Получение полуфабрикатов Ве

Основной метод – порошковая металлургия:

1. Холодное прессование заготовки;

2. Спекание в вакууме;

3. Горячее (800-1000 С) или теплое (400-500 С) выдавливание.

Отливки делают крайне редко.

Чем мельче порошок, тем выше прочность.

Механическая обработка Ве в 8 раз дороже, чем Al или Ti, применяется химическое фрезерование.

Сварка W-электродом в вакууме или нейтральной атмосфере.

Перспективно применение плазменного напыления, тогда отпадает надобность в механической обработке и сварке.

Сплавы Ве

Улучшение свойств достигается не за счет легирования, а за счет чистоты, т.к. все твердые растворы имеют сильно искаженную решетку из-за разницы в атомных диаметрах (ат.№ Ве 4 ), что сильно понижает пластичность. Напр., достаточно 0,001%Si, и Ве становится абсолютно хрупким.

Тем не менее, пытаются создавать сплавы. Их делят на :

• высокомодульные и высокопрочные;

• жаропрочные и коррозионностойкие.

Высокомодульные Ве-сплавы

t ж

ж+Al ж+Ве

645

Al+эвт Ве+ эвт

эвт.

(Al+Be)

Al 2,5 Be

Cистема Be-Al: легкость, жесткость, пластичность.

Основа сплавов – смесь двух фаз с резко выраженной разнородностью: Ве-фаза твердая и прочная, Al-фаза мягкая и пластичная.

Практическое применение нашли заэвтектические сплавы с 20-40% Al.

Пример: механические свойства сплава 76%Ве+24%Al:

Е = 260ГПа ;

_в = 620Мпа;

_в = 510Мпа;

 = 3%.

Т.е., модуль упругости сплава близок к модулю упругости Ве, а пластичность выше.

Если ввести третий л.э.:

• тот, который растворяется в Ве-фазе (Cu, Ni, Fe), увеличивается различие в свойствах фаз и уменьшается комплекс свойств.

• тот, который растворяется в Al- фазе – это повысит ее прочность и улучшит комплекс свойств.

Поэтому вводят магний. В тройных сплавах Be – Al – Mg модуль упругости выше на 10-12%.

Двойные сплавы получают из порошков.

Тройные – сплавлением.

Жаропрочные и коррозионностойкие Ве-сплавы

1. Be + 0,25-0,95%Ca;

2. Be + 0,5%Ni;

3. Be + BeO₂ (порошковая металлургия);

4. Бериллиды – интерметаллиды с бериллием (Ta, Zr, Hf).

Например: TaBe₁₇, ZrBe₁₇ (t_пл = 2000 C).

Рабочие t бериллидов больше чем у Ni сплавов на 50%.

Недостаток – крайне малая пластичность. Для мелких изделий.

Необходимость повышения размерной стабильности деталей и узлов из Be вызывает интерес к традиционным способам термической обработки для улучшения физико-механических свойств металла. При использовании Be в качестве материала конструкций, к которым предъявляются требования высокой размерной стабильности, такие общеизвестные недостатки, как хрупкость, низкая сопротивляемость ударным нагрузкам, повышенная чувствительность к надрезам, высокая стоимость и токсичность имеют второстепенное значение и не обсуждаются.

Причинами размерной нестабильности изделий в условиях отсутствия внешних нагрузок могут быть, например, изменения температуры, диффузионные перемещения примесных атомов в твердом растворе или распад твердого раствора, самопроизвольная релаксация напряжений в составляющих изделие частях. Под действием внешних напряжений, не превышающих предела упругости материала, в изделии возникает упругая, полностью обратимая при снятии нагрузки, деформация. Ее величина в Be сравнительно невелика, что обусловлено высоким значением модуля упругости металла. (Именно это обстоятельство, очевидно, послужило причиной того, что в ряде публикаций Be называют размерно-стабильным металлом. С этих позиций любой высокомодульный материал размерно-стабилен).

