铍铝合金结构材料制造研究.docx

3铍铝合金结构材料制造研究王战宏 1 , 2 ,王莉 2 ,买学锋 2 ,赵玉林 2( 1. 北京科技大学材料科学与工程学院 ,北京10083;753000 )2. 西北稀有金属材料研究院 ,宁夏 石嘴山市摘要 :铍是一种剧毒元素 ,铍铝合金复合材料的研究 、制造和加工必须在严格的防护条件下进行 。简要介绍了国外铍铝合金的性能以及我国铸造铍铝合金的研究进展 。探讨了 合金元素镍对铸造铍铝合金性能的作用 ,介绍了变形加工对精密铸造铍铝合金力学性能的影响 ,认为添加微合金元素和变形加工能较大幅度地提高合金的力学性能 。关键词 :铍铝合金 ;航空航天 ;精密铸造 ;冷热等静压铍铝合金 (高铍合金 ) 具有质量轻 、比强度高 、比刚度高 、热稳定性好 、高韧性 、抗腐蚀 、结合了铍的 低密度与铝的易加工性等许多优良特性 ,在航空 、航天工业 、计算机制造业 、汽车工业及高精 、高速度电焊机器制造工业中得到了大量应用 1 ,已成为一种 越来越重要的新型材料 15 。铍铝合金分为铝基铍合金和铍基铝合金 。含铍量低于 5 %的铝基铍合金一般用于添加材料 , 典型 的运用于结构材料的铍基合金为洛克合金 (含铍量 为 62 % 左 右 ) 。铍 在 铝 中 的 固 溶 度 非 常 低 ( 2 %a tm ) 6 ,金相组织中铍和铝独立成相 。因此 ,铝相 、 铝与铍的截面特性以及铝相中含铍量的多少及状态都极大地影响合金的性能 。前苏联在精密铸造铍铝 合金中加入了微量元素来强化合金 ,美国通过粉末 冶金工艺和变形加工来细化晶粒 、改变组织状态 ,大 幅度提高力学性 能等 综 合性 能 。国 内通 过 纯化 原 料 ,对精密铸造 、粉末冶金 、变形加工以及热处理等工艺进行了研究 ,有些研究指标接近或达到前苏联 或美国相应工艺制造的铍铝合金的力学性能指标 。艺制造的铍铝合金由于添加了不同的合金元素 ,如表 1 a lbem e t162的物理特性和 20 时的力学特性物理特性工艺弹性模量( gpa)密 度热导率(w /m k - 1 )热膨胀系数( 10 - 6 m k - 1 )3 )( g / cm热等静压锭2002. 121013. 9力学特性工艺极限拉伸强度 bm pa屈服强度 0. 2m pa延伸率%热等静压锭轧制材 挤压锭262380380193275310275si、a g、co等 ,使合金的力学性能有了很大提高 , 报道的拉伸强度达到 430 m pa 以上 ,接近纯铍的室温 拉伸强度 。粉末冶金制备的铍铝合金制品主要应用 于航空和航天等敏感领域 。除了 a lb em e t162 (洛克合金 )外 ,布拉什 威尔 曼还开发了 a lb eca str ic910合金及其它合金 。2 国内铸态铍铝合金的研究国内铍铝合金的研究集中在西北稀有金属材料 研究院 ,主要开展合金精密铸造工艺研究 、合金冷热 等静压工艺研究和挤压工艺研究 。2. 1 铍铝精密铸造( 1 ) 试验 。利用自行设计并委托制造的 50 kg 半连续三室真空熔炼浇注设备和一些辅助装备 ,通 过压型设计制造 、蜡模和陶瓷模壳制造及真空熔炼 制造得到样品 。制备合金的铍原料为湖南水口山产1 国外 (美国 )铍铝合金主要性能铍铝合金中 b e和 a l的混合比例可以改变其物 理特性如模量和密度等 ,其力学特性也主要取决于 合金中 铍 含 量 及 研 制 工 艺 。美 国 最 常 见 的 a lb e2m e t162 (洛克合金 ) 含有 62 %的 b e, 其某些物理特 性和 20 时的力学特性见表 1 1 。近几年 ,美国布拉什 威尔曼公司的等静压工3 基金项目 :国防科技委员会年度资助项目 。