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1、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 ,
2、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 1 5 。铍 铝合金分为 铝基铍合金 和铍基铝合 金 。 含铍量低于 5
3、 %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
4、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 200 2. 1 210 13. 9力学特
5、 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
6、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
7、 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
8、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
9、 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
10、 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. 8L - 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
11、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 e Si Fe A l 拉伸强 度 屈服强 度 延 伸率1#2#3#62. 16 0. 050 0. 189 余量6
12、2. 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 ,
13、 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
14、 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
15、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 -
16、 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 rso
