CN111482613B - 一种高物理活性铝硅球形合金粉体及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高物理活性铝硅球形合金粉体及其制备方法与应用，属于金属合金粉体制备技术领域。包括质量分数为95～60％的铝和质量分数为5～40％的硅；所述高物理活性铝硅球形合金粉体具有长程无序结构和非平衡组织，不存在晶粒和晶界。本发明在铝中加入硅元素，硅的溶沸点极高，因此硅不易熔化和挥发，难以点燃；但是硅有较高的燃烧焓35kJ/mol，比铝的31.02kJ/mol更高；因此，将铝与硅结合，在不降低合金燃料的燃烧热值的前提下，还可以减缓合金燃料的反应过程，延长炸药爆炸的后效反应时间，减缓冲击波压力衰减，提高远场冲击波超压，满足某些场合需要炸药反应温和的要求。
Description
技术领域
本发明涉及金属合金粉体制备技术领域，尤其涉及一种高物理活性铝硅球形合金粉体及其制备方法与应用。
背景技术
近几十年来，各国都在进行高威力炸药的研究和发展工作，其总的发展趋势是使炸药的配方具有更高的潜热、燃烧热、理论密度和氧平衡。同时，为了适应高强度战场环境的变化，炸药还需要满足感度低、热安定性好、作用可靠度高等要求。提高炸药威力的一条有效途径是炸药的金属化，利用高能金属或金属合金燃烧剂与炸药爆炸产物二次反应的热效应提高炸药的爆热。并且，金属燃烧剂对炸药的感度和特征信号也有不同程度的影响。
铝由于原材料丰富，使用安全，并且有较高的能量密度、体积燃烧热以及较快的氧化速率，常作为燃料添加剂，广泛应用于固体推进剂、炸药和烟火剂领域。但是铝颗粒作为合金燃烧剂时，虽然具有较高的燃烧热值，但是其后效时间短，冲击力大，使其应用受到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高物理活性铝硅球形合金粉体及其制备方法与应用，本发明的高物理活性铝硅球形合金粉体作为合金燃烧剂时，在不降低合金燃料的燃烧热值的前提下，还可以减缓合金燃料的反应过程，延长炸药爆炸的后效反应时间，减缓冲击波压力衰减，提高远场冲击波超压，满足某些场合需要炸药反应温和的要求。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高物理活性铝硅球形合金粉体，所述高物理活性铝硅球形合金粉体包括质量分数为95～60％的铝和质量分数为5～40％的硅；所述高物理活性铝硅球形粉体为预合金粉末，具有长程无序结构和非平衡组织，不存在晶粒和晶界，硅在铝内部均匀分布，两者不形成合金相。
优选地，所述高物理活性铝硅球形合金粉体的粒径为0.5～200μm，圆度值≥0.88，密度为2.53～2.67g/cm3。
本发明还提供了上述技术方案所述高物理活性铝硅球形合金粉体的制备方法，包括以下步骤：
(1)在惰性气氛下，将铝锭和硅颗粒熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将所述步骤(1)得到的熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述高物理活性铝硅球形合金粉体；
所述铝锭和硅颗粒的质量比为95～60％：5～40％。
优选地，所述铝锭的纯度为99.9％以上。
优选地，所述硅颗粒的纯度为98％以上，粒径为5～30μm。
优选地，所述熔融混合的温度为800～860℃。
优选地，所述惰性气氛的气压为0.1～0.15Mpa。
优选地，所述雾化所采用的装置为蝶式雾化器；所述蝶式雾化器的转速为2000～10000r/min。
优选地，所述快速冷凝的吹扫气体温度为-80℃以下。
本发明还提供了上述技术方案所述高物理活性铝硅球形合金粉体在炸药领域中的应用。
