CN108359820A - 一种超细晶铍铝合金的制备方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超细晶铍铝合金的制备方法及其产品，属于有色金属合金制备领域，目的在于解决目前采用铸造法制备的铍铝合金的微观组织基本表现为粗大的柱状树枝晶，难以获得晶粒均匀细小、性能良好的铍铝合金的问题。本发明中，通过预合金化实现合金组元的混溶，在较小过热度条件下实现熔体快速冷却，最终获得铍晶粒细小致密、微观组织为尺寸均匀的等轴晶的新型超细晶铍铝合金，使铍铝合金力学性能和组织均匀性相比慢冷状态的合金有了大幅度提高，同时大幅度消除偏析和抑制针孔的形成。基于制备方法的改进，使得本发明的铍铝合金具有更加优异的力学性能和微观组织结构，从而能够满足更多特殊铍铝合金材料的应用需求。

Description

一种超细晶铍铝合金的制备方法及其产品

技术领域

本发明涉及有色金属合金制备领域，尤其是铍铝合金制造领域，具体为一种超细晶铍铝合金的制备方法及其产品。

背景技术

金属铍具有许多优于其他金属或材料的特性，如密度低、熔点高、比强度与比刚度高、导热率高、热膨胀系数小、热中子吸收截面小、X射线穿透性好等。基于铍的上述特性，使其在核工业、航空航天、惯导及民用高科技领域获得了广泛应用。然而，铍固有的脆性缺陷限制了其在工业上的大规模应用。

为此，人们开展了铍铝合金的开发与应用。铍铝合金充分结合了金属铍的低密度、高强度和金属铝的高塑性和优良机加性能，具有较好的韧性与易加工性，是一种独特的质轻、刚性、高阻尼性和高稳定性的材料，是目前发展较快的一种轻质高强合金。

由于铍铝合金中两相之间相互固溶度很低，存在较大亚稳态混溶间隙，铍与铝在凝固过程中完全分离，且两相熔点相差很大，合金易出现补缩，造成较严重的组织缺陷和偏析。同时，铸造方法制备的铍铝合金中，微观组织基本表现为粗大的柱状树枝晶，难以获得晶粒均匀细小、性能良好的铍铝合金。粉末冶金方法虽能获得接近微米级铍相尺寸的合金，但该技术成本高，时间长，技术难度大，难以获得大尺寸、复杂结构合金部件，因此应用有限。

为此，迫切需要一种新的方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对目前采用铸造法制备的铍铝合金的微观组织基本表现为粗大的柱状树枝晶，难以获得晶粒均匀细小、性能良好的铍铝合金的问题，提供一种超细晶铍铝合金的制备方法及其产品。本发明中，通过预合金化实现合金组元的混溶，在较小过热度条件下实现熔体快速冷却，最终获得铍晶粒细小致密、微观组织为尺寸均匀的等轴晶的新型超细晶铍铝合金，使铍铝合金力学性能和组织均匀性相比慢冷状态的合金有了大幅度提高，同时大幅度消除偏析和抑制针孔的形成。基于制备方法的改进，使得本发明的铍铝合金具有更加优异的力学性能和微观组织结构，从而能够满足更多特殊铍铝合金材料的应用需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超细晶铍铝合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）按如下质量百分比称取各组分：52~87wt%金属铍，余量为金属铝，杂质元素含量小于0.1wt%，备用；

（2）将步骤（1）称取的金属铍和金属铝混合后进行熔炼，再浇注至模具中，得到预合金化铍铝合金铸锭；

（3）将步骤（2）制备的预合金化铍铝合金铸锭进行去杂处理后，放入熔炼坩埚中，经真空感应熔炼、保温后，快速浇注，得到超细晶铍铝合金；

所述步骤（3）中，反应条件如下：进行真空感应熔炼时的炉内真空度为1×10^-2~7×10^{- 4}Pa，真空感应熔炼温度为1350~1450℃，真空感应熔炼时间为2~6分钟，保温温度为1250~1380℃，保温时间1~4分钟，快速浇注时的温度为1250~1350℃。

所述金属铍为铍珠或铍锭且纯度高于99.0%，所述金属铝为铝锭、铝球或铝棒且金属铝的纯度高于99.9%。

所述步骤2中，将步骤1称取的金属铍和金属铝混合后，置于真空感应熔炼炉或真空电弧熔炼炉中进行熔炼。

所述步骤2中，采用真空感应熔炼炉进行熔炼的反应条件如下：采用的熔炼坩埚为氧化铝陶瓷坩埚或氧化锆陶瓷坩埚，熔铸过程真空度为5×10^-2~8×10^-3帕，熔炼温度为1320~1450℃，熔炼时间为30~50分钟，保温温度1300~1410℃，保温时间2~5分钟，浇注温度为1290~1380℃；

