CN106756372B - 一种高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高性能铍铝‑稀土合金的制备方法及其制备的产品，目的在于解决目前采用铍铝预合金化和粉末冶金、后续冷/热变形加工（轧制）及添加其它合金元素的方式，该法工艺复杂、成本很高，且难以生产复杂结构部件，合金仍易出现成分偏析的问题。本发明提供一种新的铍铝‑稀土合金的制备方法，该方法以金属铍、铝和稀土元素为原料，通过真空感应熔炼、预合金化、磁悬浮熔炼、重熔和快速冷却的结合，以及反应条件的合理调整，成功制备出组织细小均匀的非枝晶合金，该合金晶粒细小致密，力学性能高，成分偏析程度低，具备良好的塑性与加工成型性，具有较好的应用前景。同时，本发明的生产工艺简单，成本低，能够制备出复杂结构的部件。

Description

一种高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品

技术领域

本发明涉及合金制备领域，尤其是有色金属合金及其制备领域，进一步涉及铍铝合金领域，具体为一种高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品。

背景技术

金属铍具有低密度（理论密度1.842g/cm3）、高熔点（1287℃）、高比刚度、比强度，及优异的核性能、热性能与光学特性等优良性能，在核能等领域具有较高的应用价值。然而，铍自身存在价格昂贵、脆性、有毒等缺陷，极大的限制了其在工业上的大规模应用。同时，金属铍质脆、不易加工，难以制成复杂的结构件，这也极大限制了铍的应用范围。为了弥补金属铍的这一缺陷，早在上世纪六十年代，美国国家航空航天局就致力于开发塑性铍基材料，这也是开发铍铝合金的原因。

铍铝合金继承并结合了金属铍的高强度和金属铝的高塑性，具有较好的韧性、易加工性，是一种独特的质轻、刚性、高阻尼性和高稳定性的材料。虽然，Be-Al合金的综合性能略逊于金属Be，但由于铍铝合金中Be含量的减少，使得材料原料成本大幅下降，加工性能显著提高。相比金属Be而言，Be-Al合金的应用领域非常灵活，在性能不是最突出要求的应用领域，Be-Al合金比金属Be本身更具竞争力。未来，Be-Al合金与金属Be将以既竞争又互补的形式发展。

目前，Be-Al合金的生产方法主要有包括：粉末冶金法、精密铸造法和锻(挤)压成形法。不同制备方法制得的合金，其组织具有显著差异，导致合金的性能有所不同。其中，铸态合金的拉伸强度是最低的；而锻压态铍铝合金的拉伸强度和延伸率均有大幅度提高，其比铸造合金具有更好的力学性能。粉末冶金法制备的Be-Al合金的强度也有明显改善，不同的是，经冷等静压/挤压的铍铝合金的力学性能要明显优于热等静压态铍铝合金。

其中，粉末冶金法制备铍铝合金的主要流程如下：在1350℃至约1450ºC的温度范围内，对金属铝和金属铍进行真空熔炼，以达到预合金化，之后利用高速惰性气体进行雾化冷却，得到预制的合金粉末；预合金粉经冷等静压至理论密度的约80%，再经热等静压成型，最后经挤压进一步提高密度，挤压温度通常为370-510ºC，从而得到铍铝合金。采用粉末冶金法制得的合金具有各向同性特性，但其生产工艺复杂，生产成本高。

虽然粉末热等静压制备的铍铝合金性能较精密铸造要好，但精密铸造方法工艺简单、成本较低，并且能后生产粉末冶金法无法生产的结构复杂零部件，而这对于铍铝合金在航空航天上的应用十分重要。

然而，Be和Al之间非常有限的溶解度使得这两种材料在凝固过程中相互分离，且Be和Al的熔点相差很大（Be为1287℃，Al为660℃），两者具有着很宽的固液两相区（凝固区间），这就引起了金属补缩的问题，也导致最终产品中的收缩缺陷和孔隙以及组织的宏观和微观偏析，因此，常规铸造方法难以得到性能良好的铍铝合金。

针对该问题，目前普遍采用铍铝预合金化和粉末冶金、后续冷/热变形加工（轧制）及添加其它合金元素的方式，实现铍铝两相晶粒细化、提升综合性能的目的。但正如上所述，该法工艺复杂、成本很高，并且难以生产复杂结构部件，而合金仍易出现成分偏析。

