铍材

用工业纯铍经粉末冶金和塑性加工工艺生产铍材和铍合金材

用工业纯铍经粉末冶金和塑性加工工艺生产铍材和铍合金材。金属铍和含铍的合金的生产始于20世纪20年代。第二次世界大战期间,由于制作核反应堆的需要,铍工业得到很大的发展。从60年代中期起，铍在航天事业中得到应用。铍材的研究在40年代主要解决了铍的铸造和挤压工艺问题；1947年形成了以粉末冶金为主的流程；70年代初，掌握了微合金化的机理，并应用了冲击研磨、电解精炼、热等静压以及粉末预处理等工艺，从而使铍材的力学性能,得到明显的改善(伸长率由1%上升到3～4%)。中国的铍材研制始于1958年，70年代研制成功高通量试验反应堆用的铍组件和各种铍材。

铍的中子散射截面大，吸收截面小，适于作核反应堆和核武器的反射层和慢化剂，是试验堆及航天、潜艇等动力堆反射层的主选材质。铍还可用作中子源和用于制造核物理、核医学研究中的核靶、X光管和闪烁计数器探头等。铍单晶可以作中子单色器。因金属铍的弹性模量与密度之比(即比刚度)在金属中最高（表1），而且比强度和微屈服强度也高，所以可制作各种飞行器的零件。铍的另一重要用途是制造各种高级仪表部件，最具代表性的是惯性导航系统用的铍陀螺仪。铍有剧毒,塑性低,加工制作困难，使它的应用大受限制。铍可作为合金元素,含铍0.4～2.7%的铍铜为时效硬化合金最典型的例子。铍铜的用铍量约为铍总消耗量的70%。

常规应用的纯铍材实际上是一种含有弥散氧化铍质点的合金材料。粉末冶金方法制备的铍材的氧化铍含量一般为1.2～3.0%。氧化铍的含量和晶粒度对材料的力学性能，特别是对伸长率的影响比较明显。晶粒细化可增加抗拉强度和伸长率，氧化铍含量增加可使强度提高而塑性下降。在铍基合金中，对铍铝合金的研究比较深入。铍和铝互不固溶，铍中添加适量的铝，能保持较高的弹性模量和较低的密度，并可改善塑性，便于塑性加工和切削加工。铍铝合金中的铝含量可达25～43%。著名的“洛克合金”为含铝38%的铍铝合金，可加工成挤压材和热压板材，已用于火箭的加强结构和飞机的复翼材料。

铍材制备铍铸锭晶粒粗大，力学性能很差（抗拉强度为 2～15公斤力/毫米，伸长率近于零），除在要求高纯度的场合应用铸锭及其加工产品外，铍材多以粉末冶金工艺制备。工业用铍大部分是以镁还原生产的铍珠为原料，通过控制杂质含量、晶粒度以及热处理和成型工艺来获得不同性能的产品。不同等级铍材的性能见表2。1970年后,用电解法生产的高纯鳞片状铍，用于制作高强度、高塑性的结构材料。

粉末冶金铍珠需经真空感应熔炼提纯，铸成制粉用的坯锭。坯锭铣削加工成铍屑，再在惰性气体保护下研磨成铍粉。1967年后采用的冷流冲击制粉法可改善铍粉质量，是制粉工艺的重要发展。这种方法制成的铍粉末氧含量较低，颗粒为等轴形。

铍粉固结成形的方法主要有：①真空热压法，是生产铍制件以及挤压坯料和交叉轧制板坯的主要方法。常用石墨模具，真空度为0.5托，温度为1000～1100℃,压力在200公斤力/厘米以内。工业生产的热压锭直径可达1800毫米，重量可达5吨左右。②热等静压法,首先应用于铍粉成形，是固结高纯铍粉使之达到接近理论密度的有效方法。这种工艺生产的铍材强度高，塑性好，具有各向同性。这种工艺可直接制成接近产品最终尺寸的坯料，从而降低成本。有些以高纯铍粉为原料，用热等静压方法制成的材料加热至1260℃，晶粒仍不明显长大。常用的热等静压工艺参数为：温度1060～1095℃，压力1000公斤力/厘米。③冷等静压－真空烧结法，冷等静压是铍粉预成形的常用手段。高于3100公斤力/厘米的压力下所成形的坯料可以承受中间切削加工。经冷等静压和切削加工后的坯料进行真空烧结。在1200～1245℃下烧结成的坯料，相对密度可达97～99%，强度接近标准级热压铍材。此法可以制取形状比较复杂、各向同性好的产品。④冷等静压－热等静压法，冷等静压坯料的脱气和包套封焊的质量对热等静压工艺的效果影响很大。已可压制壁厚小于2.5毫米的锥体和直径410×1020毫米的制品。⑤冷等静压－真空热压法，适用于生产长径比大、形状不复杂的产品，也适用于氧含量高的细铍粉的固结成形。

塑性加工铍性脆，仍可用塑性加工手段将用粉末冶金法制成的坯料加工成棒材、管材、箔材、丝材、锻件和各种型材。铍在400℃和800℃左右有两个塑性峰值区，分别定为温加工区和热加工区。大变形量的操作宜在热加工区进行,以减少变形抗力。为防止铍材氧化,改善加工件的应力分布状况和保护环境，热加工时应将铍坯封焊在软钢包套中。铍板是铍材的主要形式，可以制备0.025×51×51毫米到0.5×1220×4572毫米的各种规格。交叉轧制工艺可以保证产品性能的稳定。包套坯料在 780～800℃进行热轧；厚度小于1毫米的板材，多在330～540℃进行温轧,然后再冷轧加工。厚度小于7.5微米的箔材一般用真空蒸着工艺制备。铍的热挤压温度为885～1060℃，根据对材料的性能要求,挤压比可在12:1到40:1之间选择。实际生产的铍挤压材的直径可达 127毫米。锻造加工可显著提高铍材的强度、塑性和疲劳寿命。仪表级铍材锻造后强度和伸长率分别由40公斤力/毫米和1%提高到70公斤力/毫米和15%。介于轧制和锻造之间的环轧是制取无缝薄壁圆筒或圆环的方法。铍丝的拉制工艺也已成熟,可以制备直径0.025毫米以上的各种铍丝。

切削加工铍对缺口敏感，各种铍的结构件（包括力学性能试样）在切削加工后,均需化学铣削处理,以除掉厚约 0.1毫米的损伤层。对要求尺寸稳定的精密部件，如铍陀螺和铍境，还需进行消除应力的退火和冷热循环处理以使组织稳定。常规的金属切削方法均可用于铍，也可采用电火花切割，电化铣削和化学铣削。

连接熔焊不适用于粉末冶金铍制件。铸锭轧制的板材可用电子束焊接。形状复杂的铍组合件，可用钎焊、粘结和机械连接等方法。铍材很少使用扩散粘结和电阻焊。

参考书目

H.H.Hausner ed., Beryllium,Its Metallurgy andProperties, University of California Press,Berkeley, 1965.

D.Webster, D.N.Floyd et al., Beryllium Science and Technology, Vol.I &Ⅱ,Plenum, New York, 1980.

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