一种高塑性、高强度铸造铍铝合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高塑性、高强度铸造铍铝合金及其制备方法 (High-plasticity and high-strength cast beryllium-aluminum alloy and preparation method thereof ) 是由 阳家文 余良波 李鱼飞 陈冬 王晶 于 2021-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高塑性、高强度铸造铍铝合金及其制备方法,其组分及重量百分比为：铍(Be)56～65％,铝(Al)33～42％,镍(Ni)0.7～1.0％,锂(Li)0.3～0.6％,锗(Ge)0.5～1.0％,其余为不可避免的杂质。通过添加非稀土元素的金属以改性合金微观组织,结合高温熔炼、两段式保温、均匀化与热轧工序获得了铍晶粒球形化程度较高并兼具较高强度和塑性的铸造铍铝合金。本发明合金成本相对低、合金组织均匀致密、铸造缺陷少,同时生产工艺流程短、技术难度相对低,合金强度与塑性接近或高于粉末冶金铍铝合金,具有良好的应用价值。(The invention discloses a high-plasticity and high-strength cast beryllium-aluminum alloy and a preparation method thereof, and the beryllium-aluminum alloy comprises the following components in percentage by weight: 56-65% of beryllium (Be), 33-42% of aluminum (Al), 0.7-1.0% of nickel (Ni), 0.3-0.6% of lithium (Li), 0.5-1.0% of germanium (Ge) and the balance of inevitable impurities. The casting beryllium-aluminum alloy with high sphericization degree of beryllium crystal grains and high strength and plasticity is obtained by adding metals other than rare earth elements to modify the microstructure of the alloy and combining the working procedures of high-temperature smelting, two-stage heat preservation, homogenization and hot rolling. The alloy of the invention has relatively low cost, uniform and compact alloy structure, less casting defects, short production process flow, relatively low technical difficulty, alloy strength and plasticity close to or higher than those of powder metallurgy beryllium-aluminum alloy, and good application value.)
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，具体为一种高塑性、高强度铸造铍铝合金及其制备方法。
背景技术
铍铝合金良好地结合了金属铍的低密度、高强度和金属铝的高塑性和优良的机加性能，具有高比刚度、高热导率以及优异的尺寸稳定性，在保留较高韧性的同时还具备易加工的特性，是一种独特的新型轻质高强合金，在航空航天、核工业等领域具有广阔的应用前景。