为此，迫切需要一种新的材料和/或方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对为了得到性能良好的铍铝合金，目前普遍采用铍铝预合金化和粉末冶金、后续冷/热变形加工（轧制）及添加其它合金元素的方式，实现铍铝两相晶粒细化、提升综合性能的目的，但该法工艺复杂、成本很高，且难以生产复杂结构部件，合金仍易出现成分偏析的问题，提供一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品。本发明提供一种新的铍铝-稀土合金的制备方法，该方法以金属铍、铝和稀土元素为原料，通过真空感应熔炼、预合金化、磁悬浮熔炼、重熔和快速冷却的结合，以及反应条件的合理调整，成功制备出组织细小均匀的非枝晶合金，该合金晶粒细小致密，力学性能高，成分偏析程度低，具备良好的塑性与加工成型性，具有较好的应用前景。同时，本发明的生产工艺简单，成本低，能够制备出复杂结构的部件，有效解决现有技术存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法，该方法采用包括如下质量百分比的组分作为原料：45~80%金属铍，10~45%铝，0.1~10%稀土元素，余量为杂质；

其包括如下步骤：

（1）按配比称取各组分，并将称取的稀土元素和部分金属铝放入真空感应熔炼炉的第一反应器内进行熔炼，铸造得到铝-稀土中间合金铸锭，其中，稀土元素在铝-稀土中间合金铸锭中所占的质量百分比为10~45%；

（2）将步骤（1）制备的铝-稀土中间合金铸锭去氧化皮、冒口后，得到铝-稀土中间合金精料；

（3）将步骤（2）制备的铝-稀土中间合金精料、称取的金属铍、剩余的金属铝放入真空感应熔炼炉内的第二反应器中，经过熔炼、保温、电磁搅拌后，将得到的熔液浇注至预热后的第一模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金；

（4）将步骤（3）制备预合金化的铍铝-稀土合金去氧化皮、冒口后，在真空条件下利用磁悬浮熔炼法进行重熔，然后采用快速凝固的方式浇注至第二模具中，得到铍铝-稀土合金。

所述步骤（1）中，第一反应器为氧化铝坩埚；

熔炼的反应条件如下：真空感应熔炼炉内的真空度为1×10^-2~1×10^-4Pa，熔炼温度为800~1650℃，熔炼时间5~15分钟，浇注温度为740~1550℃。

所述稀土元素为镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铒（Er）、钇（Y）、钪（Sc）、镱（Yb）、钕（Nd）、镥（Lu）中的一种或多种。

所述金属铍的纯度高于98.0%，铝的纯度高于99.9%，稀土元素的纯度高于99%。

所述步骤（1）中，金属铝的称取至为计算值的1.012~1.025倍。

所述步骤（3）中，第一反应器为氧化铝坩埚或氧化铍坩埚。

所述步骤（3）中，反应条件如下：真空感应熔炼炉的真空度为1×10-2~1×10-5Pa；熔炼温度为1150~1380℃，熔炼时间8~18分钟；保温温度为1140~1250℃，保温时间2~10分钟；浇注温度为1130~1230℃。

所述步骤（3）中，第一模具为内表面具有氧化铝保护涂层的石墨模具。

所述步骤（3）中，对第一模具进行预热是指在浇注前预先将模具加热至450~750℃。

所述步骤（3）中，所述电磁搅拌是指采用交变旋转磁场、行波磁场或交变旋转与行波复合磁场进行搅拌。

所述步骤（4）中，反应条件如下：真空度为1×10^-2~1×10^-5Pa，熔炼温度为1150~1300℃，熔炼时间5~10分钟，保温温度为1180~1250℃，保温时间2~5分钟，浇注温度为1150~1230℃。

所述步骤（4）中，第二模具采用合金或通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物制备而成。

所述第二模具为采用合金制备的中空模具，中空模具内设置有空腔；

将重熔后的熔液浇注至第二模具中，通过向第二模具内的空腔注入冷却水的方式，对第二模具内的熔液进行快速冷却；

或所述第二模具为采用通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物制备而成；

将第二模具预热至350~650℃后，将重熔后的熔液浇注至第二模具中，再将第二模具转移至冷却腔内进行快速冷却。

采用前述方法制备的产品。

针对前述问题，本发明提供一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品。该合金采用包括如下质量百分比的组分作为原料：金属铍含量为45~80%，铝含量为10~45%，复合稀土元素含量0.1~10%，其余为杂质。金属铍可以为纯度高于98.0%的铍珠或铍锭，铝可以为纯度高于99.9%的铝锭或铝棒，复合稀土中各元素纯度均高于99%。本发明在铍铝合金中，添加稀土元素，能显著细化晶粒、强化铍相和/或铝相、提升力学性能，并降低组织缺陷、减少成分偏析，提升合金耐氧化、耐腐蚀性与耐热性。

