件尺寸一般較?。ɡ缧∮?cm），否則所需模具壁厚和大小將大大增加模具費用，模具還可能產(chǎn)生破片，此外還應(yīng)考慮爆轟氣體對模具的腐蝕作用。閉式系統(tǒng)一般用于薄材精密零件的成形加工。

許多不同尺寸、形狀、材料的金屬零件都可以用爆炸成形的方法制造。

爆炸成形所用的金屬材料差不多已遍及現(xiàn)有的所有種類，其中有代表性的列于表1-1中。

爆炸成形的零件的重量可以從幾克到幾噸；零件的尺寸范圍為0.025～6m，零件的材料厚度可以從0.1～150mm。零件的形狀多種多樣，主要有板狀、杯形、圓筒形等。實踐證明：爆炸成形在制造形狀特殊和復(fù)雜的零件方面，具有十分優(yōu)異的能力。

爆炸成形的方法與裝置根據(jù)加壓方式的不同，爆炸成形可分為直接加壓式和間接加壓式。

1).直接加壓式直接式爆炸裝置(圖1-2)中的炸藥與金屬粉末不用模具隔開,其常見裝置為柱狀壓實裝置。盛裝粉末的容器周圍被炸藥覆蓋，在圓柱頂端是錐形物，爆轟從頂部開始，并產(chǎn)生自上而下的過程。此裝置簡單，成本較低，可產(chǎn)生大于2.2KN的力；且圓柱筒可無限加長，所以足以產(chǎn)生尺寸較大的試樣。

缺點是產(chǎn)生的收縮波不均勻，工藝參數(shù)難以精確控制。

2).間接加壓式間接式爆炸裝置(圖1-3)是將炸藥和被壓實粉末用硬質(zhì)金屬模具分開，其裝置有平面飛片裝置、單柱塞裝置以及柱狀雙活塞裝置。

間接法一般具有工藝參數(shù)容易控制、產(chǎn)品質(zhì)量較高等優(yōu)點；但它需要復(fù)雜的裝置，成本較高，并僅能制備簡單的小尺寸試樣，具有一定局限性。

爆炸成形的應(yīng)用廣義的爆炸成型包括爆炸脹形、爆炸拉伸、爆炸、校形 、爆炸雕 刻等。構(gòu)成爆炸成形裝置主要有四個部分：炸藥、成形工件、成形模具和傳壓介質(zhì)。幾種典型的爆炸成形裝置示于圖1-4中。

爆炸焊接是迄今為止在許多工業(yè)部門獲得最廣泛應(yīng)用的一種爆炸成型技術(shù)，也是迄今為止把兩種或多種金屬組合大面積地復(fù)合在一起的最有效的技術(shù)手段。爆炸復(fù)合的面積少則幾平方米。多則十幾甚至幾十平方米，復(fù)合率一般都在95%以上，復(fù)合界面的結(jié)合強度一般大于母材中強度較弱的那種材料本身的強度。爆炸焊接速度很快，一般在幾微秒內(nèi)完成，因此基本上不改變母材的整體性能。爆炸焊接屬固相焊接，界面很少熔化，因此爆炸焊接的材料可以經(jīng)受各種冷熱加工6。爆炸焊接的另一重要特點是材料適用面廣。

根據(jù)不同的需要?？梢栽O(shè)計各種不同的爆炸焊接裝置。圖1-5是幾種典型的實驗裝置草圖。其中包括平面爆炸復(fù)臺(圖1-5(a))，柱面爆炸復(fù)合(圖1-5(b))和管與管板的爆炸焊接(圖1-5(c))等。

爆炸焊接技術(shù)的應(yīng)用可以分為兩個方面。一是用來生產(chǎn)各種復(fù)合材料，例如不同金屬組臺的復(fù)合板材、帶材、管材或棒材等，主要用于制造各種壓力容器、貯罐、反應(yīng)釜以及各種煞車片、雙金屬軸套和電解電極等。這類應(yīng)用主要采用圖1-5(a)或圖1-5(b)所示裝置。二是作為連接技術(shù)應(yīng)用于各種制造業(yè)中，例如 ：各種列管式交換器中管與管板的爆炸焊接，造船業(yè)中鋁上層建筑與鋼甲板的連接等。因此爆炸焊接技術(shù)在石油、化工、輕工、電子、電力、造船、航空、航天、原子能等許多工業(yè)部門都有廣泛的應(yīng)用。

