金屬爆炸復合材料技術特點及其應用領域

摘 要：簡述了金屬爆炸復合技術的過程以及特點，對幾種金屬復合材料的生產方法進行了比較。綜述了炸藥、爆炸工藝和材料等影響因素的研究進展，并介紹了金屬爆炸復合材料在宇航軍工、石油化工、交通運輸、金屬防腐、新能源等領域的應用情況。

關鍵詞：爆炸復合 復合材料 影響因素 應用領域

中圖分類號：TG456.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0041-02

爆炸復合是利用炸藥爆轟作為能源進行金屬間焊接的技術，是材料科學體系的豐富和擴展。爆炸復合是由Carl在1944年首先提出來的，隨后美國的Philipchuk V第一次把爆炸焊接技術引入到實際工業(yè)中，成功實現(xiàn)了鋁與鋼之間的爆炸焊接。到20世紀60年代初期，美國、前蘇聯(lián)、日本等國也相繼開展了爆炸焊接技術和理論的研究，使該項技術日趨成熟。1968年大連造船廠的陳火金等人成功制備出了國內第一塊爆炸復合材料[1]。隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬爆炸復合材料在宇航軍工、石油化工、交通運輸、金屬防腐、新能源等領域都有了廣泛的應用。

1 金屬爆炸復合材料生產技術

金屬爆炸復合材料的核心是爆炸復合技術[2]。其成形工藝是：將制備好的復板放置在基板之上，然后在復板上鋪設一層炸藥，利用炸藥爆炸時產生的瞬時超高壓和超高速沖擊，推動復板高速傾斜碰撞基板，使金屬產生塑性變形、熔化，實現(xiàn)金屬層間的固態(tài)冶金結合。對于爆炸復合的界面波機理已有許多不同的見解，鄭遠謀[3]認為爆炸復合是一種集擴散焊、壓力焊和熔化焊于一身的特殊的復合方法。復合界面為波狀結構，形成包括金屬塑性變形特征、熔化特征和原子間相互擴散特征的結合區(qū)。

爆炸復合使熔點相差大的材料也可能結合，甚至可以結合那些不相容的材料。理論上來說，爆炸復合的異種金屬在品種和數(shù)量上是不受限制的。

2 金屬爆炸復合材料質量影響因素

2.1 專用炸藥配置及布藥因素

作為爆炸復合的能源——炸藥，其配置及質量的好壞成為控制爆炸復合質量的關鍵。為了控制炸藥的爆轟速度，獲得穩(wěn)定的爆炸能量，對爆炸復合所選用的炸藥要求是[4]：（1）炸藥為粉狀，流散性好；（2）密度均勻，受人工布藥影響?。唬?）炸藥爆速適中，在2 000～2 600 m/s之間，且爆速穩(wěn)定；（4）原材料來源廣、成本低、安全性好。

配置爆速適中、爆速穩(wěn)定的專用炸藥時，往往在爆炸組分中加入與其相容的稀釋劑，以降低其爆速，同時控制布藥厚度，以達到理想的復合效果。曲桂梅等[5]選擇HW礦物粉作為稀釋劑，當其在炸藥中摻入比例在44.5%～50%，布藥厚度在50～60 mm時，炸藥爆速在2 200～2 400 m/s之間，經鋼與不銹鋼板爆炸焊接試驗表明，復合率達到100%。

2.2 爆炸復合的工藝因素

爆炸復合工藝參數(shù)（如碰撞角、碰撞速度等）的選擇直接決定了爆炸復合界面的結合形態(tài)，也決定了爆炸復合界面波形。王小緒等[6]采用小傾角法爆炸焊接試驗及數(shù)值模擬研究了鈦和鋼爆炸復合板界面波形的影響因素，當碰撞速度為648 m/s，碰撞角為16.1°時，界面波開始生成。隨著碰撞速度和碰撞角的增加，界面波波長和波高逐步增加。

2.3 爆炸復合的材料因素

爆炸復合界面波形的形狀和特征除了與爆炸復合工藝有關外，還與材料的性質密切相關。當采用相同的爆炸復合工藝時，材料密度、硬度相差較大時不易形成界面波形；而當材料相同或相近時則容易形成規(guī)則的界面波形。

3 金屬爆炸復合材料的應用領域

3.1 在宇航、軍工等方面的應用

運用鈦、鋁、銅等金屬復合材料減少重量提高航空航天裝備性能，例如，火箭艙壁、大型反射器等。與此同時，現(xiàn)代武器裝備的價值越來越高，采用金屬爆炸復合材料及時進行損傷修復，相當于節(jié)省了為補充新裝備的開支。

3.2 在石油、化工等方面的應用

石化、冶金工業(yè)中使用爆炸復合板代替許多直接工作在惡劣環(huán)境中的結構鋼，能大大提高容器、反應塔、換熱器、沉淀槽等的使用年限[7]。此外，在制鹽、制堿、制藥等工業(yè)領域也采用鈦合金、不銹鋼、哈氏合金等金屬復合材料制造耐腐蝕耐高溫的坩堝、儲罐、過濾設備等。

3.3 在防腐、海水淡化中的應用

鈦、鋯、鈮、鉭、鎢、鉬、銅等在相應的化學介質和條件下有良好的耐蝕性，它們與普通鋼組成的復合材料既有優(yōu)良的耐蝕性，又有強度高的特點，而其成本僅為上述金屬的1/2～1/5。此類爆炸復合材料為金屬的腐蝕與防護提供了新的選擇，有效解決造船和海水淡化中存在的設備腐蝕問題。

3.4 在交通運輸工具中的應用

為了提高交通運輸工具的性能和降低其成本，大量鈦、銅、鋁、不銹鋼等金屬復合材料由于其獨特的多重性能，廣泛應用于交通運輸領域，如，飛機、高鐵列車、地鐵鐵軌、鋁鋼感應板等。

3.5 在新能源技術中的應用

鋁-鋼過渡接頭在電解鋁工藝中起到了穩(wěn)定生產、提高質量和降低電耗等重要作用。此外，薄復層鈦/鋼復合板為國內電廠煙囪鋼內筒內襯材料首選；大板幅、厚復層爆炸復合材料大大推進了電站氣輪機用材的國產化進程。

參考文獻

[1]夏鴻博，王少剛，霍偉國，等.金屬爆炸焊接技術研究進展[J].熱加工工藝，2013，42（5）：203-206.

[2]王海鵬，于忠斌.爆炸復合原理、特點及展望[J].中國科技博覽，2011（8）：318-319.

[3]鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復合材料[J].焊接技術，2007，36（6）： 1-5.

[4]岳宗洪，李亞，韓剛.爆炸焊接專用炸藥的研究與應用[J].工程爆破，2011，17（2）：73-75.

[5]曲桂梅，夏金民，汪宏祥，等.爆炸焊接用低爆速粉狀乳化炸藥研究[J].工程爆破，2016，22（1）：42-45.

[6]王小緒，王金相， 趙錚，等.鋯鋼爆炸復合板界面波形影響參數(shù)研究[J].稀有金屬材料與工程，2014，43（3）：682-685.

[7]盧江，周景蓉，鄒華，等.爆炸焊接復合板在石化裝備應用中的關鍵技術研究[J].工程爆破，2011，17（4）：86-89.