进一步，该方法包括如下步骤。首先，按配比称取各组分，包括金属铍、铝、稀土元素。将称取的计算量的稀土元素和部分金属铝放入真空感应熔炼炉中，铸造得到铝-稀土中间合金铸锭。其中，稀土元素在铝-稀土中间合金铸锭中所占的质量百分比为10~45%。坩埚可以为氧化铝坩埚，真空度为1×10^-2~1×10^-4Pa，熔炼温度为800~1650℃，熔炼时间5~15分钟，浇注温度为740~1550℃。

然后，将制备的铝-稀土中间合金铸锭去氧化皮、去冒口，得到铝-稀土中间合金精料。再将计算量的金属铍、剩余的金属铝和铝-稀土中间合金精料放入真空感应熔炼炉的坩埚中进行熔炼，经过熔炼、保温、电磁搅拌后，浇注至经预热后的模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金。步骤3中所采用的坩埚可以为氧化铝或氧化铍坩埚。该步的反应条件如下：真空度为1×10^-2~1×10^-5Pa，熔炼温度为1150~1380℃，熔炼时间8~18分钟，保温温度为1140~1250℃，保温时间2~10分钟，浇注温度为1130~1230℃。其中，采用的模具优选采用内表面具有多层氧化铝保护涂层的石墨模具。

同时，申请人在时间中发现，该步骤中，若不对模具进行提前预热，直接将得到的熔液浇注至预热后的第一模具中，所制备的预合金化的铍铝-稀土合金会出现裂纹，导致废品率显著上升。为此，申请人先将模具预热至450~750℃，即在浇注前预先将模具加热至450~750℃。申请人分析后认为，由于铍铝合金本身具有很强的热裂性，浇注和凝固的瞬态过程中熔体温度场变化过大时将产生很大凝固应力，导致铸锭出现裂纹，因而，需要保证模具具有一定的初始温度，在保证冷速的前提下使熔体凝固时的温度场保持相对均匀。

最后，将预合金化的铍铝-稀土合金去氧化皮、去冒口后，利用磁悬浮熔炼方法进行重熔，之后采用快速凝固的方式浇注至模具中得到铍铝-稀土合金。具体条件如下：真空度为1×10^-2~1×10^-5Pa，熔炼温度为1150~1300℃，熔炼时间5~10分钟，保温温度为1180~1250℃，保温时间2~5分钟，浇注温度为1150~1230℃。

其中，用于铍铝-稀土预合金化熔炼的电磁搅拌措施为交变旋转磁场、行波磁场或交变旋转与行波复合磁场。该步骤中，重熔用模具采用合金材质或通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物材质制备而成。

为此，本发明提供两种快速冷却的方式。其中，一种快速冷凝的方式为：采用合金材质制作中空模具，在模具内通入冷却水，在浇注后通过水冷方式，将高温合金熔体快速冷却。另一种快速凝固方式为：采用失蜡法制备熔模铸造用耐热氧化物模具，模具先预热至350~650℃，在合金熔体后浇注后，将模具转移至冷却腔内，并通过水淬等激冷方式将模具快速冷却。本发明中，利用快速冷却方式得到的铍铝-稀土合金，其铍、铝固溶度较高，晶粒细小均匀，缩孔缺陷大大降低，且成分偏析程度低。

综上所述，本发明提供一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品，本发明通过在铍铝合金中添加稀土合金元素，并利用真空感应熔炼制备铝-复合稀土中间合金，再通过真空感应熔炼法预合金化铍铝-稀土合金，以及磁悬浮熔炼，熔炼过程中通过电磁搅拌实现合金成分及组织的均匀性，最后，通过重熔和快速冷却得到组织细小均匀的非枝晶合金。本发明通过对反应条件的控制，使得所制备的合金晶粒细小致密，力学性能高，成分偏析程度低，具备良好的塑性与加工成型性。此外，本发明添加的稀土元素的变质作用提升了合金的耐腐蚀性与耐热性，使得制备的合金尺寸稳定性良好，有效提升合金的综合性能。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例2制得的铍铝-稀土合金铸锭（图1右）与未添加稀土元素及未作快速冷却处理的铍铝合金铸锭（图1左）微观组织对比示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明提供一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品，其中该合金采用如下质量百分比的原料组成：铍含量为45~80%，铝含量为10~45%，稀土元素含量0.1~10%，其余全为杂质。其中，稀土元素包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铒（Er）、钇（Y）、钪（Sc）、镱（Yb）、钕（Nd）、镥（Lu）中的一种或多种。