然而，金属铍、铝之间相互固溶度低，熔点差异大，采用常规铸造方法时合金凝固过程存在较宽的亚稳态混溶间隙与凝固区间，这些都导致铍与铝在凝固过程中发生完全相分离，合金实质上为纯铍与纯铝相互独立存在的复合材料，两者形成相互穿透的三维网状结构，其中铍相往往表现为发达的柱状树枝晶，铝相则填充铍晶粒枝晶臂间的空隙部位。两种金属凝固收缩率的差异导致合金中容易出现缩松和缩孔等铸造缺陷。此外，粗大的铍枝晶结构往往导致合金力学性能的各向异性，在熔体冷却速度较慢时两种金属的密度差异将导致合金出现宏观偏析。通过添加稀土元素作为变质剂可有效改善铸造铍铝合金组织与力学性能，但熔体冷却速度不够大时又极易出现合金元素在铍枝晶间隙内的微观偏析。以上各种铍铝合金的铸造缺陷会显著降低合金弹性模量、抗拉强度和延伸率/塑性等宏观力学性能，极大限制了铸造铍铝合金的工程应用。为此，迫切需要开发一种新的铸造铍铝合金及其制备方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种高塑性、高强度铸造铍铝合金及其制备方法，解决了常规铸造方法制备的铍铝合金存在的塑性差、强度低、铸造缺陷难控制等普遍存在的问题。通过添加非稀土元素的金属元素以改性合金微观组织，结合熔炼与热轧最终获得铍晶粒球形化程度较高并兼具较高强度和塑性的铸造铍铝合金，合金原料成本更低。同时制备工艺流程短、技术难度相对低，所得合金具有优异的力学性能和微观组织结构。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种高塑性、高强度铸造铍铝合金，按照质量百分比包括：铍(Be)含量56～65％，铝(Al)含量33～42％，镍(Ni)含量0.7～1.0％，锂(Li)含量0.3～0.6％，锗(Ge)含量0.5～1.0％，其余为不可避免的杂质。
进一步的，所述的锂通过商用标准铝锂中间合金的方式加入，以质量份数计，其中锂含量为5～10％。
进一步的，所述的合金组分对应的原料(除铍外)的纯度不低于99.9％。
一种上述的铍铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用感应熔炼方法，熔炼炉内充入高纯氩气，将合金原料置于石墨坩埚内，进行预热；
(2)升温后保温以熔化所有原料，之后降温并继续保温，最后浇注成锭；
(3)将合金锭于氩气气氛中均匀化热处理，之后淬火；
(4)将均匀后的铸锭经车削加工去除表面氧化皮，然后经热轧得到板坯；
(5)将合金板坯退火。
进一步的，所述的步骤(1)中，采用感应熔炼方法，熔炼炉内充入0.1～0.4个大气压的高纯氩气，将合金原料置于石墨坩埚内，于150～200℃温度下预热10～30分钟。
进一步的，所述的步骤(2)中，升温至1400～1450℃后保温12～20分钟以熔化所有原料，之后降温至1350～1380℃并继续保温4～8分钟，最后在1340～1360℃时浇注成锭。
进一步的，所述的步骤(3)中，将合金锭于540～560℃氩气气氛中均匀化热处理24～36小时，之后淬火。
进一步的，所述的步骤(5)中，将合金板坯在320～380℃温度下退火0.5～2h。
进一步的，所述步骤(1)中，使用的石墨坩埚内表面涂刷氧化铝或氧化钙涂层。
进一步的，所述步骤(1)中，充入高纯氩气前需将炉腔抽真空至2.0×10-2Pa及以下。
进一步的，所述步骤(3)中，均匀化之后的淬火方式为室温水淬或油淬。
进一步的，所述步骤(4)中，轧制温度为480～520℃，轧制时单道次压下量为8～15％，总压下量不超过40％。
本发明的有益效果：
(1)添加元素镍、锂和锗对铸造铍铝合金具有优异的组织改性与性能强化效果。所选用的合金元素相比稀土元素成本低、易添加。其中，镍有助于改善铸造铍铝合金的脆性，其加入在合金中形成BexAlyNiz三元金属间化合物相并沿晶界析出，在细化铍晶粒的同时有效钉扎位错；锂可显著固溶强化合金铝相、提高位错密度及通过δ’相析出强化的方式提高合金硬度，经热处理后可进一步强化合金并提高其塑性；锗在提高合金铸造性的同时可显著强化合金，一定程度上抑制铍枝晶的形成，有利于铍晶粒的球形化和细晶化。
(2)本发明采用石墨坩埚并在惰性气体下进行合金的熔炼，相比真空环境下采用陶瓷坩埚的方式，本发明可完全避免轻质合金熔体的喷溅造成的成分偏差与安全风险。采用浇注前两段式保温的方式既可保证合金熔体的成分均匀性，配合低压氩气气氛又可最大限度地实现熔体除气，减少铸锭内气孔、针孔等的数量或密度。
(3)本发明采用均匀化后热轧的制备方法，确保合金元素在合金内的均匀分布并减少枝晶间微观偏析，消除较为粗大的初生第二相，热轧保温阶段同时也是合金的时效过程，纳米第二相析出后可大幅强化合金并提高其塑性。轧制变形不仅可消除部分铸造缺陷，使合金组织更为致密，同时合金具有更为细化的完全再结晶组织，有利于合金塑性和模量的进一步提高。
(4)基于合金元素优化与制备方法的改进，本发明的铸造铍铝合金成本更低，生产工艺流程短、技术难度相对低，合金具有更加优异的力学性能和微观组织结构，性能接近或高于粉末冶金铍铝合金的强度与塑性，可满足航空航天及核工业领域对轻质结构用铍铝合金材料的组织与性能需求。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
附图说明
