一种Ti基全金属含能结构材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于含能结构材料制备技术领域，具体涉及一种Ti基全金属含能结构材料、制备方法及其应用。该制备方法包括以下步骤：1）准备金属粉，所述金属粉中包括以下质量分数的组分：Ti 40%

【技术实现步骤摘要】
一种Ti基全金属含能结构材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于含能结构材料制备
，具体涉及一种Ti基全金属含能结构材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]含能结构材料是一种兼具力学性能和能量释放特性的结构功能一体化材料，在对目标毁伤的过程中能够拥有足够的动能和强度击穿目标，同时在冲击载荷作用下产生剧烈的化学反应，释放巨大能量，进一步增强毁伤效果，极大地提高了战斗部的毁伤能力。
[0003]含能结构材料通常需要在高速冲击条件下服役，首先在高能炸药的作用下以高速发射，然后在飞行至目标处时，依靠动能击穿目标，在穿过目标后，由于摩擦和塑性变形引发化学反应，释放能量。依据其服役条件，含能结构材料需要满足三个基本要求：
①
具有高强塑性以保证在炸药爆轰驱动时仍具有完整的结构；
②
具有高密度以满足动能击穿目标的要求；
③
具有高反应活性，以实现在穿靶后迅速释放大量能量，毁伤目标。
[0004]在现有研究中，Al基全金属含能结构材料是研究得较多的一类含能结构材料，但大部分Al基含能材料的抗压强度一般不超过500MPa，导致其难以保持爆轰完整性。根据Wei等人的研究(doi:10.1016/j.actamat.2011.10.027)，基体金属的力学性能决定了整体材料强度的上限。相比于Al及Al合金，Ti及Ti合金具有更为优异的力学性能，纯Ti的屈服强度约为285MPa，TC4的屈服强度约为862MPa，而Al及Al合金的屈服强度约为70/>‑
400MPa，因此Ti基材料在保持爆轰完整性方面更具优势。此外，Ti及Ti合金的热导率仅为Al的6%左右，在冲击过程中更易于热量累积从而达到金属燃烧的引发条件。同时，Ti在氧气中具有较高的燃烧热值(约为19.8kJ/g)，在反应时能够释放巨大的能量，具备作为金属基含能结构材料基体的潜力。然而Ti的密度仅有4.5g/cm3，因此亟需开发一种高密度且力学性能优异的新型Ti基含能结构材料。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种新型Ti基全金属含能结构材料、制备方法及其应用。相对于传统的Al基材料，该Ti基全金属含能结构材料兼顾了高密度和高强塑性的优点，同时发火性能良好，在冲击条件下具有良好的反应引发性能，制备方法简单高效。
[0006]具体地，本专利技术提供以下技术方案：一种Ti基全金属含能结构材料的制备方法，包括以下步骤：1）准备金属粉，所述金属粉中包括以下质量分数的组分：Ti 40%
‑
65%，密度11.5g/cm3以上的高密度金属35%
‑
60%，选自Al、Mg、Fe、Si、B中至少一种的其他金属或类金属0
‑
5%；2）将所述金属粉装入包套中，进行振实、抽真空处理后密封；3）将所述密封后的包套放入热等静压装置内，在温度为850
‑
950℃、压力为100
‑
150MPa下保温保压0.5
‑
3.0 h，即得所述Ti基全金属含能结构材料。
[0007]本专利技术Ti基材料由于异质金属（高密度金属）的添加，并通过对热等静压烧结的工艺参数尤其是温度和时间进行精心设计，使得所得Ti基全金属含能结构材料存在明显的微观界面，既保留了纯Ti区、纯的高密度金属区，又具有厚度适宜的Ti
‑
高密度金属扩散区，并且界面结合良好，从而既具有一定力学性能，又能在冲击条件下更容易破碎成小块，利用组元间的反应引发氧化燃烧，有利于充分燃烧而释放能量。以本专利技术中实施例1展示的Ti基全金属含能结构材料为例，其微观结构中形成了纯Ti区、Ti
‑
Ta扩散区、纯Ta区的成分梯度结构（可参见图3中（a）），不仅增强Ti与Ta之间微界面的结合强度，使所制备的材料在宏观上兼具优异的压缩性能和拉伸性能，还保留了纯Ti相和纯Ta相，有利于材料冲击条件下的充分破碎。
[0008]进一步的，本专利技术还可通过在金属粉中添加适量选自Al、Mg、Fe、Si和/或B的其他金属或类金属，进一步优化Ti基全金属含能结构材料的密度、工艺性能或反应引发条件。
[0009]作为优选，步骤1）中，所述Ti以Ti粉末和/或Ti合金粉末的形式存在。