或采用真空电弧熔炼炉进行熔炼的反应条件如下：采用的熔炼坩埚为半球形水冷铜模坩埚，熔铸前最低真空度为9×10^-3~1×10^-3帕，保护气氩气充压至0.2~0.5兆帕，熔炼电流350~500安培，熔炼时间5~10分钟。

所述步骤2中，采用真空感应熔炼炉进行熔炼时，浇注用的模具为表面具有氧化铝保护涂层的石墨模具或金属模具，且石墨模具在使用之前经过270~420℃、2~6小时烘烤；

或采用真空电弧熔炼炉进行熔炼时，浇注用的模具为半球形水冷铜模坩埚，不另配模具。

所述步骤3中，预合金化铍铝合金铸锭进行去杂处理的过程如下：通过打磨及机加去除铸锭表面氧化皮、冷隔与上端冒口。

所述步骤3中，熔炼坩埚为高纯石英玻璃坩埚或高纯氧化铝陶瓷坩埚；熔炼坩埚下端开有一个直径为Φ1~Φ3毫米的圆孔，或宽1~2毫米、长4~7毫米的方孔。

所述步骤3中，快速浇注的方式为单辊快淬、熔体快速吸铸中的一种；

采用单辊快淬进行快速浇注时，铜辊旋转线速度为25~40米/秒，熔体喷射时两端压力差大于10⁴帕；

采用熔体快速吸铸进行快速浇注时，采用圆柱或方块铸型的铜质模具，熔体两端压力差大于10⁵帕。

采用前述方法所制备的产品。

针对前述问题，本发明提供一种超细晶铍铝合金的制备方法及其产品。本发明中，通过预合金化实现合金组元的混溶，在较小过热度条件下通过单辊快淬或熔体吸铸方式实现快速浇注，最终获得铍晶粒细小致密、微观组织为尺寸均匀的等轴晶的新型铍铝合金。本发明中，通过熔炼条件和快速冷却方式和工艺的控制，使铍铝合金熔体冷速在10³K/s以上，最终获得晶粒尺寸大幅度降低、铍各向异性程度弱化、柱状树枝晶改性为等轴晶以及力学性能显著提高的新型铍铝合金。

综上，本发明通过熔体快速冷却，及对反应条件的有效控制，实现合金微观组织的改性，制备出铍晶粒尺寸在数微米且力学性能大幅度提高的新型铍铝合金。经实际验证，相比慢冷状态的合金，本发明制备的铍铝合金的力学性能和组织均匀性有大幅度提高，且大幅度消除偏析和抑制针孔的形成，从而满足更多特殊铍铝合金材料的应用需求。

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1（如图1中中图所示）和实施例2（如图1中右图所示）制得的超细晶铍铝合金与熔体慢冷铍铝合金（如图1中左图所示）微观组织对比图。

图2为本发明实施例1（如图2中中图所示）和实施例2（如图2中右图所示）制得的超细晶铍铝合金与熔体慢冷铍铝合金（如图2中左图所示）维氏硬度力学性能对比图。

图3为本发明实施例1（如图3中中图所示）和实施例2（如图3中右图所示）制得的超细晶铍铝合金与熔体慢冷铍铝合金（如图3中左图所示）拉伸强度性能对比图。

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。

下述实施例中，所采用的金属铍为纯度高于99.0%的铍珠或铍锭，铝为纯度高于99.9%的铝锭、铝球或铝棒。原料中，铍铝合金按质量百分比计算，铍含量为52~87%，其余为铝含量，杂质元素含量小于0.1%。

实施例1

按如下质量百分比称取各组分：60wt%铍，40wt%金属铝，备用。

按如下步骤制备超细晶铍铝合金，具体如下。

（1）铍铝合金预合金化

将称取的金属铍、铝原料放入真空电弧熔炼炉的半球形水冷铜模坩埚中，其中铝料放置在坩埚下部，铍料置于坩埚上部。铸造工艺如下：首先将炉体抽真空至5×10^-3~3×10^-3帕，保持30分钟后，充入高纯氩气至0.3~0.4兆帕，熔炼电流410±10安培，熔炼时间5±0.5分钟，反复熔炼6~8次，冷却后，获得预合金化铍铝合金铸锭。

