CN108213406B - 一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球形雾化铝锌合金粉体及其制备方法。设计和制备出一种在燃烧时使铝粒子发生热自爆，变成纳米尺度的粒子，提高铝粒子的燃烧速率，进而实现对含铝炸药、烟火药剂等的能量释放速率的大幅度提高。两种金属的熔点和沸点差别较大，在高温冲击下其熔化过程会发生分离，低溶点的金属先熔化和气化，在热膨胀效应下，合金粒子膨胀炸裂，形成更细小的粒子。甚至是低沸点的金属达到了沸点温度发生气化，在气体膨胀作用下实现更剧烈的爆裂形成更细小的粒子。将锌和铝非晶合金化，利用锌的熔沸点以及熔化和气化的特性，使非晶合金粒子在点火过程中实现热自爆，提高其气化速率，从而提高其燃烧效率。
Description
技术领域
本发明属于金属合金粉体制备技术领域，具体涉及一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法。
背景技术
铝由于能量密度较高，氧化速率快，在含能材料体系中被广泛用作可燃剂。在含能材料体系中，铝粒子与含能材料燃烧产物中的水、二氧化碳、氧气等进行气气相反应，因此，其反应速率取决于铝粒子的气化速率。由于铝粒子的气化是表面气化，所以，铝粉的燃烧速率主要取决于铝粒子的尺寸。要提高燃烧速率，必须降低铝粒子的尺寸。而纳米尺寸的铝粒子活性低、易自发团聚成大颗粒，且与含能材料复合的工艺性差，难以实现提高含能材料能量释放速率的作用。
本发明的目的是设计和制备出一种在燃烧时使铝粒子发生热自爆，变成纳米尺度的粒子，提高铝粒子的燃烧速率，进而实现对含铝炸药、烟火药剂等的能量释放速率的大幅度提高。
非晶合金是通过超急冷凝固，使合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到长程无序结构的固态合金，这种非晶合金没有晶态合金的晶粒、晶界存在，具有许多独特的性能。铝与熔沸点远低于铝的金属形成非晶合金时，由于两种金属的熔点和沸点差别较大，在高温冲击下其熔化过程会发生分离，低溶点的金属先熔化和气化，在热膨胀效应下，导致合金粒子膨胀炸裂，形成更细小的粒子。甚至是低沸点的金属达到了沸点温度发生气化，在气体膨胀作用下实现更剧烈的爆裂形成更细小的粒子。
铝的熔点为660℃，沸点为2327℃，同时铝的气化热为291.4kJ/mol，很多燃烧条件下并不能达到其沸点温度，因此，液态的铝并不易被气化。金属锌的熔点和沸点分别为419.5℃和906℃，同时其熔化热和气化热也较低，分别为7.3kJ/mol和115.3kJ/mol。将锌和铝非晶合金化，利用锌的熔沸点以及熔化和气化的特性，使非晶合金粒子在点火过程中实现热自爆，提高其气化速率，从而提高其燃烧效率。
发明内容
由于铝粒子的气化是表面气化，所以，铝粉的燃烧速率主要取决于铝粒子的尺寸。要提高燃烧速率，必须降低铝粒子的尺寸。而纳米尺寸的铝粒子活性低、易自发团聚成大颗粒，且与含能材料复合的工艺性差，难以实现提高含能材料能量释放速率的作用。
本发明的目的是设计和制备出一种在燃烧时使铝粒子发生热自爆，变成纳米尺度的粒子，提高铝粒子的燃烧速率，进而实现对含铝炸药、烟火药剂等的能量释放速率的大幅度提高。
铝与熔沸点远低于铝的金属形成非晶合金时，由于两种金属的熔点和沸点差别较大，在高温冲击下其熔化过程会发生分离，低溶点的金属先熔化和气化，在热膨胀效应下，导致合金粒子膨胀炸裂，形成更细小的粒子。甚至是低沸点的金属达到了沸点温度发生气化，在气体膨胀作用下实现更剧烈的爆裂形成更细小的粒子。
铝的熔点为660℃，沸点为2327℃，同时铝的气化热为291.4kJ/mol，很多燃烧条件下并不能达到其沸点温度，因此，液态的铝并不易被气化。金属锌的熔点和沸点分别为419.5℃和906℃，同时其熔化热和气化热也较低，分别为7.3kJ/mol和115.3kJ/mol。将锌和铝非晶合金化，利用锌的熔沸点以及熔化和气化的特性，使非晶合金粒子在点火过程中实现热自爆，提高其气化速率，从而提高其燃烧效率。
1.一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其特征在于既提高铝粒子的燃烧速率，又不降低其燃烧热热值。
2.如上述1所述，一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，在合金中金属铝和锌各自结晶，形成非晶态合金。
3.如上述1所述，一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其中铝和锌的含量在较大范围内可调，铝在合金中的质量含量为95％～60％，锌的含量为5％～40％。
4.如上述1所述，一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其特征在于合金粉体的粒度范围在0.5μm～200μm之间，圆度值为0.88以上。
5.如上述1所述，一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其非晶合金密度值为2.89g/cm3～4.22g/cm3，有利于其在高密度混合含能材料体系中的应用。
6.如上述1所述，一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其制备过程中采用绝氧、闭环、强机械混合、金属锭预熔化及超急冷装置，可实现合金的高纯度及非晶合金化。