本发明提供了一种高物理活性铝硅球形合金粉体，所述高物理活性铝硅球形合金粉体包括质量分数为95～60％的铝和质量分数为5～40％的硅；所述高物理活性铝硅球形粉体为预合金粉末，具有长程无序结构和非平衡组织，不存在晶粒和晶界，硅在铝内部均匀分布，两者不形成合金相。本发明的合金粉末中铝和硅两组分各自独立存在，两者之间未发生反应，没有形成合金相。因此，在实际燃烧和应用过程中，可以保持两者各自的特点。一般制备的粉末都会形成合金相，而在形成合金相的过程中，已经放出了大部分的热量，实际应用中放热量则会大大减小。本发明制备的预合金，硅均匀的分布在铝中，各自反应放热，维持了放热量不减小的效果。另外，金属燃料在炸药中一般做可燃剂使用，仅添加铝粉的情况下，铝可以与爆轰产物(二氧化碳，水)产生二次反应生成三氧化二铝，放出大量的热。而添加了硅的铝硅合金反应过程慢于纯铝粉，在实际爆轰过程中可以将反应过程分为两步，铝首先和爆轰产物反应，之后硅再和爆轰产物反应。因此其后效反应时间有所延长，冲击破超压也延后衰减，进而实现其应用。实施例的数据表明：所得粉末的中位径为25μm；TG曲线可以看出，在空气中的氧化过程，高物理活性铝硅球形合金粉体的反应程度和反应速率比纯铝小；DSC在1000～1100℃之间，高物理活性铝硅球形合金粉体的氧化放热峰与纯铝相比宽而矮，因此高物理活性铝硅球形合金粉体的反应过程缓慢而且不完全。
本发明提供的高物理活性铝硅球形合金粉体的制备方法采用雾化法结合快速冷凝法，能够保证合金粉体具有优异的粒径和圆度值；同时具有长程无序结构和非平衡组织，不存在晶粒和晶界存在。
附图说明
图1为实施例1所得高物理活性铝硅球形合金粉体的扫描电子显微镜图；
图2为实施例1所得高物理活性铝硅球形合金粉体的粒度分布图；
图3为实施例2所得25μm高物理活性铝硅球形合金粉体和纯铝颗粒的热分析图谱。
具体实施方式
本发明提供了一种高物理活性铝硅球形合金粉体，包括质量分数为95～60％的铝和质量分数为5～40％的硅；所述高物理活性铝硅球形粉体为预合金粉末，具有长程无序结构和非平衡组织，不存在晶粒和晶界，硅在铝内部均匀分布，两者不形成合金相。
本发明提供的高物理活性铝硅球形合金粉体中优选包括质量分数为90～65％的铝，进一步优选为85～70％，更优选为80～75％。
本发明提供的高物理活性铝硅球形合金粉体中优选包括质量分数为10～35％，进一步优选为15～30％，更优选为20～35％。本发明在铝中加入硅元素，硅的熔点为1414℃，沸点在2900℃，溶沸点极高，因此硅不易熔化和挥发，难以点燃；但是硅有较高的燃烧焓35kJ/mol，比铝的31.02kJ/mol更高；因此，将铝与硅结合，在不降低合金燃料的燃烧热值的前提下，还可以减缓燃料的反应过程，从而提高炸药的不敏感性。
在本发明中，所述高物理活性铝硅球形合金粉体的粒径优选为0.5～200μm，进一步优选为10～180μm；圆度值优选≥0.88，进一步优选≥0.95；密度优选为2.5～2.8g/cm3，进一步优选为2.53～2.67g/cm3。
本发明通过控制所述高物理活性铝硅球形合金粉体的粒径为0.5～200μm，较小的合金粉末粒径，使反应速率越快，反应程度越高。
本发明还提供了上述技术方案所述高物理活性铝硅球形合金粉体的制备方法，包括以下步骤：
(1)在惰性气氛下，将铝锭和硅颗粒熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将所述步骤(1)得到的熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述高物理活性铝硅球形合金粉体；
所述铝锭和硅颗粒的质量比为95～60％：5～40％。
本发明在惰性气氛下，将铝锭和和硅颗粒熔融混合，得到熔炼液。
在本发明中，所述铝锭的纯度优选为99.9％以上；所述硅颗粒的纯度优选为98％以上，粒径优选为5～30μm。在本发明中，所述铝锭和硅颗粒的质量比为95～60％：5～40％。在本发明中，所述铝锭和硅颗粒在熔融混合前，优选进行预处理；所述预处理优选包括采用高温惰性气体对铝锭和硅颗粒吹扫，除去表面吸附的含氧化性气氛的气体。
在本发明中，所述熔融混合的温度优选为800～860℃，进一步优选为810～850℃，更优选为820～830℃。本发明对所述熔融混合的时间没有特殊限定，只要能够使铝锭和硅颗粒混合均匀即可。
