| 单词 | 爆炸加工 |
| 释义 | 【爆炸加工】 拼译：explosive metal working 爆炸力学就是要从定性、定量两方面来描述爆炸过程的力学，而爆炸加工则是利用爆炸力学的全部内容去处理一些特殊的加工内容，它包括：爆炸成形，爆炸复合，爆炸切割，爆炸硬化，爆炸烧结，爆炸消除残余应力等。所以爆炸加工是包含在爆炸力学学科内容之内，同时又具有本身固有的工程应用特点，它是一门边缘性学科。它涉及爆轰物理学，其内容包括炸药的化学反应特征，炸药爆轰过程及爆轰参数的理论及工程计算方法；爆炸气体力学，其内容包括爆炸产物在其形成的特定流场中的压力场，密度场计算；介质材料对爆炸作用的响应，即介质材料在冲击加载下的力学与物理性能的研究，其冲击加载下的本构模型，特别要研究材料在高应变率下的性质和应变的局部化现象，如绝热剪切带、再结晶、热塑性、空穴压溃、断裂、相变、微观裂缝、界面现象等的研究。它把固体力学、气体力学、应力波理论、材料性态都耦合在一起了。 在爆炸加工技术中，通常把爆炸成形称为爆炸加工领域中的第1代技术，爆炸焊接是第2代技术，而爆炸烧结是爆炸加工中的第3代技术。爆炸成形 1898年，首先出现制造自行车构架中胀形管件的第1个英国专利；1909年有爆炸成形金属板料的美国专利；50年代中期，由于巨大的宇航工业对新金属加工方法的要求，给爆炸成形一个巨大推动，1960年美国已有不少于80个单位计划同时进行爆炸成形加工；北美航空公司用爆炸成形法生产了10m的2014铝合金的球形封头的巨大瓜瓣零件，航空动力公司制造了3．2mm，直径1．37m的AMS6434高强度钢封头。中国从60年代初也开始了爆炸成形的研究工作，对爆炸成形模型律研究，爆炸拉深，爆炸胀形的具体工艺实施以及爆炸成形阴模结构设计都取得了比较成熟的经验。1981年发表的由郑哲敏等编著的《爆炸加工》专著，总结了中国20年来的发展爆炸成形理论与工艺的成就。1988年张铁生创造了台阶形“球缶”直接爆炸成球形球缶的新工艺；1990年张凯创造了把直圆铜管直接爆炸成具有精确尺寸的弧形圆连铸结晶器的新技术。爆炸成形的优点是有多方面的适应性、设备投资低以及不受限制的潜在能源。其炸药可做成各种形状。如带状、片状以及根据最适合成形部分轮廓所需压力分布的任何形状，通过水介质，从改变吊高和选用不同炸药着手可以使压强从2～3GPa至一般压力加工所用压强值，它能改变压力分布和成形时压力强度，使能量在一个很大范围内变化，从而提供成形加工的适应性，而且在爆炸成形范围内的高速度变形将增大材料的延伸性。其缺点是在有模成形时，成形内腔必需抽真空；操作是手工操作；大型爆炸件的模具制作费用也是很昂贵的。爆炸复合 又称爆炸焊接。它可以使绝大多数金属材料相互复合在一起，而且是全面积的复合，形成一种兼有两种或多种金属(或合金)性能的复合板材或管材，大大扩展了现有金属(合金)的性能及应用范围。以铝－钢复合为例，这两种金属材料其融点强度、热膨胀系数都很不相同，在其它结合技术中几乎是不可能焊在一起的，而采用爆炸焊接的复合技术却是很成功的。爆炸焊接方法是美国L．R．Carl在1944年首先发现的，1957年美国的V．philipchk第一次把爆炸焊接技术引入到工业应用上，此后英、前苏、德、捷克、日本等国相继展开了对这门新工艺的开拓与研究。