7.如上述1所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)金属铝锭和金属锌锭或各自粉体的表面除杂；
(2)打开气体通道的阀门，向设备中充入惰性保护气体，所述设备包括两个预熔化炉；
(3)关闭预熔化炉的液体出口阀门，将金属铝和锌分别加入预熔化炉体中，充入惰性保护气，加热使金属熔化；
(4)打开预熔化炉的液体出口阀门，将液态金属铝和锌按预设置配比导入雾化炉中的碟式雾化器上，在雾化器上混合后喷出形成球形液滴；
(5)在雾化炉中通入低温高纯氩气，使球形液滴快速冷凝，形成合金粉体；
(6)将收集的合金粉体进行旋风分离并过筛，实现粒度分级，并密封包装。
8.如上述7所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体制备方法，其特征在于，所述预熔化炉、雾化炉的坩埚均为耐高温的喷涂陶瓷内层的坩埚，其耐高温度可达1800℃，且和其中的液态金属不发生化学反应。
9.如上述7所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法，其特征在于，所述熔化、混合、雾化、冷凝及筛分过程是连续、闭环的，且均采用惰性保护气防止粉体被氧化。
10.如上述7所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法，其特征在于，液态金属直接导入碟式雾化器上，在较短的时间内使混合金属液体混合均匀，缩短了金属镁和添加金属组元的反应时间，从而抑制金属间的互化反应；
11.如上述7所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法，在气体冷却塔内采用液氮对惰性气体直接降温，使吹扫气降到-80摄氏度以下的超低温度，吹扫气可循环，其流量为在2～20L/min的范围内可调；
12.如上述6所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法，所述惰性气体为高纯(纯度为99.99％以上)氩气或氦气等。
13.如上述7所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法，其特征在于，所述高速离心雾化的离心机转速为2000～10000转/分钟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1 1-预熔化炉1，2-预熔化炉2，3-雾化炉，4-气体冷却塔，5-收集器
图2雾化炉1’-进液口阀门，2’-碟式雾化盘，3’-雾化炉体，4’-出料口，5’-吹扫气入口，6-吹扫气出口
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步的说明。本发明所提到的比例“份”如果没有特别的标记，均以质量为单位。
本实施例提供了一种球形雾化铝锌非晶合金粉体及其制备方法，其组分及质量百分比为金属铝含量为95％～60％，金属锌含量为5％～40％。其中，金属铝和金属锌主要是以非晶态的形式分散在合金粉体中。本实施案例中，通过预熔化炉技术以及在碟式雾化盘上强机械混合技术，减少液态铝和液态锌共存的时间，从而降低其参加互化反应的量，从而使合金中有大量的单晶相的铝和锌。
本实施案例中所述金属铝锌非晶合金制备方法，采用高速离心喷雾将高温熔融的金属和锌的母合金溶液喷出，同时采用快速冷凝技术，在液滴下落到腔体壁面之前就形成冷凝成固态，避免液滴与壁面撞击再次破碎或变形，使其保持较高的球形度。
本实施案例中金属镁-添加金属组元制备过程中，金属铝锭和金属锌锭在加热熔化前需进行预处理，以便除去表面氧化膜；在金属铝锭和金属锌锭加热熔化、混合、喷雾、冷凝成型的整个过程中均在高纯惰性气体的保护下进行，避免在高温条件下被氧化，提高铝锌合金粉体中活性金属含量。
制备装置如附图1所示：金属铝锭和金属锌锭分别在预熔化炉1和预熔化炉2中进行熔化，预熔化炉采用中频辐射加热，同时熔化过程在惰性气体保护下完成。熔化后的液态金属分别通过导流管进入到进入雾化炉3中，液态金属在碟式雾化器上混合后被喷出形成球形液滴，通过控制雾化参量来控制雾滴的尺寸。采用从气体冷却塔中流出的超低温气体对球形雾滴进行吹扫，使其快速冷凝，从而使其表面较圆滑，同时具有较高的圆度值。
实施1
按如下步骤制备铝-锌(90-10)合金粉：
(1)将铝锭和锌锭分别放入两个预熔化炉中抽真空后，采用高温惰性气体吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体；
(2)利用中频加热圈对炉体进行加热，含铝锭的炉体加热到680℃，含锌锭的炉体加热到450℃，并采用氩气进行保护；
(3)将液态铝和液态锌通入雾化炉中的碟式雾化器上，通过控制各自的流速来实现90:10的质量配比。铝液和锌液在碟式雾化器上混合均匀，混合后被喷散成小液滴，控制雾化器频率为55Hz，通过控制离心机转速等参量来控制金属液滴的尺寸；
(4)将合金小液滴快速冷凝，形成低氧化固态球形铝-锌非晶合金粉体；
(5)采用振动筛对合金粉体进行粒度分级，之后进行密封包装。
其中，筛分后过325目筛，筛下铝锌合金粉体的粒度为7μm～47μm，圆度值为0.93，密度为3.07g/cm3。
实施2
按如下步骤制备铝-锌(80-20)合金粉：