该方法的具体步骤如下。

（1）按配比称取各组分，备用。将稀土元素和部分金属铝（计算量的）一起放入真空感应熔炼炉内的模具中进行熔炼，铸造得到铝-稀土中间合金铸锭。其中，设计稀土元素在铝-稀土中间合金中的质量百分比为10~45%；必须考虑到在较高熔炼温度以及较高真空度下，金属铝因挥发产生的料损，因此，须将铝的投料量在原计算结果基础上增加1.2~2.5%。铝-稀土中间合金的铸造工艺为：采用氧化铝坩埚，真空度范围在1×10^-2~1×10^-4Pa内，熔炼温度为800~1650℃，熔炼时间5~15分钟，浇注温度为740~1550℃。其中，步骤（1）中的模具采用内壁具有氧化铝保护涂层的石墨坩埚或氧化铝坩埚，之后随炉冷却。

（2）将步骤1制备的铝-稀土中间合金铸锭去氧化皮、去冒口后，得到铝-稀土中间合金精料。可根据实际生产需求，将精料铸锭切割成若干小块，备用。

（3）将计算量的金属铍、剩余的金属铝和步骤2制备铝-稀土中间合金精料放入真空感应熔炼炉的坩埚中，依次经熔炼、保温、电磁搅拌后，浇注至模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金。此步骤的熔炼坩埚选用氧化铝或氧化铍材质坩埚，模具采用内表面具有多层氧化铝保护涂层的石墨模具。

步骤3中，预合金化铍铝-稀土的铸造工艺为：控制炉内真空度为1×10^-2~1×10^{- 5}Pa，坩埚升温速率控制为40~100℃/分钟，熔炼温度为1150~1380℃，熔炼时间8~18分钟，之后进行保温，保温温度为1140~1250℃，保温时间2~10分钟，浇注温度为1130~1230℃，浇注前将模具预热至450~750℃；浇注的同时开启电磁搅拌，控制搅拌频率为5~50Hz，其中所使用的电磁场可以为交变旋转磁场、行波磁场或交变旋转与行波复合磁场；之后炉冷，得到预合金化的铍铝-稀土合金。

（4）将预合金化的铍铝-稀土合金去氧化皮、去冒口后，利用磁悬浮熔炼方法进行重熔，之后采用快速凝固的方式浇注至模具中，得到铍铝-稀土合金。铍铝-稀土合金重熔的磁悬浮熔炼工艺为：真空度控制在1×10^-2~1×10^-5Pa范围内，坩埚升温速率控制为120~250℃/分钟，熔炼温度为1150~1300℃，熔炼时间5~10分钟，保温温度为1180~1250℃，保温时间2~5分钟，浇注温度为1150~1230℃。根据实际生产需求，模具可采用合金材质或通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物材质。

步骤4中，一种快速凝固方式具体为：若采用合金材质中空模具，则在模具内通入高压冷却水，在浇注后通过水冷方式将高温合金熔体快速冷却。

另一种方式为：采用失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物模具，模具预热至350~650℃，在合金熔体后浇注后，将模具转移至冷却腔内并通过水淬等激冷方式将模具快速冷却。

步骤4中，利用快速冷却方式得到的铍铝-稀土合金，其铍、铝两相固溶度较高，晶粒细小均匀，缩孔缺陷大大降低，成分偏析程度低。

采用上述方法制备铍铝-稀土合金，其具体性能指标如下：铸态铍铝-稀土合金中铍的质量分数与计算值偏差不超过1.2%，铝的质量分数与计算值偏差不超过1.3%，复合稀土元素镧、铒的总含量与计算值偏差不超过4%。

对本发明制备的铍铝-稀土合金进行测试，测试结果如下：室温条件下，铸态合金的平均抗拉强度不低于320Mpa，平均屈服强度超过246Mpa，平均弹性模量超过220Gpa，延伸率不低于3.5%。

本发明以下具体实施例中，所采用的各种原料中，其中，金属铍为纯度高于98.0%的铍珠或铍锭，铝为纯度高于99.9%的铝锭或铝棒，复合稀土各元素纯度均高于99%。在铍铝合金中添加复合稀土元素可显著细化晶粒、强化铍相和/或铝相、提升力学性能，并降低组织缺陷、减少成分偏析，提升合金耐氧化、耐腐蚀性与高温力学性能。

实施例1

本实施例按质量百分比称取各组分：铍含量为62%，铝含量为37%，稀土元素镧含量0.4%，稀土元素铒含量0.4%，其余0.2%为所有杂质含量。

本实施例的具体步骤如下。

（1）按配比称取各组分，备用。计算并准备金属铝和稀土镧、铒金属锭原料，设计稀土元素镧、铒在铝-稀土中间合金中的总质量百分比为30%。考虑到在较高熔炼温度以及较高真空度下金属铝的挥发性高于镧和铒，因此，将铝的投料量在原计算结果基础上增加1.68%。