王战宏 ,等 : 铍铝合金结构材料制造研究17核纯级铍珠并提纯 , 铝和镍分别采用高纯铝 (纯度大于 99. 99 % )和电解镍片 。 对试验合金取样加工成金相试样和室温拉伸试样 ,金相试样经过机械研磨和抛光后 ,采用 mm 6 偏光金相显微镜观察其显微组织 。用 in stron 4505 材 料试验机测量记录拉伸试样的室温拉伸强度 ,加载 速率控制为 0. 2 mm /m in。( 2 ) 试验结果及讨论 。图 1为铍铝二元合金金 相示意图 。平衡状态下 ,铍原子在铝相中的溶解度非常低 ( 2. 4 % a tm ) 6 ,为了使高温下较高的溶解度保持到室温 ,浇注时尽量采用较快的冷却速度 。表2 列出了试样的化学成分和力学性能 ,表 2 中的数 据表现出强度较低而延伸率较高的现象 。图 2 be - a l合金铸态组织强度 、屈服强度均增幅很大 。由表 3 可知 ,加 n i元素后 (约 4 % w t) ,与表 2 中的拉伸强度和屈服强度 相比几乎成倍数增加 ,延伸率也有所增加 ,性能完全 达到俄罗斯供应中国的铍铝合金铸件力学性能指标(b 180 m pa,% 1. 5 % ) 。表 3 加 n i元素样品的化学成分和力学性能化学成分 (w t% )锭号 b e n i fe si m g m n a l l - 5 - 1 62. 68 3. 93 0. 16 0. 01 0. 01 0. 01 余量力学性能 (m pa)锭号拉伸强度屈服强度延伸率 ( % )l - 5 - 1l - 5 - 2234. 1227. 6158. 9164. 611. 28. 8 l - 5 - 3 224. 4 160. 5 10. 8 成分分析显示 ,合金化元素镍在铍区和铝区均有分布 (见图 3 ) 。图 3中的白区和黑区分别表示铝 相和铍相 。在同一微区域进行成分分析发现 , n i元 素主要分布在铍区中 , 但铝相中也有少量分布 (见 图 4 ) ,即铍铝合金试样是由铍镍相镶嵌在铝合金相 基体中组成的 。另外 ,从镍铍二元相图可以知道 ,在 选择的镍添加量 ( 4 % w t) 范围内 , 镍元素固溶于铍 相中 ,不会形成第二相 。图 1 铍铝合金的二元合金金相图表 2 铍铝试样的化学成分和力学性能化学成分 (w t, % )力学性能 (m pa)试样b esifea l拉伸强度 屈服强度 延伸率1#2#3#62. 16 0. 050 0. 189 余量62. 16 0. 031 0. 195 余量63. 13 0. 039 0. 205 余量115. 5131. 3113. 2未屈服断93. 3未屈服断5. 66. 84. 0图 2中 , b e - a l合金金相组织由黑白两相区组成 ,黑色区域为金属铍 ,并有微量的 si、m g元素等 , 未发现 a l元素 ,说明 a l元素不能作为溶质进入 b e 中 ;白色区域的化学成分为 a l。另外 , 还有少量的 n、o、si、m g、ca 等元素 。由于铍原子序数很低 , 白 色区域中未能探测到 b e,但从图 1 中分析可知 , b e 元素和 a l元素几乎互不共溶 。因此 ,结构其实是脆 性铍相和韧性铝相相结合的金属基复合材料 。为提高合金力学性能 ,将镍金属加入铍铝合金 中 。镍元素的加入 ,使得试样的密度略有增加 ,约为2. 144 g / cm3 ,洛氏硬度 hra 为 24 30 ,试样的抗拉图 3 合金扫描金相图 4 镍成分相的分布状态采 矿技术2006, 6 ( 4)18( 3 ) 精密铸造铍铝合金产品 。通过熔模失蜡铸造法得到精密铸造的合金产品 。国外这种 b e - a l精密铸件得到大量使用 ,国内通过努力已基本达到 技术要求 。3. 