冲击波作用下粉末颗粒效应及其形成过程

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1993.01.002 第15卷第1期 北京科技大学学报 Vol.15 No.1 1993年1月 Journal of University of Science and Technology Beijng Jan.1993 冲击波作用下粉末颗粒效应 及其形成过程 解子章·邱军*杨让· 摘要：采用两种颗粒尺寸相差悬殊的高速钢粉末进行爆炸烧结机制的研究，发现了明显的“颗 粒效应”。烧结过程首先在小颗粒变形量最大的尖角处发生熔化，在冲击波作用下使液体流激烈 运动，加速了颗粒的熔化，最后使颗粒相互粘结在一起，达到烧结的目的。 关键词：爆炸烧结，颗粒效应，冲击波，变形 Powder Grain Effect under Shock Wave Motion and Its Processing Xie Zizhang Qiu Jun'Yang Rang' ABSTRACT:Mechanism of explosive sintering of two kings of high speed steel powder with remarkable difference in frain size is studied,In the course of sintering "grain effect"is found apparently.That is.for the HPS powder with the same composition,small grain is prior to melting than the large.The melting process takes place in peak pin.Melting bed will gradually build along the grain surface with the increase of shoce energy,there by resulting in intensifying fluid motion.accelerating grain melting.Finally grains bind each other.sinter- ing occurs. KEY WORDS:explosive sintering,grain effect.shock wave.deformation. 近年来，国外在粉末爆炸烧结领域的研究工作十分活跃。对于粉末在冲击波作用下的 致密化规律、烧结机制及烧结制品的性能有较多的文献报导1-6)。关于爆炸烧结机制众 多的研究者认为：在瞬时高温高压下产生液相使粉末颗粒连结在一起达到烧结的目的。但 到目前为止，除文献[门]报导了粉末颗粒在冲击波作用下的“颗粒效应”，未见有关该过程 液相量的控制及液相形成过程的研究报告。 本文采用两种粒度相差悬殊的高速钢粉末进行爆炸烧结，研究液相的形成过程及大小 颗粒在冲击波作用下的不同行为。通过控制冲击波压力、粉未粒度及粒度组成，进而控制 1992-06-20收稿 +材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engincering) 第一作者解子章男56数授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 吐 一 恤 多 。 。 冲击波作用 下粉末颗粒效应 及其形成过程 解 子 章 ’ 邱 军 杨 让 ’ 摘要 采 用两种颗粒尺寸 相差悬殊的高速钢粉末进行爆炸烧结机 制的研究 ， 发现 了 明显 的“ 颗 粒效应 ” 。 烧结过程首 先在小颗拉变形 最大的 尖角处 发生熔化 ， 在 冲 击波作用 下使液体流激烈 运动 ， 加速 了颗粒的熔化 ， 最后使颖粒相互粘结在一 起 ， 达 到烧结的 目的 。 关键词 姗炸烧结 ， 颗粒效应 ， 冲击波 ， 变形 人。 ’ ， “ ， ， ， · ， ， ， ， ， 近 年来 ， 国外 在粉 末爆炸 烧结领域的 研究 工 作十分 活 跃 。 对 于粉 末在 冲 击波 作用 下的 致密 化 规 律 、 烧 结机 制 及 烧结 制 品的性 能 有较 多的文 献 报导 二’ 一 〕 。 关 于 爆 炸烧 结机 制众 多的 研 究 者认 为 在瞬 时 高温 高压 下产生 液 相使粉末 颗粒 连 结在 一起 达到烧 结的 目的 。 但 到 目前为 止 ， 除 文 献 报 导 了 粉 末颗 粒 在 冲击 波 作 用 下 的 “ 颗 粒 效 应 ” ， 未 见有 关该 过 程 液相量的控 制 及液 相形 成过 程 的 研究报告 。 本文采 用两 种 粒 度相差悬 殊 的 高速钢 粉 末进 行爆炸烧 结 ， 研 究液 相的形 成过程及 大小 颗粒在 冲击波 作 用 下的不 同行 为 。 通过控 制冲击波压 力 、 粉末粒 度及 粒度组成 ， 进而控制 一 一 收稿 材料科学 与工程 系 第 一 作者 解子 章 男 教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．01．002