任何一种良好的界面结合，都希望具备下列3个要素：(1)新鲜的没有氧化物污染过的焊接表面；(2)具有使界面接近溶化或热软化的温度，以活化界面分子；(3)一定的外载使焊接界面接触紧密。普通焊接并不同时具备这3个条件；而在爆炸焊接中这三者都一一“自动”具备了，而且是那末充分和强烈。因为在爆炸焊接中，再入射流的形成就是一个“自清理”的过程，它为焊接自动提供了新鲜的无污染的焊接表面；绝热剪切层的形成，使焊接界面上出现一薄层的高温软化层，它激活了界面分子使之发生相互结合；碰撞点附近高压，使需要结合的表面紧紧地接触在一起，有利于分子间的相互扩散和结合。这样，爆炸复合理论内容就应该包括：爆炸载荷作用下的飞板运动理论；射流形成理论；碰撞点近处速度场、压力场和应变力场的计算方法；高应变率、高温、高压下的材料性质以及爆炸焊接界面的失稳机理等内容。在工程上应用较广的爆炸复合技术有单层复板焊接，焊接板幅可达2×8m2，复板厚度从1～20mm；金属管的外包与内包焊接；不同材料和同种材料管的相对焊接，不过只能是搭接焊；管与管板焊接，主要应用于热交换器的焊接或由于个别管子损坏而漏水，也可通过爆炸焊方法把管堵塞；多层爆炸复合焊；超多层复合爆炸焊，例如可将长1．2m，宽90mm的16层紫铜板(每层1mm)在其两端250mm长地方复合在一起，而中间不焊，制成一个特大电流软电缆；也可将200层厚0．025mm非晶态薄箔焊成一块平板，且焊后仍保持非晶态等。爆炸烧结 国外又称爆炸压实，其对象包括金属；合金粉末；陶瓷；金属－陶瓷；金属－聚合物；非晶态合金；超硬材料(金刚石，立方氮化硼)的合成与固结。在80年代出现了高潮，其背景是由于科学与技术的发展对材料提出新的更高要求。而传统的工艺对发掘新材料的潜力已趋于极限状态，为了得到新型的高性能材料，不得不寻求新的工艺方法。其中急冷凝固合金是非平衡态的产物，具有一系列的力学，化学与电磁学方面的优异性能是有广阔前景和潜力的新型材料，今后将得到广泛应用。但急冷凝固所制备的只能是粉末、丝材和箔材，要想得到大的三维块体结构材料，只有通过挤压与浇结。若利用常规方法，由于热加工时间较长，急冷凝固材料的优异性质将会丧失，特别像非晶态材料，采用常规方法由于晶化而无法烧结。爆炸烧结由于击波的瞬态加载，击波的持续时间为微秒量级，在0．1μs内可使粉末颗粒表面部分升温1000K。使之熔融而相互结合，而其粉末颗粒内部仍保持相对低温，表面热量迅速向内部导热，对其表面起“冷淬”作用，从而使被烧结粉末仍能保持非平衡态凝固的优异特性。陶瓷结构件也是当今国际上研究的热门，如Si3N4，Sic等热熔性陶瓷具有硬度高、熔点高、抗高温、抗腐蚀、低摩擦系数等性质，常规的高温加压结方法都要在加添加剂情况下烧结，且烧结密度很难达到95%以上，而爆炸烧结可在无添加剂情况下达到97%以上的烧结密度，从而有可能大大提高其烧结体的温度。同时爆炸烧结的瞬态加温特性，可以阻止纳米级(nm)陶瓷粉末在烧结时的晶粒粗化，可保持超细陶瓷粉的优异性能。硅化合物(如NbSi2、MoSi2和Ti5Si3等)金属间化合物具有高硬度，高的导电率与导热率，正的电阻温度系数和顺磁性，有很好的高温力学性质，但这些材料性脆，低冲击阻抗，但仅有较好的热冲击阻抗，这给烧结带来严重的问题。日本的东京技术研究所的Sawaoka等人在1987年首先提出一种冲击诱导化学反应的爆炸烧结技术，它是利用Si，Ti，Mo，Nb，C，B等混合粉末在受到冲击时发生化学反应，放出大量热量，使冲击粉末达到很高温度来帮助合成与烧结。