在本发明中，所述惰性气体优选包括纯度为99.99％以上的氩气或氦气。在本发明中，所述惰性气氛的压力优选为0.1Mpa。本发明对进行所述熔融混合的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔融装置即可将，具体的，如预熔化炉。
得到熔炼液中，本发明在惰性气氛下，熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述高物理活性铝硅球形合金粉体。
在本发明中，所述雾化所采用的装置优选为蝶式雾化器；所述蝶式雾化器的转速优选为2000～10000r/min，进一步优选为4000～8000r/min，更优选为5000～6000r/min。在本发明中，所述快速冷凝用吹扫气体的流量优选为2～20L/min，进一步优选为5～15L/min。在本发明中，所述快速冷凝用吹扫气体的温度优选为-80℃以下。在本发明中，所述吹扫气体优选为惰性气体；所述惰性气体的冷凝方式优选为采用液氮对其进行冷却吹扫。
快速冷凝结束后，本发明优选将快速冷凝产物进行分级处理。在本发明中，所述分级处理的方式优选包括振动筛分或风选。本发明通过分级处理得到粒径为0.5～200μm的合金粉体。
本发明结合雾化和快速冷凝，能够将使熔炼液过快速凝固，进而达到有效减少合金的成分偏析的目的，获得微观组织细小和成分均匀的合金粉体。此外，通过控制冷凝气体的流量可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体非平衡组织的粉末；使其不存在晶态合金的晶粒、晶界；合金粉末中铝和硅两组分各自独立存在，两者之间未发生反应，没有形成合金相。因此，在实际燃烧和应用过程中，可以保持两者各自的特点。一般制备的粉末都会形成合金相，而在形成合金相的过程中，已经放出了大部分的热量，实际应用中放热量则会大大减小。本发明制备的预合金，硅均匀的分布在铝中，各自反应放热，维持了放热量不减小的效果。
本发明还提供了上述技术方案所述高物理活性铝硅球形合金粉体在炸药领域中的应用。
在本发明中，所述高物理活性铝硅球形合金粉体在炸药中的质量含量优选为15～30％。
金属燃料在炸药中一般做可燃剂使用，仅添加铝粉的情况下，铝可以与爆轰产物(二氧化碳，水)产生二次反应生成三氧化二铝，放出大量的热。而添加了硅的铝硅合金反应过程慢于纯铝粉，在实际爆轰过程中可以将反应过程分为两步，铝首先和爆轰产物反应，之后硅再和爆轰产物反应。因此其后效反应时间有所延长，冲击破超压也延后衰减，进而实现其应用。
下面结合实施例对本发明提供的高物理活性铝硅球形合金粉体及其制备方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种高物理活性铝硅球形合金粉体包括质量分数为80％的铝和质量分数为20％的硅；
制备方法如下：
(1)首先称量质量比为80：20的铝锭和硅颗粒，并对其表面进行预处理；在惰性气氛(气压为0.1Mpa)下，将铝锭加入预熔化炉体中，升温到800～860℃，待铝完全熔化，加入硅颗粒熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将所述熔炼液在蝶式雾化器(转速为2000r/min)中雾化成小液滴，然后用温度为-80℃的惰性气体进行吹扫进行快速冷凝，冷凝后的产物旋风分离并过325目筛，取筛下物，得到高物理活性铝硅球形合金粉体，并密封包装。
采用粒度仪、圆度仪测试所得高物理活性铝硅球形合金粉体的粒度和圆度值，并计算其密度，结果为：粒度为7～46μm，圆度值为0.87，密度为2.62g/cm3。
图1为本实施例所得高物理活性铝硅球形合金粉体的扫描电子显微镜图，从图1可以看出：本实施例所得合金粉体分散性好，不团聚，形状为较为规则的球体，粒径较小。
