铍铝合金设计、粉末冶金制备及力学性能研究

发布时间：2020-09-11 07:57

　　铍铝合金比金属铍更节约铍资源,具有优异的力学性能、热学性能、光学性能和良好的加工性能,可以在大部分领域替代金属铍的应用,在航空航天领域具有极强的竞争优势和良好的发展前景。铍铝合金是一种双相金属基复合材料,国外通常采用强度较低的纯铝作为基体,限制了其力学性能。本文从合金强化、界面反应控制的角度设计了铍铝合金的成分;从提高综合力学性能的角度,分别采用真空热压烧结、放电等离子烧结和热等静压烧结制备了铍铝合金试样和产品;从控制微观组织和界面反应的角度,分别采用X射线衍射仪、扫描电镜、高分辨透射电镜、差示扫描量热仪等研究了铍铝合金的界面润湿性、界面反应和时效行为。主要研究内容和结果如下:(1)提出了铝合金基体中合金元素的选择依据,设计了铍铝合金成分。基于位错的微观力学模型、修正的剪切滞后模型,结合Weibull统计和Eshelby等效夹杂法,构建预测铍铝合金屈服强度的理论模型。模型分析结果表明,铝合金基体的强度、铍相的晶粒尺寸、铍铝两相的界面结合强度是铍铝合金屈服强度的重要影响因素。从热力学角度讨论了合金元素对铍相和铝相界面结合强度的影响。液态铝和固态铍、液态铝和固态氧化铍之间的润湿性决定铍相和铝相界面结合强度,在铝合金基体中添加Mg、Si等元素可以改善液态铝和固态铍、液态铝和固态氧化铍之间的润湿性,从而提高界面结合强度。结果表明,主要合金元素为Mg和Si的铝合金是铍铝合金的理想基体;铍铝合金的弹性模量随着铍含量的增加而增大,当Be含量为62wt.%,铍铝合金的弹性模量为200GPa,理论密度为2.10g/cm~3,该成分的铍铝合金具有明显的比刚度优势。(2)系统研究了粉末冶金工艺对铍铝合金组织和性能的影响。干混球磨时间会影响铍铝混合粉末的成分均匀性和总氧量。随着球磨时间的增加,混合粉末的成分均匀性不断提高,但总氧量不断增加,球磨6h可以获得成分均匀、氧含量低于1.5wt.%的铍铝混合粉末。研究了冷等静压压力对铍铝混合粉末的压坯密度的影响。铍铝混合粉末的冷等静压行为符合粉末压制双对数方程,铍铝混合粉末压坯的密度随冷等静压压力的增加而近乎线性增加,在冷等静压压力为270MPa时,铍铝混合粉末压坯的致密度可达87%。烧结温度对铍铝合金的组织有显著影响。过高的烧结温度会导致铍铝合金组织中铝相发生团聚或者熔化渗出;在优化的工艺参数下,真空热压烧结、热等静压烧结和放电等离子烧结均可制备冶金质量良好,界面结合强度高,组织细小,无孔洞、裂纹等缺陷、力学性能优异的铍铝合金。(3)研究了不同铍颗粒尺寸、不同铝基体以及不同烧结方法对铍铝合金力学性能的影响。在铍含量相同的情况下,铍相晶粒尺寸由40μm减小到10μm,铍铝合金的延伸率基本不变,但是铍铝合金的屈服强度由195MPa提高到265MPa,抗拉强度由310MPa提高到383MPa;Be-38wt%Al和Be-38wt.%Al-Mg-Si的弹性模量基本相同,但Be-38wt.%Al-Mg-Si的屈服强度和抗拉强度均高于Be-38wt.%A1;相比于真空热压烧结,热等静压烧结的致密化烧结温度更低,得到的Be-38wt.%Al-Mg-Si的弹性模量、屈服强度、抗拉强度更高,其屈服强度和抗拉强度分别为265MPa和383MPa,与国际上相同铍含量的轧制态粉末冶金铍铝合金的屈服强度和抗拉强度相当。(4)研究了铍铝合金组织中合金元素的分布、相界面结构及取向关系。扫描电镜、高分辨透射电镜分析结果表明,热等静压态Be-38wt.%Al-Mg-Si的Mg和Si主要分布在A1基体中,铍铝两相界面处几乎没有反应产物生成;铍相和铝相之间没有完整的三维共格界面或半共格界面,随着界面处位错密度的增加,铍相和铝相形成了非共格界面;铍相和铝相会倾斜一定角度并保持特定的晶体取向关系以达到界面能量最低:[011]_(Al)//(?)_(Be),(?)_(Al)～~(0.8°)(?)_(Be)(5)研究了时效温度和时间对铍铝合金组织和力学性能。采用扫描电镜、高分辨透射电镜分析了铍铝合金在不同时效阶段的组织形貌,结合差示扫描量热法的实验结果得出了铍铝合金的时效析出序列和时效动力学。在时效温度为170℃时,Al-Mg-Si合金达到硬度峰值的时间为14h,而Be-38wt.%Al-Mg-Si达到硬度峰值的时间为8h;Be-38wt.%Al-Mg-Si的时效析出顺序与Al-Mg-Si合金相似,但GP区的形成受到抑制;Be-38wt.%Al-Mg-Si在170℃、保温8h后,Mg和Si元素已在铍铝界面上偏析;Be-38wt.%Al-Mg-Si中针状β"相在Al基体中单独析出或沿AI基体中的位错析出,并与A1基体保持一定的位向关系:[304]_(β'')//[001]_(Al),(?03)_(β'')//(200)_(Al),(020)_(β'')//(020)_(Al);(010))_(β'')//(001)_(Al),[100]_(β'')//[(?)30]_(Al),[001]_(β'')//[310]_(Al)。不同铍含量的热等静压态Be-38wt.%Al-Mg-Si在时效后屈服强度和抗拉强度均显著提高;当人工时效温度为170℃、时效时间为8h时,Be-38wt.%Al-Mg-Si的屈服强度和抗拉强度分别为340MPa和416MPa,高于国际相同铍含量的粉末冶金铍铝合金的最高屈服强度和抗拉强度。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL341
【部分图文】：

