Структура и свойства сплавов бериллия: Справочник

Папиров И.И.

Энергоиздат, 1981 г.

1.6. 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 (t=1350+50°С). Исключение составляют сплавы с труднорастворяемыми элементами (например, с платиной). Плавку осуществляют в вакууме или в среде инертных газов [27, с. 498; 310; 696]. 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 (см. разд. 2.2). Легирование, как правило, ухудшает деформируемость слитков и прессовок, а при повышенных концентрациях легирующего элемента (более 2—5%) слитки становятся недеформируемыми (см. [388, 744]). 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 [381, 1085]. В работах [68; 190; 212; 491, с. 93] проанализировано поведение различных элементов при зонной плавке бериллия. 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 е 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 [304, 569], 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 (см. разд. 2.2). Исключение представляет естественное легирование порошка окисью бериллия путем его подкисления, а также контроль состава исходного порошка, обеспечивающий благоприятное соотношение примесей Ср_е/с_А1 или устранение дисперсных (грязных) фракций порошка (см. [210, 484, 802, 805, 1089]).

В последнее время все чаще применяют новый метод получения бериллиевых сплавов — уплотнение порошков бериллия с предварительно нанесенными на частицы покрытиями из легирующего элемента [255; 256; 258; 260; 263; 660; 712; 796; 843, с, 601; 863; 864]. 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) [660], химическое восстановление или термическое разложение соединений (Ag, Si и др.) [660; 712; 843, с. 601], плазменное напыление, электролиз (Сu) [796] и др. В работе [843, с. 601] для нанесения покрытий Ag, Sn, Ni, Zn, Cu, Cd порошок бериллия перемалывали в шаровой мельнице с 3% одного из перечисленных металлов с целью их натирания на порошинки металла-основы.

Есть предложение [255, 263] покрывать порошок бериллия  металлами, которые при нагреве и уплотнении образуют вокруг частиц бериллия интерметаллическое соединение. Затем такие порошки прессуют при температуре 1030—1200° С и давлении 2,5—14 МН/м². Образующийся при этом слой бериллида упрочняет матрицу и тормозит рост зерен.

Уплотнение порошков с покрытиями лучше осуществлять не горячим прессованием, а изостатическим (Be—Сr) [864] или ковкой (Be—Ag) [660]. 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 σ0,2 на 29%. 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 СгВе₁₂, препятствующий их росту и упрочняющий матрицу. Такие материалы особенно перспективны для изготовления деталей с высокой размерной стабильностью, например зеркал из бериллия [864].

Порошки бериллия со средним размером частиц 33 мкм покрывали [660] серебром, никелем и медью. Толщина покрытий составляла 0; 0,85 и 6,1 мкм, концентрация от 0,055 до 81,15% (объемная доля 0,0048—41%). Порошок с покрытиями прессовали при t = 20°С до плотности 70—95% , проводили дегазацию при t = 720° С в вакууме 10^-7 Па и затем осаживали заготовки в атмосфере аргона при 720° С. Материал из порошков с покрытиями никеля и меди имеет неудовлетворительную структуру: даже при пониженной температуре деформации образуются интерметаллические фазы и возникает пористость, обусловленная эффектом Киркиндалла [660]. Материал из порошка бериллия с серебряным покрытием обладает 100%-ной плотностью и повышенными механическими свойствами, особенно — пластичностью: их удлинение возрастает от 0,35% (Be) до 2% (Be с объемной долей 5,12 или 15,0°₀ Ag). Предел прочности таких сплавов равен 580 МН/м², практически не зависит от концентрации и лишь на 40 МН/м² ниже, чем у аналогичного материала, не содержащего серебра. Предел текучести монотонно уменьшается от 460 МН/м² (Be) до 270 МН/м² (Be с объемной долей 15% Ag). Осадкой порошков с покрытиями получены изделия сложной формы [660].

К числу новых методов получения порошков сплавов бериллия относится также центрифугирование — закалка жидких капель (брызг), образующихся при плавлении быстровращающегося электрода [244; 491, с. 547; 872]. 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).