1988～1990年，在国家“863”计划支持下，中国科学院力学所、大连理工大学等4个单位开展了急冷凝固合金及结构陶瓷的爆炸烧结工作，为中国的爆炸烧结研究揭开了新的一页。其中非晶钴基合金与微晶铝的烧结密度达到99%T．D(理论密度)，Si3N4，SiC陶瓷的烧结密度达到到97%T．D以上，但上述工作都尚未能进入工程应用。爆炸烧结的理论涉及到爆炸力学与材料科学两个领域方面内容。仅从力学方面来说，其理论研究的内容应该是：爆炸烧结的机制；材料爆炸烧结的本构雨贡纽方程，亦即其加卸载的状态方程(或本构方程)；爆炸烧结力学过程的冲击波理论和数值模拟计算；采用圆管收缩爆炸装置时，汇聚激波在中心轴附近形成的马赫反射条件及V．Neumann三波点理论失效后的三波点模型等。爆炸烧结技术实质上是多孔材料在激波绝热压缩下发生高温压实原理的应用。有关多孔材料的冲击绝热压缩现象及其状态方程的描述，зедввовпч，McQueen，AдвтLuдер，Herrmann等早期均进行过讨论，当时认为粉末在激波压缩下的升温，在粉末的颗粒内部和界面是均匀一致的。近年来爆炸烧结的实践表明：粉末颗粒的升温和熔化首先发生在粉粒的周界上，热能在微秒量级时间内在粉粒界面积聚导致表层熔融和结合，但这种热能产生的机制迄今在学术界仍是一个有争议的问题。Linse认为固结是由于颗粒发生变形，流动充填了空穴和缝隙，从而使颗粒间接合，因而他认为颗粒变形、发热和软化热熔的过程是主要机制。Wilkins认为在高压状态下，许多材料均呈现相当高的韧性，从而在动载荷下发生塑性流动和升温，使相邻颗粒发生局部焊接。Morris在较早时候认为粉末的激波固结过程类似于板一板之间的爆炸焊接。Lotrich等还认为空穴中的空气绝热压是颗粒发生熔化的根源。Flinn和Williamson等用二维数值模拟方法对粉粒的塑性流动和空穴的闭合过程进行了数值模拟，给出了空穴闭合过程中，因界面高速碰撞所形成的射流的高速侵彻形成的局部高温区；Flinn的计算结果与丝材的爆炸烧结实验现象吻合良好，这是迄今定量描述烧结机制的重要论述。中国的邵丙璜在论述了上述各种论点之后，定性地提出在粉末的爆炸烧结中最主要的升温机制是2个：(1)粉粒间的相互滑动形成的绝热摩擦升温。(2)粉粒间形成的碰撞焊接，碰撞点附近由于剪切应变率γ可高达105～1091／s，它所引起的粘塑性剪切应力τ可高达102～103MPa，相应剪切应变能的温升可达到材料熔点并使界面层熔融。正是这二种升温机制将热能沉积到界面上的，高能率，时间短，热传导来不及把热能传导到粉粒蕊部，从而使界面上形成熔融薄层，在爆炸烧结中起了重要作用。【参考文献】：1 Ezra A A著．金属爆炸加工的原理与实践．张铁生，等译．北京：国防工业出版社，19812 郑哲敏等编著．爆炸加工．北京：国防工业出版社，19813 邵丙璜，张凯著．爆炸焊接原理及其工程应用．大连：大连工学院出版社，19874 张凯，奚进一，高均波．爆炸与冲击．1991，11(1)5 张凯．现代物理知识．1992，66 张凯，李晓杰．大连理工大学学报，1992；32(3)(大连理工大学张凯教授撰) |
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