Vol .15 No.1 冲击波作用下粉末颗粒效应及其形成过程 ·11· 液相生成量，获得良好烧结质量。 1 实验方法及原材料 采用氨气雾化法制备的FT15高速钢球形粉末，含氧量在5×102%以下，其化学成 分为：1.5%C,4.0%Cr,5.0%V,5.0%C0,12.0%W,其余为Fe。粒度相差6-12倍，并按一 定的比例混合均匀后装入包套抽真空封焊。实验采用柱面收缩爆炸装置3)。 2实验结果 本实验采用爆轰压力分别为3.0GPa、5.2GPa、7.0GPa进行爆炸烧结，观察样品横 截面，研究相同成分高速粉末，小颗粒的熔化过程，实验结果分述如下。 2.1较低爆轰压力下(3GPa)烧结试样的观察 光学显微镜下观察分析表明：大颗粒边缘部分受小颗粒挤压产生塑性变形。随粒经增 大，边缘形变量减少，迎着冲击波传播方向的一侧形变量大，相反方向的一侧形变量小， 见图1，小颗粒在沿冲击波传播方向产生蘑菇状变形，少部分颗粒的边界消失。箭头所示 小颗粒在变形最大的尖角处开始熔化，熔化部分呈白色，具有胞状结构。 2.2中等爆轰压力（⑤.2GPa)烧结试样的观察 33m 图1在冲击波作用下大小颗粒的变形 图2小颗粒开始大量溶化 Fig.I Deformation of small and large grains. Fig.2 Small grains begin to melt in large under shock wave action amount 图2是金相组织照片。随冲击波压力增高，小颗粒开始沿颗粒界大量熔化，未溶化部 分大多呈球形，(1)颗粒原蘑菇变形特征已消失。大颗粒的边缘内白色边界，且较光滑。 图2中左侧可以观察到熔化部分汇聚形成的液体流。图3是大颗粒富集的地方。图中大颗 粒之间的小颗粒基本已熔化，左下角处的小颗粒虽未全部熔化，但已烧结在一起。此外， 在中压试样中还可观察到如图4所示的组织。即在大颗粒一侧，迎着冲击波方向的小颗粒

冲击波作用下粉末级粒效应及其形成过程 液相生成量 ， 获得 良好烧结质量 。 实验方法 及原材料 采 用氮气雾化法 制 备的 高速钢球 形粉 末 ， 含氧量 在 大 ” 以 下 ， 其化学成 分为 ， ， ， ， ，其余 为 。 粒 度相 差 一 倍 ， 并按一 定的 比例混合均 匀后装人包套抽真空封焊 。 实验采用柱面收缩爆炸装置 〔‘ 〕 。 实验结果 本 实验 采用 爆 轰压 力分别 为 、 、 进 行爆炸 烧结 ， 观察样 品横 截面 ， 研究相 同成 分高速粉末 ， 小颗粒的熔化过程 ， 实验结果分述如 下 。 较低爆轰压力下 烧结试样的观察 光 学 显 微镜下观察分析表 明 大 颗粒 边缘部分受 小颗粒挤压 产生 塑性变形 。 随粒经增 大 ， 边 缘形 变量 减 少 ， 迎 着冲击 波 传播方 向的 一侧形 变量 大 ， 相反 方 向的一 侧形变量小 ， 见 图 ， 小颗粒在沿 冲击 波传播方 向产生蘑菇状 变形 ， 少 部分颗粒的边界消失 。 箭头所示 小颗粒在 变形最大的尖 角处开 始熔化 ， 熔化部分呈 白色 ， 具有胞状结构 。 中等爆轰压力 烧结试样的观察 图 在冲击波作用下大小颗粒的变形 图 小颗粒开始大量溶化 · 图 是金相组 织照 片 。 随 冲击波压 力增高 ， 小颗粒开 始沿颗粒界大量熔化 ， 未溶化部 分大 多呈 球形 ， 颗粒原蘑菇变形特征 已消失 。 大颗粒的 边缘内白色边界 ， 且较光滑 。 图 中左 侧可 以观察到熔化部分汇聚形成 的液体流 。 图 是大颗粒富集的地方 。 图 中大颗 粒之 间的 小颗粒基本 已熔化 ， 左 下 角处 的小颗粒 虽未全 部熔化 ， 但 已烧结在一起 。 此外 ， 在 中压试样 中还可 观察到如 图 所示的组织 。 即在大颗粒一侧 ， 迎 着冲击波方 向的小颗粒