При более высоких внешних напряжениях металл пластически деформируется вследствие размножения и движения дефектов решетки, главным образом, дислокаций. Пластическая деформация возможна и при нагрузках, не превышающих предела упругости, если приложенное напряжение суммируется с внутренними напряжениями в локальных объемах металла. Очевидно, что вероятность проявления размерной нестабильности уменьшается с повышением предела упругости и снижением уровня внутренних напряжений в изделии, которые неизбежны при его механической обработке. Кроме накопления внутренних напряжений при механической обработке увеличивается число поверхностных дефектов (деформационных двойников, трещин, наклепанных и текстурированных слоев), которые отрицательно влияют на свойства металла, особенно на характеристики пластичности, и могут способствовать усилению размерной нестабильности.

Самопроизвольное изменение размеров изделия является следствием двух основных факторов:

- нестабильности фазового и структурного состояния металла;

- релаксации остаточных внутренних напряжений в деталях конструкций.

Оценка размерной стабильности (нестабильности) изделия является наиболее достоверной в результате его натурных испытаний с контролем изменения и формы при имитации условий эксплуатации и хранения. В большинстве случаев изготовление бериллиевых изделий настолько трудоемко и дорогостояще, что вынуждает исследователей применять взамен натурных испытаний косвенные методы оценки размерной стабильности изделий по данным определения размерной стабильности модельных образцов или измерений физико-механических свойств образцов металла. При этом состояние образцов должно по возможности более точно имитировать состояние металла в изделии.

Установлено, что размерная стабильность изделий тем выше, чем больше сопротивление Be микропластической деформации во времени. Наиболее полной характеристикой является величина максимального напряжения, нерелаксирующего в условиях испытаний в течение тысяч часов – так называемый условный предел релаксации σ_r. При меньшем времени испытаний (до 500 ч) максимальное нерелаксирующее напряжение характеризует способность изделия к сохранению постоянства размеров на период его изготовления, сборки и регулировки и при низких (до 150⁰С) температурах коррелирует с величиной так называемого прецизионного предела упругости σ_ппу. Последний определяют по величине напряжения, вызывающего после кратковременной нагрузки-разгрузки образца относительную остаточную деформацию на уровне (1-2)х10^-6 .

Все более широкое применение для оценки сопротивления металлов микропластической деформации находит метод внутреннего трения (Q^-1). Согласно измерения амплитудной зависимости внутреннего трения (АЗВТ) являются по существу прямыми измерениями микропластичности металла.

Высокая размерная стабильность изделий может быть достигнута при условии, если при их изготовлении обеспечены:

- минимальный уровень внутренних остаточных напряжений;

- равновесное состояние твердого раствора примесей на основе Be;

- эффективная стабилизация фазового состава и дислокационной структуры в объеме металла;

- максимальный уровень σ_ппу или σ_r.

Для снятия напряжений после механической обработки Be обычно проводят промежуточные отжиги деталей при 570-800⁰С в течение 2-х ч, ограничивая скорость охлаждения после отжига <150⁰C/ч (для крупногабаритных изделий <20⁰C/ч). Эффективно также удаление поврежденного при механической обработке поверхностного слоя металла химическим травлением на глубину 0,05-0,1 мм.

Нарастание остаточных напряжений в процессе механической обработки может привести даже к разрушению детали, поэтому необходимость промежуточных отжигов между механическими операциями вполне оправдана. Вместе с тем образцы Be после механической обработки и 2 часового отжига при 800⁰С проявляют нестабильность размеров во времени, обусловленную процессами растворения (при отжиге) и последующей сегрегации примесей. Кроме того, высокотемпературный отжиг оказывает разупрочняющее воздействие на Be и понижает уровень его предела упругости. Таким образом, при изготовлении прецизионных Be - изделий традиционными методами механической обработки необходимо применение специальных мер, обеспечивающих их размерную стабильность.

Одной из таких мер является искусственное старение Be при 575⁰С в течение длительного времени (до 200 ч) для полного завершения процессов выделения фаз, содержащих в основном Fe и Al, в результате чего размерная нестабильность образцов во времени подавляется. Однако такое старение не способствует повышению σ_ппу Be, что ограничивает предельно допустимую нагрузку на изделие при его эксплуатации сравнительно невысоким уровнем σ_ппу. В тех случаях, когда это обстоятельство не существенно, искусственного старения при 550-700⁰С достаточно для обеспечения временной размерной стабильности Be - деталей в условиях отсутствия внешних механических напряжений или под действием кратковременных (длительных) напряжений, не превышающих σ_ппу (σ_r). Если же необходимо обеспечить более высокий уровень допустимой нагрузки на изделие, то следует предусмотреть комплекс мер для повышения релаксационной стойкости металла.