（2）将步骤（1）制备的预合金化铍铝合金铸锭经砂纸打磨去除表面氧化皮与其它杂质后，放于真空感应熔炼炉高纯氧化铝陶瓷坩埚内，坩埚底部开有一直径Φ2毫米圆孔。采用熔体吸铸方式，将Φ10毫米圆柱铸型铜质模具固定在坩埚圆孔下，具体铸造工艺为：炉内真空度1×10^-2~5×10^-3帕，熔炼温度1370±20摄氏度，熔炼时间5±0.5分钟，保温温度1295±15摄氏度，保温时间3±0.5分钟，快速喷射浇注时温度为1280±15摄氏度，吸铸时熔体两端压力差为8×10⁵帕。最后，获得长度90~150毫米、直径Φ9.5~9.7毫米的超细晶铍铝合金棒。

经测定，本实施例制备的超细晶铍铝合金棒材中，铍的质量分数在59.94~60.07%之间。如图1和图2中实施例1合金性能结果所示，该超细晶铍铝合金中铍相晶粒尺寸在1.9~3.4微米范围内。与慢冷铍铝合金相比，该合金中未观察到针孔缺陷，铍相从粗大柱状树枝晶转变为尺寸均匀细小的等轴晶形貌，且晶粒尺寸大幅度降低。该超细晶铍铝合金的平均抗拉强度为102兆帕，平均维氏硬度（HV3）为63.6，相比慢冷铍铝合金有很大提高。

实施例2

按如下质量百分比称取各组分：62wt%铍，38wt%金属铝，备用。

按如下步骤制备超细晶铍铝合金，具体如下。

（1）铍铝合金预合金化

将称取的金属铍、铝原料放入真空感应熔炼炉的氧化铝陶瓷坩埚中，其中铝料放置在坩埚上部，铍料置于坩埚下部。铸造工艺为：真空度控制在5×10^-2~1×10^-2帕，熔炼温度1365±15摄氏度，熔炼时间44±2分钟，保温温度1340±15摄氏度，保温时间2.5±0.5分钟，浇注温度1310±10摄氏度。将熔炼后的熔液浇注至模具中，得到预合金化铍铝合金铸锭。其中，模具采用内壁涂有氧化铝涂层的石墨坩埚，浇注后，随炉冷却。

（2）将步骤（1）制备的预合金化铍铝合金铸锭经砂纸打磨和机加去杂质、切割后，放于真空感应熔炼炉高纯石英玻璃坩埚内，坩埚底部开有一宽1毫米、长5毫米的方孔。采用单辊快淬进行快速浇注，具体铸造工艺为：炉内真空度为8×10^-3~3×10^-3帕，熔炼温度1390±10摄氏度，熔炼时间3±0.5分钟，保温温度1280±30摄氏度，保温时间2±0.5分钟，喷射温度1290±10摄氏度，喷射时熔体两端压力差为4×10⁵帕，铜辊线速度为30±1米/秒。最后，获得长度62~124公分、宽度3~6毫米、厚度25~60微米的超细晶铍铝合金薄带。

经测定，本实施例制备的超细晶铍铝合金带材中，铍的质量分数在61.92~62.11%之间。如图1和图2中实施例2合金性能结果所示，在该铜辊线速度下，铍铝合金熔体冷速约为8×10³摄氏度/秒，该超细晶铍铝合金中铍相晶粒尺寸在0.2~1.7微米范围内。与慢冷铍铝合金相比，该合金中未观察到针孔缺陷，铍相从粗大柱状树枝晶转变为尺寸均匀细小的等轴晶形貌，且晶粒尺寸大幅度降低。该超细晶铍铝合金的平均抗拉强度为126兆帕，平均维氏硬度（HV3）为79.8，相比慢冷铍铝合金有很大提高。

实施例3

按如下质量百分比称取各组分：78wt%铍，22wt%金属铝，备用。

按如下步骤制备超细晶铍铝合金，具体如下。

（1）铍铝合金预合金化

将称取的金属铍、铝原料放入真空感应熔炼炉的氧化锆陶瓷坩埚中，其中铝料放置在坩埚下部，铍料置于坩埚上部。铸造工艺为：真空度控制在2.1×10^-2~8.5×10^-3帕，熔炼温度为1375±15摄氏度，熔炼时间45±3分钟，保温温度1365±10摄氏度，保温时间3.5±0.5分钟，浇注温度1300±5摄氏度。将熔炼后的熔液浇注至模具中，得到预合金化铍铝合金铸锭。其中，模具采用内壁涂有氧化铝涂层的不锈钢坩埚，浇注后，随炉冷却。