合金相图,合金相图,合金相,溶解度

通常通过复合材料的分析测试方法来分析，而铍相和铝相的分布和形态由铍、铝的相对逡逑含量和制备方式共同决定。逡逑铍铝二元相图如图１－ｌａ所示［１８］。在铍铝二元相图中，只有一个简单的共晶反应，逡逑共晶温度为６４４°Ｃ，共晶成分为２．５±０．２ａｔ．％Ｂｅ。有研究表明，相图中？能在液固两相ｇ逡逑存在有一个亚稳的溶解度间隙［１９］（图ｌ－ｌｂ）。逡逑Ａｔｏｍｉｃ邋Ｐｅｒｃｅｎｔ邋Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ逡逑？邋ｙ邋ｙ邋ｙ邋ｍ逦ｎ逦？？逦？？逦？逦ｉｍ逦ｉｍｍ逡逑（ａ）邋＊逦（ｂ）逡逑，＊？■邋Ｌ逦一１４００邋－逦逦逦逦逡逑ｗ逦￡：￣￣ｓｊ；￣＾￣二《逦＊°逦，ｗ逡逑Ａ｜逦？．．（ｈｌ邋Ｐ．ｒｃ．ｎｌ邋Ｂｒｙｌｌ．ｕ．逦Ｂ．逦Ａ？－ｃ逡逑图１－１铍钔合金相＿，削ａ）为Ａｌ－Ｂｃ邋．儿合金相图，图（ｂ）为显示溶解度间隙的：元合金相图逡逑铍铝介金的制备技术ｕ要檇粉木冶金和精密铸造［２（）１，粉末治金铍钔合金的典沏成分逡逑足６２＼￥〖％．１＾－３８＼＼１：．％八丨，最早称之为洛克合金（［０0１＾丨１0７），由？＾１１（＾３『１＼／１６１３１公丨丨１（现逡逑Ｓｔａｒｍｅｔ邋公司）和邋Ｌｏｃｋｈｅｅｄ邋Ｍａｒｔｉｎ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ邋ａｎｄ邋Ｍｉｓｓｉｌｅｓ邋公司于上世纪邋６０邋代^u发［２１］。逡逑Ｉ丨前，处于世界最先进水平的粉末冶金铍铝合金由Ｍａｔｅｒｉｏｎ公司开发制备，其商业牌号逡逑为ＡｌＢｅＭｅｔ？［２２］。而精密铸造铍铝合金由美国Ｓｔａｒｍｅｔ公司开发