图2为本实施例所得高物理活性铝硅球形合金粉体的粒度分布图，从图2可以看出，本实施例所得合金粉体的粒径多分布在20～40μm，粒度分布集中，且粒度分布符合对数正态分布，其中，正态分布曲线如下：
其中y0＝-0.07，μ＝31.33，σ＝0.4，A＝361.02。
实施例2
一种高物理活性铝硅球形合金粉体包括质量分数为88％的铝和质量分数为12％的硅；
制备方法包括以下步骤：
(1)首先称量质量比为88：12的铝锭和硅颗粒，并对其表面进行预处理；在惰性气氛(气压为0.01Mpa)下，将金属铝加入预熔化炉体中，升温到860℃，待铝完全熔化，加入硅颗粒熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将所述熔炼液在蝶式雾化器(转速为2000r/min)中雾化成小液滴，然后用温度为-80℃的惰性气体进行吹扫进行快速冷凝，冷凝后的产物旋风分离并过325目筛，取筛下物，得到高物理活性铝硅球形合金粉体，并密封包装。
采用粒度仪、圆度仪测试所得高物理活性铝硅球形合金粉体的粒度和圆度值，并计算其密度，结果为：粒度为6～45μm，圆度值为0.89，密度为2.65g/cm3。
在空气气氛下，升温速率为20k/min的条件下，研究本实施所得粒径为25μm的高物理活性铝硅球形合金粉体和铝颗粒的热分析曲线，结果如图3所示；图3中，箭头放热，代表其中的DSC曲线向上是放热峰。将高物理活性铝硅球形合金粉体的热分析曲线与同粒度的纯铝对比，TG曲线可以看出，在空气中的氧化过程，高物理活性铝硅球形合金粉体的反应程度和反应速率比纯铝小；DSC在1000～1100℃之间，高物理活性铝硅球形合金粉体的氧化放热峰与纯铝相比宽而矮，因此高物理活性铝硅球形合金粉体的反应过程缓慢而且不完全。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高物理活性铝硅球形合金粉体，其特征在于，所述高物理活性铝硅球形合金粉体包括质量分数为95～60％的铝和质量分数为5～40％的硅；所述高物理活性铝硅球形粉体为预合金粉末，具有长程无序结构和非平衡组织，不存在晶粒和晶界，硅在铝内部均匀分布，两者不形成合金相。
2.根据权利要求1所述的高物理活性铝硅球形合金粉体，其特征在于，所述高物理活性铝硅球形合金粉体的粒径为0.5～200μm，圆度值≥0.88，密度为2.53～2.67g/cm3。
3.权利要求1～2任一项所述高物理活性铝硅球形合金粉体的制备方法，包括以下步骤：
(1)在惰性气氛下，将铝锭和硅颗粒熔融混合，得到熔炼液；
(2)在惰性气氛下，将所述步骤(1)得到的熔炼液经雾化和快速冷凝，得到所述高物理活性铝硅球形合金粉体；
所述铝锭和硅颗粒的质量比为95～60％：5～40％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铝锭的纯度为99.9％以上。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述硅颗粒的纯度为98％以上，粒径为5～30μm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔融混合的温度为800～860℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛的气压为0.1～0.15MPa。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述雾化所采用的装置为蝶式雾化器；所述蝶式雾化器的转速为2000～10000r/min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述快速冷凝的吹扫气体温度为-80℃以下。
10.权利要求1～2任一项所述高物理活性铝硅球形合金粉体或权利要求3～9任一项所述制备方法得到的高物理活性铝硅球形合金粉体在炸药领域中的应用。
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