将前述步骤称取的稀土镧、铒金属锭原料和计算量的铝一起放入真空感应熔炼炉坩埚中，并确保铝锭/棒在上下部位，稀土金属镧、铒在中间部位；之后，开始铸造铝-稀土中间合金，铸造得到铝-镧-铒中间合金铸锭。具体反应条件如下：采用氧化铝坩埚，真空度控制为7.5×10^-3Pa以下，熔炼温度为1440℃，熔炼时间8分钟，浇注温度为1350℃，坩埚采用内壁具有两层氧化铝保护涂层的石墨坩埚，浇注后随炉冷却。

（2）出炉后，将铝-镧-铒中间合金铸锭经机加去氧化皮、去冒口，得到铝-镧-铒中间合金精料。根据实际生产需求，将精料铸锭切割成5~10小块作备料使用。

（3）将称取的金属铍、剩余的金属铝和铝-镧-铒中间合金精料放入真空感应熔炼炉内的氧化铝或氧化铍坩埚中；放料时，将纯铝料放于坩埚底部，铝-镧-铒中间合金精料放于中间部位，纯铍料放于顶部；之后，经过熔炼、保温、浇注、电磁搅拌后，浇注至预热后的模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金。该步骤中，考虑到金属铝的料损，配料时将铝锭/棒料在原计算基础上增加2.12%。

预合金化铍铝-稀土的铸造条件如下：真空感应熔炼炉内的真空度为2.0×10^-3Pa，坩埚升温速率控制为40℃/分钟，熔炼温度为1380℃，熔炼时间15分钟；之后，进行保温，保温温度为1250℃，保温时间5分钟，浇注温度为1230℃，坩埚采用内表面具有3层氧化铝保护涂层的石墨模具，浇注前将模具预热至550℃，浇注的同时开启电磁搅拌，控制搅拌频率为30Hz，所使用的电磁场为交变旋转磁场，浇注后炉冷。

（4）出炉后，将步骤3制备的预合金化的铍铝-稀土合金经机加去氧化皮、去冒口后，放于真空磁悬浮熔炼炉中进行重熔，采用铜质坩埚，该合金重熔的磁悬浮熔炼条件如下：真空度控制为6.5×10^-3Pa，坩埚升温速率控制为120℃/分钟，熔炼温度为1280℃，熔炼时间10分钟，保温温度为1250℃，保温时间2分钟，浇注温度为1180℃。之后，浇注到方形或圆柱体模形的水冷铜模中，水压控制为2.0Mpa，通过快速冷却凝固的方式，得到铍铝-稀土合金。

本实施例制备的铍铝-稀土合金铸态下，铍的质量分数在61.85~62.15%，铝的质量分数为36.80~37.10%，复合稀土元素镧、铒的总含量在0.75~0.82%之间，其余皆为杂质元素含量。室温条件下，该铸态合金的平均抗拉强度为338Mpa，平均屈服强度254Mpa，平均弹性模量为232Gpa，延伸率达到了3.7%。

实施例2

本实施例按质量百分比称取各组分：铍含量为70%，铝含量为28%，稀土元素钪含量1.0%，稀土元素铈含量0.8%，其余0.2%为所有杂质的总含量。

本实施例的具体步骤如下。

（1）铝-钪-铈中间合金的制备

按配比称取各组分，备用。计算并准备金属铝和稀土钪、铈金属颗粒原料，设计稀土元素钪、铈在铝-稀土中间合金中的总质量百分比为35%。考虑到在较高熔炼温度以及较高真空度下金属铝的挥发性高于钪和铈，因此，将铝的投料量在原计算结果基础上增加1.82%。由于钪、铈化学性质活泼，一般存放在煤油或其他有机溶剂中以防止氧化，因此使用前需将稀土原料投入无水乙醇中并采用超声波震荡清洗后用氮气吹干，之后尽快装料使用。

将前述步骤称取的原料一起放入真空感应熔炼炉坩埚中，并确保铝锭/棒在坩埚上、下部位，稀土金属钪、铈在中间部位。之后，开始铸造铝-稀土中间合金，其铸造条件具体如下：采用氧化铝坩埚，真空度控制为2.0×10^-3Pa以下，熔炼温度为1450℃，熔炼时间5分钟，浇注温度为1380℃，坩埚采用内壁静电喷涂了2层氧化铝保护涂层的石墨坩埚，浇注后随炉冷却。