2 铸态铍铝合金挤压4结论( 1 ) 简述了美国铍铝合金的主要力学性能 ,认为铍铝合金是航空航天领域非常有影响和有前途的结构材料 。( 2 ) 研究了铍铝精密铸造合金的力学性能以及 加入 n i元素的影响 ,从而认为 ,用于强化铍相的 n i 合金元素对铍铝合金整体力学性能有很大的提高 。( 3 ) 精密铸造铍铝合金热挤压变形加工后 ,晶 粒细化变长 ,力学性能进一步提高 。参考文献 :( 1 ) 试验 。将真空熔铸锭在400 预热 2 h 后快速移 至 挤压 机上 进 行温 挤 , 挤压 速 度 为 15 25mm / s,挤压比大于 8。金相试样经过机械研磨和抛 光后 ,采用 mm 6金相显微镜观察其显微组织 。( 2 ) 试验结果及讨论 。不同的挤压速度和挤压比对样品的挤压表面和是否出现挤断现象等的影响 是不同的 。表 4 例出了铸造 b e - a l锭的化学成分 和挤压后的力学性能 。表 4 be - a l锭的化学成分和挤压后的纵向力学性能 1 刘孝宁 ,马世光. 铍铝合金的研究与应用 j . 稀有金属 , 2003 ,27 ( 1 ) : 62.高技术新材料要览编辑委员会. 高技术新材料要览 m . 北 京 :中国科学技术出版社 , 1993.w illam s. app lica tion of a lum inum - beryllium compo site fo r struc tu ra l ae ro sp ace componen t j . enginee ring fa ilu re a na ly2 sis, 2004 , 11 ( 6 ) : 895.pa rsonage t. b e ryllium m e ta l m a trix compo site s fo r ae ro sp ace and comm e rc ial app lica tion s j . m a te ria ls sc ience and techno logy,2000 , ( 16 ) : 733.张鸿金. 加强铍 材研 究 贡 献 航 天 事 业 j . 有 色 金 属 工 业 ,2003 , ( 12 ) : 30.长崎诚三 ,平林真. 二元合金状态图集 m . 刘安生. 北京 : 冶 金工业出版社 , 2004. 2 化学成分 (w t% ) 3 样品b e a lfe si n im g04 - 10 - 162. 06 余量0. 12 0. 071 0. 00780. 049挤压后纵向力学性能 (m pa)样品 4 拉伸强度屈服强度弹性模量延伸率04 - 10 - 104 - 10 - 2356. 2372. 0277. 1288. 22198001941007. 29. 2 5 04 - 10 - 3 333. 6 267. 5 186300 7. 2 铍铝合金经挤压后力学性能整体提升很多 ,性能水平接近美国 a lb em e t162挤压锭的水平 ,超过等 静压坯料水平 ,接近美国 b e - a l合金挤压工艺水平 (见表 1 ) 。值得注意的是 ,本试验的铸态合金和挤 压后坯料的力学性能与美国相应工艺制备出的合金 的相应性能仍有一定的差距 。 6 (收稿日期 : 2006 - 09 - 21)作者简介 :王战宏 ( 1968 - ) , 男 , 硕士研究生 , 高 级 工 程 师 ,主要研究领域为有色金属材料的研究和发展及应用 。(上接第 11页 )的困难 ,并造成矿山建设分期的不合理性 。因此 ,云驾岭铁矿的建设方案采用两井筒到底 ,分两次疏干 的分期建设方案 , 即从现有 风 井向 下掘 至 - 120 m 水平 ,再由风井向主井掘 - 87 m 疏干中段平巷 ,然后向上反掘和主井贯通 。5 结论经论证 ,整个矿山宜分设+ 50