（2）将步骤（1）制备的预合金化铍铝合金铸锭经砂纸打磨和机加去杂质、切割后，放于真空感应熔炼炉高纯石英玻璃坩埚内，坩埚底部开有一直径Φ3毫米圆孔。采用单辊快淬进行快速浇注，具体铸造工艺为：炉内真空度5×10^-3~2×10^-3帕，熔炼温度1375±10摄氏度，熔炼时间4.5±0.5分钟，保温温度1315±5摄氏度，保温时间2±0.5分钟，熔体喷射浇注时温度为1295±5摄氏度，喷射时熔体两端压力差为1.2×10⁶帕，铜辊线速度为39±1米/秒。最后，获得长度58~96公分、宽度2.7~5.6毫米、厚度18~44微米的超细晶铍铝合金薄带。

经测定，本实施例制备的超细晶铍铝合金中，铍的质量分数在77.96~78.10%之间。在该铜辊线速度下，铍铝合金熔体冷速高于2.3×10⁴摄氏度/秒，该超细晶铍铝合金中铍相晶粒尺寸在0.09~0.24微米范围内。同样地，该合金中铍相从粗大柱状树枝晶转变为尺寸均匀细小的等轴晶，且合金的平均抗拉强度为141兆帕，平均维氏硬度（HV3）为88.2。

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 (9)

1.一种超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按如下质量百分比称取各组分：52~87wt%金属铍，余量为金属铝，杂质元素含量小于0.1wt%，备用；

（2）将步骤（1）称取的金属铍和金属铝混合后进行熔炼，再浇注至模具中，得到预合金化铍铝合金铸锭；

（3）将步骤（2）制备的预合金化铍铝合金铸锭进行去杂处理后，放入熔炼坩埚中，经真空感应熔炼、保温后，快速浇注，得到超细晶铍铝合金；

所述步骤（3）中，反应条件如下：进行真空感应熔炼时的炉内真空度为1×10^-2~7×10^{- 4}Pa，真空感应熔炼温度为1350~1450℃，真空感应熔炼时间为2~6分钟，保温温度为1250~1380℃，保温时间1~4分钟，快速浇注时的温度为1250~1350℃。

2.根据权利要求1所述超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，所述金属铍为铍珠或铍锭且纯度高于99.0%，所述金属铝为铝锭、铝球或铝棒且金属铝的纯度高于99.9%。

3.根据权利要求1所述超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，将步骤1称取的金属铍和金属铝混合后，置于真空感应熔炼炉或真空电弧熔炼炉中进行熔炼。

4.根据权利要求3所述超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用真空感应熔炼炉进行熔炼的反应条件如下：采用的熔炼坩埚为氧化铝陶瓷坩埚或氧化锆陶瓷坩埚，熔铸过程真空度为5×10^-2~8×10^-3帕，熔炼温度为1320~1450℃，熔炼时间为30~50分钟，保温温度1300~1410℃，保温时间2~5分钟，浇注温度为1290~1380℃；

或采用真空电弧熔炼炉进行熔炼的反应条件如下：采用的熔炼坩埚为半球形水冷铜模坩埚，熔铸前最低真空度为9×10^-3~1×10^-3帕，保护气氩气充压至0.2~0.5兆帕，熔炼电流350~500安培，熔炼时间5~10分钟。

5.根据权利要求4所述超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用真空感应熔炼炉进行熔炼时，浇注用的模具为表面具有氧化铝保护涂层的石墨模具或金属模具，且石墨模具在使用之前经过270~420℃、2~6小时烘烤；

或采用真空电弧熔炼炉进行熔炼时，浇注用的模具为半球形水冷铜模坩埚，不另配模具。

6.根据权利要求1~5任一项所述超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，预合金化铍铝合金铸锭进行去杂处理的过程如下：通过打磨及机加去除铸锭表面氧化皮、冷隔与上端冒口。

7.根据权利要求1所述超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，熔炼坩埚为高纯石英玻璃坩埚或高纯氧化铝陶瓷坩埚；熔炼坩埚下端开有一个直径为Φ1~Φ3毫米的圆孔，或宽1~2毫米、长4~7毫米的方孔。

8.根据权利要求1~7任一项所述超细晶铍铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，快速浇注的方式为单辊快淬、熔体快速吸铸中的一种；

采用单辊快淬进行快速浇注时，铜辊旋转线速度为25~40米/秒，熔体喷射时两端压力差大于10⁴帕；

采用熔体快速吸铸进行快速浇注时，采用圆柱或方块铸型的铜质模具，熔体两端压力差大于10⁵帕。

9.根据权利要求1所述制备方法所制备的产品。