（2）出炉后，将铝-钪-铈中间合金铸锭经机加铣削去除氧化皮和上端冒口，得到铝-钪-铈中间合金精料。之后，利用线切割将精料铸锭切割成8~15小块作备料使用。

（3）将称取的金属铍、金属铝和步骤2制备的铝-钪-铈中间合金精料放入真空感应熔炼炉内的氧化铍坩埚中。放料时，将纯铝料放于坩埚底部，铝-钪-铈中间合金精料放于中间部位，纯铍料放于顶部。之后，经过熔炼、保温、浇注、电磁搅拌后，浇注至预热后的模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金。该步骤中，考虑到金属铝的料损，配料时将铝锭/棒料在原计算基础上增加1.82%。

预合金化铍铝-稀土的铸造条件如下：控制真空感应熔炼炉内的真空度为7.0×10-4Pa，坩埚升温速率控制为80℃/分钟，熔炼温度为1380℃，熔炼时间15分钟；之后，进行保温，保温温度为1250℃，保温时间5分钟，浇注温度为1230℃，坩埚采用内表面具有3层氧化铝保护涂层的石墨模具，浇注前将模具预热至550℃，浇注的同时开启电磁搅拌，控制搅拌频率为30Hz，所使用的电磁场为交变旋转磁场，浇注后炉冷。

（4）出炉后，将步骤3制备的预合金化的铍铝-稀土合金经机加铣削去掉氧化皮及冒口后，放于真空磁悬浮熔炼炉中进行重熔，采用铜质坩埚，该合金重熔的磁悬浮熔炼条件如下：真空度控制为6.5×10^-3Pa，坩埚升温速率控制为100℃/分钟，熔炼温度为1320℃，熔炼时间6分钟，保温温度为1270℃，保温时间3分钟，浇注温度为1220℃。之后，浇注到方形或圆柱体模形的水冷铜模中，水压控制为1.6~1.8Mpa，通过快速冷却凝固的方式，得到铍铝-稀土合金。

本实施例制备的铍铝-稀土合金铸态下，铍的质量分数在69.82~70.11%，铝的质量分数为27.80~28.08%，复合稀土元素钪、铈的总含量在1.72~1.95%之间，其余皆为杂质元素含量。

本实施例制得的铍铝-稀土合金铸锭的微观组织照片如图1所示，可以看出，添加稀土元素并采用快速冷却凝固方式后，合金的铸态组织明显从不等轴长的长枝晶转变为细小均匀的柱状晶，柱状晶之间也比较均匀地分布了添加稀土元素后形成的第二相组织，合金平均晶粒尺寸大为降低，且晶粒未呈现任何取向性排列，表明其具有良好的各向同性。室温条件下，该铸态合金的平均抗拉强度为376Mpa，平均屈服强度278Mpa，平均弹性模量为253Gpa，延伸率达到了3.5%。

实施例3

本实施例按质量百分比称取各组分：铍含量为62%，铝含量为35.5%，稀土元素钪含量0.8%，稀土元素钇含量1.0%，稀土元素钐含量0.5%，其余0.2%为所有杂质含量。

本实施例的具体步骤如下。

（1）铝-钪-钇-钐中间合金的制备

按配比称取各组分，备用。计算并准备金属铝和稀土钪、钇、钐金属颗粒/薄片原料，设计稀土元素钪、钇和钐在铝-稀土中间合金中的质量百分比分别为16%、20%和10%（稀土总质量百分比为46%）。备料时，将铝的投料量在原计算结果基础上增加1.17%。由于钪、钇、钐化学性质活泼，一般存放在煤油或其他有机溶剂中以防止氧化，因此，使用前需将稀土原料投入无水乙醇中用超声波震荡清洗后并用高纯氮气或氩气吹干，之后尽快装料使用。

将称取的稀土钪、钇、钐金属颗粒/薄片原料和计算量的金属铝一起放入真空感应熔炼炉坩埚中，并确保铝锭/棒在坩埚上、下部位，稀土金属钪、钇、钐在中间部位。之后，开始铸造铝-稀土中间合金，得到铝-钪-钇-钐中间合金铸锭。其铸造条件具体如下：采用氧化铝坩埚，真空度控制为5.0×10^-4Pa，熔炼温度为1550℃，熔炼时间5分钟，浇注温度为1420℃，模具采用内壁静电喷涂了2层氧化铝保护涂层的石墨坩埚，浇注后随炉冷却。

（2）出炉后，将铝-钪-钇-钐中间合金铸锭经机加铣削去除氧化皮和上端冒口，铣削过程中需持续喷射冷却剂，得到铝-钪-钇-钐中间合金精料后，不作任何切割直接备料使用。