在爆炸成型諸項內(nèi)容中最具發(fā)展?jié)摿Φ氖潜▔簩嵓夹g(shù)。主要是宇航部門和原子能工業(yè)要求用壓制成高密度的粉末材料來制造一些特殊的零部件。爆炸壓實不僅可以把松散的粉末材料壓實到其理論密度的90%以上，而且可以把用傳統(tǒng)工藝不能壓制的金屬、陶瓷材料以及低延展性金屬等壓制成高強度復(fù)合材料。

當(dāng)前爆炸壓實技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅是用來制取高密度粉狀材料，而且更重要、更有前途的是用來合成新材料和對粉末材料的沖擊活化和改性。

爆炸產(chǎn)生的高溫高壓能使物質(zhì)只有在高溫高壓下才存在的亞穩(wěn)相顯現(xiàn)出來，從而獲得在常溫常壓下得不到的物相。另一方面，爆炸產(chǎn)生的高溫高壓能有效改變原子間的距離和原子外層電子云的狀態(tài)，從而實現(xiàn)某些常規(guī)條件下不能實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，因而能夠合成各種具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的新材料。目前，國內(nèi)外爆炸合成的新材料品種很多，其中包括納米級材料、高溫超導(dǎo)材料、金屬 間化舍物、精細陶瓷 和各種復(fù)合材料等，在不同的工業(yè)部門和許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

爆炸產(chǎn)生的沖擊渡在物質(zhì)中的傳播也可以產(chǎn)生神奇的效應(yīng)。爆炸可以使物質(zhì)的顆粒尺寸變小，晶格畸變增加，從而產(chǎn)生大量的細觀粒子和微觀缺陷，因而反應(yīng)活性大大提高。例如：氧化鈦粉末經(jīng)沖擊活化后催化活性提高約兩個數(shù)量級，鐵酸鋅催化劑經(jīng)沖擊波處理后，在乙醇和硫化氫水溶液脫氫反應(yīng)的催化活性明顯增強，脫氫速率大大提高。再如氮化鋁粉末經(jīng)過沖擊波處理后燒結(jié)活性明顯增強，不僅使燒結(jié)溫度顯著降低，而且燒結(jié)后的熱壓成型密度可達到其結(jié)晶密度97%。

爆炸成形的優(yōu)勢及發(fā)展趨勢1).優(yōu)勢由上述介紹我們可以看到爆炸成形與其它加工手段相比有如下幾個特點 。

首先是高能率。一般說來，1g炸藥爆炸所釋放的能量達數(shù)千焦耳，而炸藥爆炸的時間在微秒量級，如此之高的能量在如此之短的時問內(nèi)釋放出來，因此是一個高能率過程。爆炸產(chǎn)生的壓力一般在十幾吉帕，溫度高達數(shù)千度，這樣的高溫高壓條件是一般手段難以達到的，而在這樣的高溫高壓條件下，物質(zhì)的性態(tài)和變化都與常規(guī)條件下不同，了解和認識物質(zhì)在爆炸產(chǎn)生的高溫高壓條件下所發(fā)生 的現(xiàn)象和規(guī)律，從而為建立新工藝、合成新材料尋找新的技術(shù)途徑，這正是爆炸成形的一個研究目標。

爆炸成形的另一個特點是高效益。由于爆炸產(chǎn)生的壓力很高，時間很短，因此爆炸成形的速率很快，效率很高；爆炸成形一般不需要復(fù)雜的大型設(shè)備，還可以節(jié)省陽模；爆炸復(fù)合可以節(jié)省大量稀有貴重金屬；爆炸硬化可以顯著延長工件使用壽命；用爆炸合成的微粉制成的切削刀具，其使用壽命比硬質(zhì)舍金刀具提高10倍，磨損率降低10一20倍，還能以車代磨，提高工效2一l0倍6；至于爆炸合成的納米級材料、高溫超導(dǎo)材料、精細陶瓷和其它復(fù)合材料，在許多新興的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，其經(jīng)濟和社會效益無法估量。

2).發(fā)展前景在當(dāng)今世界正在興起的新產(chǎn)業(yè)革命中，新材料是其重要內(nèi)容之一。而在新材料的制備上，爆炸成形有著傳統(tǒng)加工工藝無法取代的重要作用和巨大潛力。爆炸成形另一個特點是高科技。爆炸產(chǎn)生的高溫、高壓是實現(xiàn)爆炸成形的動力和條件，而材 料在高溫、高壓下的不同響應(yīng)則是產(chǎn)生爆炸成形各種神奇效果的直接原因。爆炸成形實際上是一個多學(xué)科相互交叉、相互滲透的高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)，未來有很廣闊的前景。