(1)将铝锭和锌锭分别放入两个预熔化炉中抽真空后，采用高温惰性气体吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体；
(2)利用中频加热圈对炉体进行加热，含铝锭的炉体加热到680℃，含锌锭的炉体加热到450℃，并采用氩气进行保护；
(3)将液态铝和液态锌通入雾化炉中的碟式雾化器上，通过控制各自的流速来实现80:20的质量配比。铝液和锌液在碟式雾化器上混合均匀，混合后被喷散成小液滴，控制雾化器频率为55Hz，通过控制离心机转速等参量来控制金属液滴的尺寸；
(4)将合金液滴快速冷凝，形成固态球形铝-锌非晶合金粉体；
(5)采用振动筛对合金粉体进行粒度分级，之后进行密封包装。
其中，筛分后过325目筛，筛下铝锌合金粉体的粒度为5μm～45μm，圆度值为0.92，密度为3.43g/cm3。
实施3
按如下步骤制备铝-锌(70-30)合金粉：
(1)将铝锭和锌锭分别放入两个预熔化炉中抽真空后，采用高温惰性气体吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体；
(2)利用中频加热圈对炉体进行加热，含铝锭的炉体加热到680℃，含锌锭的炉体加热到450℃，并采用氩气进行保护；
(3)将液态铝和液态锌通入雾化炉中的碟式雾化器上，通过控制各自的流速来实现70:30的质量配比。铝液和锌液在碟式雾化器上混合均匀，混合后被喷散成小液滴，控制雾化器频率为55Hz，通过控制离心机转速等参量来控制金属液滴的尺寸；
(4)将合金小液滴快速冷凝，形成低氧化固态球形铝-锌非晶合金粉体；
(5)采用振动筛对合金粉体进行粒度分级，之后进行密封包装。
其中，筛分后过325目筛，筛下铝锌合金粉体的粒度为4μm～43μm，圆度值为0.94，密度为3.84g/cm3。
Claims (9)
1.一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其特征在于既提高铝粒子的燃烧速率，又不降低其燃烧热热值，
其中铝在合金中的质量含量为95％～60％，锌的含量为5％～40％；
所述球形雾化铝锌非晶合金粉体的制备方法包括以下步骤：
(1)金属铝锭和金属锌锭或各自粉体的表面除杂；
(2)打开气体通道的阀门，向设备中充入惰性保护气体，所述设备包括两个预熔化炉；
(3)关闭预熔化炉的液体出口阀门，将金属铝和锌分别加入预熔化炉体中，充入惰性保护气体，加热使金属熔化；
(4)打开预熔化炉的液体出口阀门，将液态金属铝和锌按预设置配比导入雾化炉中的碟式雾化器上，在雾化器上混合后喷出形成球形液滴；
(5)在雾化炉中通入低温高纯氩气，使球形液滴快速冷凝，形成合金粉体；
(6)将收集的合金粉体进行旋风分离并过筛，实现粒度分级，并密封包装。
2.如权利要求1所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其特征在于合金粉体的粒度范围在0.5μm～200μm之间，圆度值为0.88以上。
3.如权利要求1所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其非晶合金密度值为2.89g/cm3～4.22g/cm3，有利于其在高密度混合含能材料体系中的应用。
4.如权利要求1所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体，其制备过程中采用绝氧、闭环、强机械混合、金属锭预熔化及超急冷装置，可实现合金的高纯度及非晶合金化。
5.如权利要求1所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)金属铝锭和金属锌锭或各自粉体的表面除杂；
(2)打开气体通道的阀门，向设备中充入惰性保护气体，所述设备包括两个预熔化炉；
(3)关闭预熔化炉的液体出口阀门，将金属铝和锌分别加入预熔化炉体中，充入惰性保护气体，加热使金属熔化；
(4)打开预熔化炉的液体出口阀门，将液态金属铝和锌按预设置配比导入雾化炉中的碟式雾化器上，在雾化器上混合后喷出形成球形液滴；
(5)在雾化炉中通入低温高纯氩气，使球形液滴快速冷凝，形成合金粉体；
(6)将收集的合金粉体进行旋风分离并过筛，实现粒度分级，并密封包装。
6.如权利要求5所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体制备方法，其特征在于，所述预熔化炉、雾化炉的坩埚均为耐高温的喷涂陶瓷内层的坩埚，其耐高温度可达1800℃，且和其中的液态金属不发生化学反应。
7.如权利要求5所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体制备方法，在气体冷却塔内采用液氮对步骤(5)所述高纯氩气直接降温，使高纯氩气降到-80摄氏度以下的超低温度，高纯氩气可循环，其流量为在2～20L/min的范围内可调。
8.如权利要求5所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体制备方法，所述惰性保护气体为纯度为99.99％以上的氩气或氦气。
9.如权利要求5所述的一种球形雾化铝锌非晶合金粉体制备方法，其特征在于，所述雾化器的离心机转速为2000～10000转/分钟。
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