（3）将称取的金属铍、金属铝和步骤2制备的铝-钪-钇-钐中间合金精料放入真空感应熔炼炉内的氧化铍坩埚中。配料时，将铝锭/棒料在原计算基础上增加1.60%。放料时，将一半纯铝料放于坩埚底部，铝-钪-钇-钐中间合金精料放在中间部位，纯铍料及剩余一半纯铝料放于上部。之后，经过熔炼、保温、浇注、电磁搅拌后，浇注至预热后的模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金。

预合金化铍铝-稀土的铸造条件如下：采用氧化铍坩埚，控制真空感应熔炼炉内真空度在6.0×10^-3~8.0×10^-4Pa范围内，坩埚升温速率控制为75~90℃/分钟，熔炼温度为1350℃，熔炼时间15分钟。之后，进行保温，保温温度为1280℃，保温时间2分钟，浇注温度为1180℃，模具采用内表面静电喷涂了3层氧化铝涂层的石墨模具，浇注前将模具预热至600℃，浇注的同时开启电磁搅拌，控制搅拌频率为50Hz，使用交变旋转磁场，浇注后炉冷。

（4）出炉后，将预合金化的铍铝-稀土合金经机加铣削去掉氧化皮、表面缺陷及冒口后，放于真空磁悬浮熔炼炉中进行重熔，采用铜质坩埚，合金重熔的磁悬浮熔炼条件如下：真空度控制为不低于2.0×10^-3Pa，坩埚升温速率控制为120℃/分钟，熔炼温度为1380℃，熔炼时间10分钟，保温温度为1280℃，保温时间2分钟，浇注温度为1200℃。之后，浇注到方形水冷铜模中，水压控制为2.0~2.5Mpa，出炉后，即得到一种新型高性能铍铝-稀土合金。

本实施例制备的铍铝-稀土合金铸态下，铍的质量分数在61.90~62.10%之间，铝的质量分数为35.42~35.58%，复合稀土元素钪、钇和钐的总含量在2.19~2.38%之间，其余含量为所有杂质元素。室温条件下，该铸态合金的平均抗拉强度为372Mpa，平均屈服强度277Mpa，平均弹性模量为249Gpa，延伸率达到了3.2%。

实施例4

本实施例按质量百分比称取各组分：铍含量为65%，铝含量为31%，稀土元素镧含量2.0%，稀土元素铈含量1.8%，其余0.2%为杂质的总含量。

本实施例的具体步骤如下。

（1）铝-镧-铈中间合金的制备

按配比称取各组分，备用。计算并准备金属铝和稀土镧、铈金属颗粒/铸锭原料，设计稀土元素镧和铈在铝-稀土中间合金中的质量百分比均为20%（稀土总质量百分比为40%）。备料时将铝的投料量在原计算结果基础上增加0.46%。由于稀土镧和铈化学性质活泼，一般浸泡在煤油中以防止氧化，因此使用前需将其投入无水乙醇中用超声波震荡清洗后并用高纯氮气或氩气吹干，之后尽快装料使用。

将称取的稀土镧、铈金属和计算量的金属铝一起放入真空感应熔炼炉坩埚中，并确保铝锭/棒在坩埚上、下部位，稀土金属镧、铈在中间部位。之后，开始铸造铝-稀土中间合金，得到铝-镧-铈中间合金铸锭。其铸造条件具体如下：采用氧化铝坩埚，真空度控制在不低于9.0×10^-3Pa，熔炼温度为1080℃，熔炼时间20分钟，浇注温度为980℃，模具采用内壁静电喷涂了2层氧化铝保护涂层的石墨坩埚，浇注后随炉冷却。

（2）出炉后，将铝-镧-铈中间合金铸锭经机加铣削去除氧化皮和上端冒口，铣削过程中需持续喷射冷却剂，得到铝-镧-铈中间合金精料后，线切割成3~5块备料使用。

（3）将称取的金属铍、金属铝和步骤2制备的铝-镧-铈中间合金精料放入真空感应熔炼炉内的氧化铝坩埚中。配料时，将铝锭/棒料在原计算基础上增加1.00%。放料时，将一半纯铝料放于坩埚底部，铝-镧-铈中间合金精料放在中间部位，纯铍料及剩余一半纯铝料放于上部。之后，经过熔炼、保温、浇注、电磁搅拌后，浇注至预热后的模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金。