[0010]作为优选，步骤1）中，所述高密度金属为W、Ta、Re、Hf的一种或两种以上。
[0011]作为优选，步骤1）中，所述其他金属或类金属为MgAl系金属间化合物或Mg，质量分数为3~5%。本专利技术发现，通过在“Ti+高密度金属”的基础上进一步添加适量MgAl系金属间化合物，可显著提升反应引发性能，使得Ti基全金属能够适用于着靶速度1100m/s以下应用场景（着靶速度越小，对反应引发性能的要求越高）；通过在“Ti+高密度金属”的基础上进一步添加适量金属Mg，可使得Ti基全金属能够兼顾高的反应引发性能和强度性能，同时适用于着靶速度1100m/s以下、1800m/s以上应用场景（着靶速度越大，能量释放效率越高，对反应引发性能的要求虽然降低，但对强度的要求更高）。
[0012]作为优选，步骤1）中，所述金属粉的粒径为0.5
‑
70μm，纯度≥99%，形状为球形、多角形、树枝形中的一种或两种以上；更优选为球形。
[0013]作为优选，步骤2）中，所述振实处理后，振实率（振实密度与理论密度的比值）为0.60以上。
[0014]作为优选，步骤2）中，所述抽真空处理后，真空（绝对压强）为1
×
10
‑2Pa以下。
[0015]作为优选，步骤3）中，所述热等静压工艺处理后，还包括去除包套的步骤。
[0016]本专利技术还提供一种Ti基全金属含能结构材料，其根据上述的制备方法制备得到。
[0017]本专利技术还提供上述Ti基全金属含能结构材料，或上述制备方法制备得到的Ti基全金属含能结构材料在着靶速度1100m/s以下的杀伤元中的应用。
[0018]本专利技术还提供上述Ti基全金属含能结构材料，或上述制备方法制备得到的Ti基全金属含能结构材料在着靶速度1800m/s以上的杀伤元中的应用，此时具有更高的能量释放效率。
[0019]本专利技术的有益效果至少在于：本专利技术通过严格控制材料成分和热等静压工艺参数，尤其是在等静压力和温度的耦合作用下，制备出一种全致密的各向同性的Ti基全金属含能结构材料，密度约为7
‑
10g/cm3，高密度组元均匀分布在Ti基体中并与基体紧密结合，具有优异的力学性能，并且在冲击条件下具有良好的发火特性；具有广泛的速度应用范围，特别是可适用于着靶速度1100m/s以下、1800m/s以上应用场景；同时制备流程简单高效，有利于实现工程化制备。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术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需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ti基全金属含能结构材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）准备金属粉，所述金属粉体中包括以下质量分数的组分：Ti 40%
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65%、密度11.5g/cm3以上的高密度金属35%
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60%，选自Al、Mg、Fe、Si、B中至少一种的其他金属或类金属0
‑
5%；2）将所述金属粉体装入包套中，振实、抽真空处理后密封；3）将所述密封后的包套放入热等静压装置内，在温度为850
‑
950℃、压力为100
‑
150MPa下保温保压0.5
‑
3.0h，即得所述Ti基全金属含能结构材料。2.根据权利要求1所述的Ti基全金属含能结构材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述Ti以Ti粉末和/或Ti合金粉末的形式存在。3.根据权利要求1所述的Ti基全金属含能结构材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述高密度金属为W、Ta、Re、Hf中的一种或两种以上。4.根据权利要求1所述的Ti基全金属含能结构材料的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述其他金属或类金属为MgAl系金属间化合物或金...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭成文，沈姚宁，宁先进，胡珺，于晓东，刘丽君，李迅，
申请(专利权)人：海朴精密材料苏州有限责任公司，
类型：发明
国别省市：