·12· 北京科技大学学报 1993.No.1 50m 331m 图3大颗粒富集处小颗粒熔化状态 图4大颗粒周围存残的小颗粒 Fig3 Melting state of small grain where large Fig.4 Small grain remained around the large grains aggregate grains 全部熔化，而在另一侧仍有1至2层小颗 粒残存，并与熔化区域相邻的小颗粒大多 数已熔化掉一半而呈近似半球形。图中大 颗粒在冲击波传播方向上直径变短，成为 椭球形。 2.3较高爆轰压力下(7.0GPa)烧结的试样 随冲击波压力的进一步增高小颗粒全 部熔化。在组织中只有残余的大颗粒和熔 化物。见图5。照片上大颗粒边缘平滑， 定量金相结果表明高压试样中大颗粒平均 Uum 粒度为1804m,比低温压试样减小 424m,证实大颗粒表层有一定厚度的熔 图5.高压爆轰烧结试样中颗粒熔化状况 化。 Fig.Molten state of grains under high pressure ex- plosive sintering 3讨论 当两种颗粒尺寸相差悬殊的粉末混合后进行爆炸烧结时，由于小颗粒比表面积大，冲 击波对小颗粒所做的功相对也大，使得小颗粒区域优先于大颗粒熔化。这种现象为动态载 荷作用下所特有，称为爆炸烧结中的“颗粒效应”。 就小颗粒而言，能量在其表面的分布也存在差异。小颗粒在尖角处表层形变量最大， 同时与周围的小颗粒摩擦及碰撞作用也大，因此尖角处的能量值最高。这已被实验结果证 实。在低压试样中，个别小颗粒的熔化是从尖角处开始（见图1)并沿颗粒界形成一个熔 化层。使得小颗粒烧结在一起。中压试样中可明显看到大部分小颗粒在熔化过程中残存的 部分是球形核心；有的颗粒只熔化一半，呈半球形，但它们共同的特点是尖角部分已消

北 京 科 技 大 学 学 报 〔 一、 图 大颗粒富集处小颗粒熔化状态 全 部熔 化 ， 而 在 另一侧 仍 有 至 层小 颗 粒 残 存 ， 并与熔化 区 域 相 邻 的 小 颗粒 大 多 数 已熔 化 掉 一 半 而呈 近 似半球 形 。 图 中大 颗粒 在冲击 波 传播方 向上直径变短 ， 成 为 椭球形 。 较高爆轰压力下 烧结的试样 随 冲击 波 压 力 的进 一步增高小 颗粒 全 部熔化 。 在 组 织 中只有残 余的大颗粒和 熔 化 物 。 见 图 。 照 片 上 大 颗粒 边 缘平 滑 ， 定量 金 相 结果表 明 高压 试样 中大 颗粒 平 均 粒 度 为 拜 ， 比 低 温 压 试 样 减 小 ， 证 实 大 颗 粒 表 层 有 一 定 厚 度 的 熔 化 。 图 大颗粒周 围存残的 小颗粒 图 高压爆轰烧结试样中颗粒熔化状况 尸 讨 论 当两种颗粒尺 寸相差悬殊 的粉末混合后进 行爆炸烧结时 ， 由于小颗粒 比表面积大 ， 冲 击波对小颗粒所做 的功相对也大 ， 使得小颗粒 区域优 先于大颗粒熔化 。 这种现象为动态载 荷作用 下所特有 ， 称为爆炸烧结 中的“ 颗粒效应， 就小颗粒 而言 ， 能量在其表面的分布也存在差异 。 小颗粒在尖角处 表层形变量 最大 ， 同时 与周 围的小颗粒摩擦及碰撞作用也大 ， 因此 尖角处的能量值最高 。 这 已被实验结果 证 实 。 在低压试样 中 ， 个别小颗粒 的熔化是从 尖角处开始 见 图 并沿颗粒界形成 一个熔 化层 。 使得小颗粒烧结在一起 。 中压 试样 中可 明显看到大 部分小颗粒在熔化过程 中残存的 部分是球形 核心 有的颗粒 只熔化 一 半 ， 呈半球 形 ， 但 它们共 同的特 点是尖 角部分已 消