预合金化铍铝-稀土的铸造条件如下：采用氧化铝坩埚，控制真空感应熔炼炉内真空度不低于2.0×10^-2Pa，坩埚平均升温速率控制为90℃/分钟，熔炼温度为1350℃，熔炼时间15分钟。之后，进行保温，保温温度为1280℃，保温时间2分钟，浇注温度为1230℃，模具采用内表面静电喷涂了3层氧化铝涂层的石墨模具，浇注前将模具预热至500℃，浇注的同时开启电磁搅拌，控制搅拌频率为50Hz，使用交变旋转磁场，之后炉冷。

（4）出炉后，将预合金化的铍铝-稀土合金经机加铣削去掉氧化皮、表面缺陷及冒口后，放于真空磁悬浮熔炼炉中进行重熔，采用铜质坩埚，合金重熔的磁悬浮熔炼工艺条件如下：真空度控制为不低于8.0×10^-3Pa，坩埚平均升温速率控制为100℃/分钟，熔炼温度为1380℃，熔炼时间15分钟，保温温度为1280℃，保温时间3分钟，浇注温度为1180℃。之后，浇注到Φ100圆柱形水冷铜模中，水压控制为2.0Mpa。出炉，后即得到一种新型高性能铍铝-稀土合金。

本实施例制备的铍铝-稀土合金铸态下，铍的质量分数在64.88~65.09%，铝的质量分数为30.90~31.12%，复合稀土元素镧、铈的总含量在3.77~3.86%之间，其余皆为杂质元素含量。室温条件下，该铸态合金的平均抗拉强度为332Mpa，平均屈服强度256Mpa，平均弹性模量为225Gpa，延伸率达到了4.3%。

以上实施例仅为本发明的优选方案，本发明的实施方式与保护范围并不受限于上述实施例，凡使用本发明思路下的设计及技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明设计原理前提下的若干改动也应视作本发明的保护范围。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，该方法采用包括如下质量百分比的组分作为原料：45~80%金属铍，10~45%铝，0.1~10%稀土元素，余量为杂质；

其包括如下步骤：

（1）按配比称取各组分，并将称取的稀土元素和部分金属铝放入真空感应熔炼炉的第一反应器内进行熔炼，铸造得到铝-稀土中间合金铸锭，其中，稀土元素在铝-稀土中间合金铸锭中所占的质量百分比为10~45%；

（2）将步骤（1）制备的铝-稀土中间合金铸锭去氧化皮、冒口后，得到铝-稀土中间合金精料；

（3）将步骤（2）制备的铝-稀土中间合金精料、称取的金属铍、剩余的金属铝放入真空感应熔炼炉内的第二反应器中，经过熔炼、保温、电磁搅拌后，将得到的熔液浇注至预热后的第一模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金；

（4）将步骤（3）制备预合金化的铍铝-稀土合金去氧化皮、冒口后，在真空条件下利用磁悬浮熔炼法进行重熔，然后采用快速凝固的方式浇注至第二模具中，得到铍铝-稀土合金；

所述步骤（1）中，熔炼的反应条件如下：真空感应熔炼炉内的真空度为1×10^-2~1×10^{- 4}Pa，熔炼温度为800~1650℃，熔炼时间5~15分钟，浇注温度为740~1550℃；

所述步骤（3）中，反应条件如下：真空感应熔炼炉的真空度为1×10^-2~1×10^-5Pa；熔炼温度为1150~1380℃，熔炼时间8~18分钟；保温温度为1140~1250℃，保温时间2~10分钟；浇注温度为1130~1230℃；

所述步骤（4）中，反应条件如下：真空度为1×10^-2~1×10^-5Pa，熔炼温度为1150~1300℃，熔炼时间5~10分钟，保温温度为1180~1250℃，保温时间2~5分钟，浇注温度为1150~1230℃。

2.根据权利要求1所述高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，第一反应器为氧化铝坩埚。

3.根据权利要求1所述高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，金属铝的称取至为计算值的1.012~1.025倍。

4.根据权利要求1所述高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，对第一模具进行预热是指在浇注前预先将模具加热至450~750℃。

5.根据权利要求1所述高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述电磁搅拌是指采用交变旋转磁场、行波磁场或交变旋转与行波复合磁场进行搅拌。

6.根据权利要求1所述高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，第二模具采用合金或通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物制备而成。

7.根据权利要求1-6任一项所述高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述第二模具为采用合金制备的中空模具，中空模具内设置有空腔；

将重熔后的熔液浇注至第二模具中，通过向第二模具内的空腔注入冷却水的方式，对第二模具内的熔液进行快速冷却；

或所述第二模具为采用通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物制备而成；

将第二模具预热至350~650℃后，将重熔后的熔液浇注至第二模具中，再将第二模具转移至冷却腔内进行快速冷却。

8.采用权利要求1-7任一项所述方法制备的产品。