Структура и свойства сплавов бериллия

Папиров И.И.

Энергоиздат, 1981 г.

ПОЛУЧЕНИЕ СПЛАВОВ БЕРИЛЛИЯ

Сплавы бериллия получают сплавлением компонентов, методами порошковой металлургии и различными химическими или электролитическими способами.

Плавка и литье.

Для выплавки сплавов на основе бериллия используют те же методы, что и для плавки нелегированного металла: плавку в печах сопротивления с использованием тиглей из ВеО, индукционную, дуговую, электронно-лучевую и другие виды плавки. Температура плавки при небольших добавках легирующих элементов мало отличается от условий плавки чистого Be(1350±50°С). Исключение составляют сплавы с труднорастворяемыми элементами (например, с платиной). Плавку осуществляют в вакууме или в среде инертных газов . Для литья сплавов обычно используют графитовые изложницы с обмазкой из ВеО.

Слитки сплавов, как и нелегированного бериллия, имеют неудовлетворительные механические характеристики. Поэтому их подвергают обработке давлением (прокатке, выдавливанию, ковке или волочению) при повышенной температуре . Легирование, как правило, ухудшает деформируемость слитков и прессовок, а при повышенных концентрациях легирующего элемента (более 2—5%) слитки становятся недеформируемыми . Монокристаллы сплавов обычно выращивают зонной плавкой. Вначале осуществляют несколько рафинировочных проходов, а затем засверливают кристалл, вводят легирующие добавки и осуществляют один или несколько выравнивающих проходов зоны —обычно с более высокими скоростями. Некоторые элементы (иттрий) оказывают модифицирующее влияние и затрудняют рост монокристаллов. Элементы с малой растворимостью в бериллии выводятся из кристалла при плавке, поэтому достичь значительных концентраций не удается. К настоящему времени получены монокристаллы сплавов бериллия с медью, никелем и железом с содержанием легирующих элементов, не выходящим за пределы растворимости. Вырастить монокристаллы бериллия с другими элементами (Si, Al, Mo) удавалось при концентрации последних 0,01—0,1%. По некоторым данным, легирование бериллия медью влияет на субструктуру монокристаллов.

Методы порошковой металлургии.

В большей части работ для получения сплавов методами порошковой металлургии используют прессование смеси порошков бериллия и легирующих элементов . Иногда порошки получают одновременным измельчением компонентов либо использованием в качестве деталей мельниц шаров или дисков из вводимого в сплав материала. Получение порошка из заранее приготовленных сплавов применяют редко. Перечисленные методы, в том числе наиболее распространенный из них — смешение порошков компонентов, обычно оказываются малоэффективными и не позволяют существенно улучшить свойства бериллия. Исключение представляет естественное легирование порошка окисью бериллия путем его подкисления, а также контроль состава исходного порошка, обеспечивающий благоприятное соотношение примесей  или устранение дисперсных (грязных) фракций порошка.

В последнее время все чаще применяют новый метод получения бериллиевых сплавов — уплотнение порошков бериллия с предварительно нанесенными на частицы покрытиями из легирующего элемента. В качестве материала покрытий предложено использовать Сr, Сu, Ni, Nb, Ag, Mo, Co, Fe, Si, Al.

Для нанесения на частицы порошка покрытий применяют различные методы — испарение и  конденсацию в вакууме (Сr), химическое восстановление или термическое разложение соединений (Ag, Siи др.) , плазменное напыление, электролиз (Сu) и др.

Уплотнение порошков с покрытиями лучше осуществлять не горячим прессованием, а изостатическим (Be—Сr)  или ковкой (Be—Ag) . Это связано с тем, что образование слоя бериллида, хотя и способствует росту прочности (жаропрочности), снижает пластичность материала. При пониженной температуре уплотнения, используемой при изостатическом прессовании и ковке, бериллнды либо не образуются, либо очень дисперсны. Это позволяет  повысить прочность при сохранении пластичности.

Покрытие порошков бериллия хромом в количестве 0,3% позволяет увеличить σ на 29, Е — на 27%. Даже после высокотемпературного отжига прочностные свойства металла из порошков с покрытием значительно выше, чем нелегированного бериллия, и это преимущество сохраняется до 600° С. Структурные исследования показали, что в процессе прессования на границах зерен образуется CrBei₂, препятствующий их росту и упрочняющий матрицу. Такие материалы особенно перспективны для изготовления деталей с высокой размерной стабильностью, например зеркал из бериллия .