Vol.15 No.1 冲击波作用下粉末颗粒效应及其形成过程 ·13· 失。在液相的形成过程中紧靠大颗粒边界的小颗粒由于配位数（相邻颗粒数目）小，颗粒间 相互摩擦、碰撞等作用的机会少，反之，位于两大颗粒间的小颗粒的互碰撞机会增多，这 样，最先熔化的是位于两大颗粒之间中部分区域的小颗粒。随冲击波压力增加小颗粒熔化 量增加，熔化部分沿颗粒界汇聚在一起形成液体流（见图2），并在冲击波的作用下剧烈 运动，冲刷颗粒，加速了颗粒的熔化过程。此外，由于大、小颗粒质量不同，小颗粒对大 颗粒的冲击速度大于大颗粒对小颗粒的冲击作用（见图，大颗粒前后变形的差异），这 样，大颗粒前面的小颗粒相互摩擦，变形情况更加严重，使得在大颗粒迎着冲击波传播方 向一侧的小颗粒全部熔化，而相反方向的小颗粒仍保留下来。因冲击能量很大，高压试样 中小颗粒全部熔化。 总之，所谓粉末爆炸烧结过程中的“颗粒尺寸效应”是指相同成分的金属粉末，在冲击 波作用下，随压力的增加，小颗粒优先于（或提前于）大颗粒熔化。其过程可分为以下5 个阶段：①颗粒表面温度急剧升高；②小颗粒呈蘑菇状变形：③颗粒界面消失；④开始产生液 相；⑤发生液体流动。此外，大颗粒在较低冲击波压力作用下边缘存在凹陷形变，中压 试样中大颗粒呈椭圆形，高压试样中大颗粒有一定厚度的熔化层。 4结论 将两种粒度相差悬殊的金属粉末混合后进行爆炸烧结，在冲击波作用下存在粉末的 “颗粒尺寸效应”。即小颗粒尖角处开始熔化，随之形成液体流，在冲击波作用下，加速颗 粒熔化，并且迎着冲击波方向一侧大颗粒前的小颗粒的熔化优先发生。小颗粒整个熔化过 程可分为5个阶段。 参考文献 1 Linse V D.Metallurgical Application of Shock Wave and High-Strain Rate Phenomena,New York:Marcel Dekkev Inc,1988 2 Gourdin W H.Mater Sci Eng,1984,67:179 3 Gourdin W H.J Appl phys,1984,55(1):172 4 Morris D G.MPR July,1983(5) 5 William R L,Berry R A.Shock Wave in Condersed Matter 1986.Plehum Press 6 Schwarz R B,et al.Acta Metall,1984,32(8):1235 7杨让，解子章等.北京科技大学学报，1989,11(3：213 8杨让，解子章等.北京钢铁学院学报，1987,9(1)：23

一 冲击波作用下粉末颗粒效应及其形成过程 失 。 在液相的形成过程 中紧靠大 颗 粒边界的小颗粒 由于配 位数 相邻 颗粒数 目 小 ， 颗粒 间 相互摩擦 、 碰撞等作 用的 机会 少 ， 反之 ， 位于两 大颗粒间的 小颗粒的 互碰撞机会 增 多 ， 这 样 ， 最 先熔化的是位于两 大颗粒之 间中部分 区域的 小 颗粒 。 随 冲 击 波压 力增 加小颗粒熔 化 量增加 ， 熔 化部 分沿颗 粒界 汇聚 在 一 起 形成 液 体流 见 图 ， 并 在 冲击 波的 作 用 下 剧烈 运动 ， 冲刷 颗粒 ， 加 速 了颗粒 的熔化过 程 。 此外 ， 由于大 、 小颗粒质量不 同 ， 小 颗粒对大 颗粒 的 冲击 速度 大 于 大 颗粒对 小 颗 粒 的 冲 击 作 用 见 图 ， 大 颗粒 前后 变 形 的 差 异 ， 这 样 ， 大颗粒前面的 小 颗粒 相互 摩擦 ， 变形情况更加严 重 ， 使得在大颗粒迎 着冲击 波传播万 向一侧 的小颗粒全 部熔化 ， 而相反方向的小 颗粒仍保 留 下来 。 因 冲击能量 很 大 ， 高压试样 中小题粒全部熔 化 。 总之 ， 所谓粉末爆炸烧结过程 中的 “ 颗粒尺 寸效应” 是指相 同成 分的金属粉末 ， 在冲击 波作用 下 ， 随压 力的 增加 ， 小 颗粒 优先于 或提前于 大颗粒熔 化 。 其过程可 分为以 下 个阶 段 ①颗粒表 面温度急剧升高 ②小颗粒呈蘑菇状变形 ③颗粒 界面消失 ④ 开 始产 生液 相 ⑤ 发 生液体流 动 。 此外 ， 大 颗粒 在较低 冲击 波压 力作 用 下 边缘存在 凹陷 形变 ， 中压 试样 中大颗粒呈椭 圆形 ， 高压试样 中大颗粒有一 定厚 度的熔化层 。 结 论 将 两种粒 度相 差 悬殊 的 金 属粉末混 合后进行 爆炸 烧结 ， 在 冲 击 波 作 用 下 存在 粉末的 “ 颗粒尺寸效应” 。 即小颗粒尖 角处开始熔 化 ， 随 之形 成液体流 ， 在 冲击 波作 用下 ， 加速颗 粒熔 化 ， 并且迎 着冲击 波方 向一侧大颗粒前的 小 颗粒的熔化优先发 生 。 小颗粒整个熔 化过 程可分为 个阶段 。 参 考 文 献 一 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 杨 让 ， 解子章等 北 京科技大学学报 ， ， 杨 让 ， 解子章等 北 京钢铁学院学报 ，