Это может быть обеспечено низкотемпературным старением Be при 300-500⁰С в течение 1-2 ч для повышения уровня σ_ппу в 1,7-2 раза. Кроме того, для Be, как ГПУ-металла с существенной анизотропией теплового расширения зерен, весьма эффективна термоциклическая обработка (ТЦО), чередующая охлаждение до -196(-100)⁰С с нагревом до 100-400⁰С. Микронапряжения, возникающие в Be при изменении температуры, суммируются с внутренними макронапряжениями и, релаксируя, вызывают существенные внутризеренные деформации. При чередовании охлаждения и нагрева деформация сопровождается процессами возврата, в результате чего после нескольких циклов ТЦО формируется стабильная дислокационная структура с минимальным уровнем микро- и макронапряжений. Предел упругости после ТЦО повышается более чем в 2 раза, при этом эффективность ТЦО возрастает с увеличением интервала между нижней и верхней температурами цикла при условии, что верхняя температура не превышает 400⁰С. Повышение релаксационной стойкости Be (и других металлов) коррелирует с увеличением критической амплитуды деформации АЗВТ и понижением уровня фона Q^-1.

Размерно-стабилизирующая т/о Be включает в себя четыре последовательных технологических операции:

- отжиг после механической обработки, связанной с удалением значительного объема металла;

- старение 1-й ступени как отдельная операция или совмещенная с последним отжигом металла;

- старение 2-й ступени как отдельная операция или совмещенная со старением 1-й ступени;

- ТЦО в интервале температур, превышающем интервал температур хранения или эксплуатации изделия.

Математическое моделирование (Институт проблем материаловедения НАН Украины, г. Киев) показывает, что изменения уровня остаточных напряжений и удельного электросопротивления определяются в основном режимами отжига и 1-й ступени старения, тогда как на уровень tgα (наклон кривой АЗВТ) наиболее сильное влияние оказывает режим 2-й ступени старения. Снижению уровня остаточных напряжений в Be способствуют повышение температуры отжига выше 850⁰С, понижение температуры 1-й ступени старения (<600⁰С) и увеличение его длительности (>5 ч). С учетом заметного испарения Be в вакууме при температурах выше 800⁰С целесообразно ограничить температуру отжига этим пределом, значительно увеличив время последующего старения 1-й ступени (по расчету до 18-20 ч).

Эффективность 1-й ступени старения максимальна при 600⁰С (2), однако с учетом того, что превышение этой температуры способствует повышению сопротивления микропластической деформации, температуру старения 1-й ступени следует выбирать в интервале 600-650⁰С. Что касается температуры старения 2-й ступени, то ее оптимум находится вблизи центра плана, т.е. в интервале 400-450⁰С.

На основании анализа уравнений регрессии в качестве базового режима т/о дистиллированного Ве был выбран режим, обеспечивающий эффективное снижение уровня остаточных напряжений (Δσ_ост→max); эффективный распад твердого раствора на основе Ве (ρ₇₇→min или δ^*→max) и максимальное повышение сопротивления металла микропластической деформации (tgα→0):

- отжиг при 800⁰С в течение 1-2 ч;

- старение 1-й ступени при 630⁰С в течение 10-20 ч;

-старение 2-й ступени при 420⁰С в течение 4-х ч.

Т/о по оптимальным режимам обеспечивает уменьшение tgα до нуля, при этом область амплитудно-независимого Q^-1 достигает уровня приложенного напряжения 50 МПа.

Аналогичным образом были определены оптимальные режимы т/о других сортов Ве.

Термическая обработка Ве по оптимальным режимам повышает сопротивление металла микропластической деформации в 3-20 раз. Эффективность предложенных режимов т/о была подтверждена результатами натурных испытаний прецизионных деталей и узлов, изготовленных из Ве.