图1是常规铸造铍铝合金显微组织图。
图2是实施例1制备的高强度、高塑性铸造铍铝合金显微组织图。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1：
一种高塑性、高强度铸造铍铝合金，按照质量百分比包括：铍(Be)60％，铝(Al)38％，镍(Ni)1.0％，锂(Li)0.5％，锗(Ge)0.5％，其余为不可避免的杂质。
一种上述的铍铝合金的制备方法，包括如下步骤：将真空感应熔炼炉炉腔抽真空至2.0×10-2Pa后充入0.1个标准大气压的高纯氩气，将配好的合金原料置于石墨坩埚内并在200℃下预热10分钟。开启电源使原料升温至1430℃后保温15分钟，之后降温至1380℃并继续保温4分钟，结束后于1360℃浇注成锭。出炉后，将合金坯锭于560℃氩气中均匀化热处理24小时，之后室温水淬。对均匀后态合金坯锭进行车削加工以去除表面氧化皮，然后在520℃下进行热轧，单道次压下量为15％，总压下量为40％，得到热轧板坯。将合金板坯在380℃下退火0.5h后即得上述合金产品。
将制得的高强度、高塑性铸造铍铝合金板材加工出标准拉伸试样，在符合国标GB-T228.1-2010-《金属室温拉伸试验》的前提下进行室温拉伸测试以检测合金力学性能，所得结果如表1所示。
表1实施例1铸造铍铝合金室温拉伸力学性能数据
试样编号
抗拉强度/MPa
弹性模量/GPa
延伸率/％
1-1
416
206
6.4
1-2
423
213
6.0
1-3
419
200
6.1
由表1可知，实施例1中高强度、高塑性铸造铍铝合金的抗拉强度、弹性模量及延伸率的平均值分别为419.3MPa、206.3GPa和6.16％，部分数据接近或超过美国Brush Wellman公司开发的高强高塑粉末冶金铍铝合金产品AlBeMet AM162对应的数据(即426MPa、202GPa和4.2％)。
实施例2：
一种高塑性、高强度铸造铍铝合金，按照质量百分比包括：铍(Be)65％，铝(Al)33％，镍(Ni)0.7％，锂(Li)0.3％，锗(Ge)1.0％，其余为不可避免的杂质。
一种上述的铍铝合金的制备方法，包括如下步骤：将真空感应熔炼炉炉腔抽真空至1.5×10-2Pa后充入0.2个标准大气压的高纯氩气，将配好的合金原料置于石墨坩埚内并在150℃下预热30分钟。开启电源使原料升温至1450℃后保温12分钟，之后降温至1360℃并继续保温6分钟，结束后于1350℃浇注成锭。出炉后，将合金坯锭于540℃氩气中均匀化热处理36小时，之后室温水淬。对均匀后态合金坯锭进行车削加工以去除表面氧化皮，然后在温度506℃热轧，单道次压下量为10％，总压下量为32％，得到热轧板坯。将合金板坯在350℃下退火1.7h后即得合金产品。
按照上述步骤制得的实施例2铸造铍铝合金室温拉伸力学性能如表2所示。
表2实施例2铸造铍铝合金室温拉伸力学性能数据
试样编号
抗拉强度/MPa
弹性模量/GPa
延伸率/％
2-1
393
193
5.4
2-2
402
197
5.6
2-3
398
192
5.4
实施例3：
一种高塑性、高强度铸造铍铝合金，按照质量百分比组成：铍(Be)56％，铝(Al)42％，镍(Ni)0.8％，锂(Li)0.6％，锗(Ge)0.6％，其余为不可避免的杂质。
一种上述的铍铝合金的制备方法，包括如下步骤：上述高强度、高塑性铸造铍铝合金的制备方法为：将真空感应熔炼炉炉腔抽真空至2.0×10-2Pa后充入0.4个标准大气压的高纯氩气，将配好的合金原料置于石墨坩埚内并在180℃下预热20分钟。开启电源使原料升温至1400℃后保温20分钟，之后降温至1350℃并继续保温8分钟，结束后于1340℃浇注成锭。出炉后，将合金坯锭于550℃氩气中均匀化热处理30小时，之后室温油淬。对均匀后态合金坯锭进行车削加工以去除表面氧化皮，然后在温度480℃热轧，单道次压下量为8％，总压下量为30％，得到热轧板坯。将合金板坯在320℃下退火2.0h后即得合金产品。
按照上述步骤制得的实施例2铸造铍铝合金室温拉伸力学性能如表3所示。
表3实施例3铸造铍铝合金室温拉伸力学性能数据
试样编号
抗拉强度/MPa
弹性模量/GPa
延伸率/％
3-1
366
193
7.7
3-2
375
197
7.2
3-3
369
192
7.6
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。比如，如图……还可视为基本例和选择例……的组合，图……也还可视为基本例和选择例……的组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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