К числу новых методов получения порошков сплавов бериллия относится также центрифугирование — закалка жидких капель (брызг), образующихся при плавлении быстровращающегося электрода . Под действием центробежных сил капли отрываются от электрода, попадают на вращающийся медный Диск, расплющиваются и охлаждаются с большой скоростью. Образующиеся чешуйки имеют толщину 5—10 мкм и диаметр 1 2 мм. Размер зерна в чешуйках составляет 1—10 мкм. Чешуйки подвергают горячему прессованию до 100%-ной плотности, а затем обработке давлением — выдавливанию или прокатке. Средний размер зерна в компактном материале равен 7 мкм (от 5 до 20 мкм).

Кроме бериллия высокой чистоты, этим методом получены сплавы Ве + 0,15% Fe, Ве+1% Niи Ве + 4% Сu, а также сплавы систем Be—U, Be—Zr, Be—U—С . В полученных таким образом сплавах содержание кислорода (0,3%) в несколько раз ниже, чем в обычном металле с той же величиной зерна. Структура сплавов стабильна при нагреве до 1100° С (τ= = 1 ч). Полученные заготовки характеризуются повышенной прочностью, но малопластичны.

Активированное спекание.

Большую часть производимого в мире бериллия получают методами порошковой металлургии. Прессуемость порошка и свойства металлокерамического бериллия зависят от его химического состава . Как высокая  чистота исходного порошка, так и наличие в нем некоторых примесей (особенно ВеО) затрудняют спекание и приводят к ухудшению плотности и механических свойств прессованных заготовок,  Для устранения указанных нежелательных эффектов необходимо повышать режимы прессования. Другая возможность повышения плотности заключается в прессовании или спекании порошков бериллия с активирующими добавками. Лучшей  активирующей добавкой является кремний при атомном содержании 0,05% .

Другие методы.

Получение сплавов на основе бериллия электролизом или восстановлением соединений в настоящее время используется редко, хотя соответствующие процессы находили применение в довоенные годы. Так, в Италии запатентованы методы получения двойных и многокомпонентных сплавов Beс Li„ Na, Mg, К, Са, Rb, Sr, Се, В, С и Si, основанные на замещении бериллия из галоидных соединений и сплавов более электрополоэкительными металлами и металлоидами или на восстановлений-соединений бериллия элементами с более высокой теплотой образования и плотностью

Получение сплавов Be—Al.

Сплавы Be—Alполучают методами, порошковой металлургии, сплавлением компонентов, алюминотермическим путем и электролитическим осаждением компонентов. При сплавлении алюминий сильно перегревают — до  1100—1280^е С даже при низком содержании бериллия. Слитки отливают в массивные графитовые или медные изложницы. Слитки имеют прочность 250—320 МН/м² и удлинение до 10% . Алюминотермический процесс состоит во взаимодействии алюминия и фторида бериллия в присутствии перекиси бария. По технологической пластичности сплавы сравнимы с магнием, и для их обработки можно применять то же оборудование, что и для магниевых сплавов.

Сплавы хорошо свариваются, обрабатываются резанием и не нуждаются в травлении после механической обработки. Прочность швов составляет 60—85% прочности основного материала.

Сплавы для источников нейтронов.

Источники нейтронов обычно представляют собой механическую смесь порошков бериллия и радиоактивных компонентов (Ra, ²¹⁰Ро и др.), причем последние обычно используют в виде соединений (солей). Однако такие источники имеют недостатки. В частности, выход нейтронов и их спектр меняются в зависимости от крупности порошков и однородности их смешивания . Анализ таких источников показал, что обычно они неоднородны по составу . Поэтому наряду со смесями порошков в качестве источников все большее применение находят сплавы на основе бериллия с добавками радиоактивных элементов. Источники в виде соединений (например, PuBei₃) характеризуются постоянством характеристик и имеют предсказываемый выход нейтронов. Достоинством РuВе₁₃ по сравнению с более мощными источниками является большой (24 300 лет) период полураспада.