铍铝合金,粉末冶金,产品,航天电子设备

美国主要将粉末冶金铍铝合金用在航空航天电子设备、光学装置以及卫星结构方面［２２，２８－逡逑２９－３２—３５］，其主要产品如图１－２所示。逡逑表丨－３粉末冶金铍钔合金￣常见材料的力：性能、热性能及其他性能对比逡逑２０２４Ｔ６逦６０６１Ｔ６邋Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ邋Ｂｅ逦ＡＭ邋１６２逡逑Ｄｅｎｓｉｔｙ邋（ｇ／ｃｍＪ）逦１Ｈ１逦２？７０逦４Ａ４逦Ｌ８５逦２Ａ０￣逡逑Ｍｏｄｕｌｕｓ邋（ＧＰａ）逦７２逦７０逦１１２逦３０３逦１９３逡逑ＣＴＥ＠２５°Ｃ邋（ｐｐｍ／°Ｃ）逦２２．９逦２３．６逦９．０逦１１．４逦１３．９逡逑Ｔｈｅｒｍａｌ邋Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ邋＠邋２５邋°Ｃ邋（Ｗ邋ｍ邋＇邋ｋ１）逦１５１逦１８０逦７．８逦２１６逦２１０逡逑Ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋Ｈｅａｔ邋＠邋２０°Ｃ邋（Ｊ邋Ｋｇ邋＇邋ｋ１）逦８７５逦８９６逦６１１逦１９２５逦１４６５逡逑Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ邋＠邋２０°Ｃ，邋％ＩＡＣＳ逦３０逦４３逦４１逦４０．７逦４９逡逑Ｄａｍｐｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ＠２５°Ｃ邋，５００ＨＺ逦１．０５＞＜１０＇２逦１．０５ｘｌ0２逦－逦－逦１．５ｘｌＯ３逡逑Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ邋Ｒａｔｉｏ逦０．３３逦０．３３逦０．３１逦０．０１－０．０８逦０．１７逡逑４逡逑

示意图,铍铝合金,热等静压制,技术

逦ｆｌａｔｔｅｎ邋＾逡逑图ｉ－４铍铝合金的冷等静ｍ＋乳制的ｉ：艺路线示意图［ｌ３１逡逑铍铝预合金粉末直接热等静压技术如图１－５所示，其热等静压工艺［４１］为将雾化制备逡逑的铍铝预合金粉直接进行热等静压，热等静压温度为６３０°Ｃ，压力为１０３ＭＰａ，保温保逡逑压时间３ｈ，然后缓慢冷却至室温。从其制备工艺流程来看，采用粉末冶金方法制备铍铝逡逑合金的工艺周期是比较长的。逡逑￣ｒＥｆｖ＾邋／逦／逡逑Ｖａｃｕｕｍ邋Ｍｅｌｔ邋ａｎｄ逦Ｓｃｒｅｅｎ邋．Ｂｌｅｎｄ逦Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅ邋ｍ逦Ｖａｃｕｕｍ逡逑Ａｉｏｍｉｚｅ邋Ａｉ－Ｂｅ逦Ｐｏｗｄｅｒ逦Ｓｆｆｉｅｌ逦Ｄｅｇａｓ逡逑逦｜逡逑命一邋＿一智一肇歐逡逑ＨＩＰ逦ＥｔｃｈｔｏＲ＾ｍｏｖ，逡逑Ｓｔｅｅｌ逦Ｍａｃｈｉｎｅ逡逑图１－５铍铝合金的直接热等静压制备技术１４２１逡逑不同制备方式得到的铍铝合金的组织如图１－６所示。与冲击制粉得到粉末后热等静逡逑压相比，球形铍铝预合金粉热等静压后，铍铝合金组织中铝相的尖锐末梢大大减少；如逡逑进一步挤压变形处理会导致铍铝合金的组织沿着变形方向呈现一定的方向性。逡逑７逡逑

【参考文献】