一种降低铍材残余应力的方法
阅读说明：本技术 一种降低铍材残余应力的方法 (Method for reducing residual stress of beryllium material ) 是由 肖来荣 任鹏禾 赵小军 蔡圳阳 涂晓萱 张亚芳 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种降低铍材残余应力的方法,属于粉末冶金材料加工领域。本发明通过对铍材采用拉应力时效处理和N级变温冷热循环稳定处理,实现铍材残余应力的下降,所述N大于等于2,所述冷热循环稳定处理时,冷却的温度低于1℃,加热处理的温度大于等于100℃且小于铍材的熔点,相邻两次冷处理的温度不同,和/或相邻两次热处理的温度不同。本发明操作简便,成本较低,工艺简单,应用本发明优化技术得到的铍材残余应力下降至-50～50MPa、室温放置一年尺寸变化小于0.002％。(The invention relates to a method for reducing residual stress of a beryllium material, and belongs to the field of powder metallurgy material processing. The method comprises the steps of performing tensile stress aging treatment and N-grade temperature-changing cold-hot circulation stabilization treatment on the beryllium material to reduce the residual stress of the beryllium material, wherein N is more than or equal to 2, the cooling temperature is lower than 1 ℃, the heating temperature is more than or equal to 100 ℃ and less than the melting point of the beryllium material during the cold-hot circulation stabilization treatment, and the temperatures of two adjacent cold treatments are different and/or the temperatures of two adjacent heat treatments are different. The method is simple and convenient to operate, low in cost and simple in process, the residual stress of the beryllium material obtained by applying the optimization technology is reduced to-50 MPa, and the dimensional change of the beryllium material after being placed at room temperature for one year is less than 0.002%.)
技术领域
本发明涉及一种降低铍材残余应力的方法，属于粉末冶金材料加工领域。
背景技术
金属铍是一种战略性和决定性材料，具有高比模量、高比强度、低密度以及低热膨胀系数等优异综合性能，被广泛应用于在仪器仪表、惯性导航系统、战略武器结构材料等领域。这些用件对残余应力有着极高的要求，但是在实际应用过程中，特别是高温环境下，任何变形均可能影响材料的残余应力状态，同时影响整体器件的稳定性、可靠性和寿命
目前，铍材制备的核心是制粉工艺和等静压工艺。制粉工艺分为气流冲击法和惰性气体雾化法。气流冲击制粉是依据金属冷脆性发展起来的一种生产粉末的新工艺，利用高速、高压气体带着较粗的颗粒通过喷嘴轰击在击碎室内的铍靶上，压力立刻从高压降到大气压，发生绝热膨胀，使铍靶和击碎室的温度降到室温甚至零摄氏度以下，冷却了的颗粒经撞击即被粉碎。惰性气体雾化制粉是将固态铍真空熔融后，通过一个小孔流出熔融的铍熔液，然后使用高速氦气气流吹向铍熔液(铍具有高热容，使用氦气才最有可能获得细晶粒铍颗粒和非稳态快速冷凝结构)，将铍熔液雾化破碎成很小的小液滴，冷却后获得球形铍粉颗粒。这两种制粉工艺均会引入快速冷却导致的压应力，使铍粉从表面至心部存在梯度变化的压应力。铍材的等静压工艺是将铍粉充填至钢套内，经抽空、脱气处理和封焊之后进行等静压，铍粉在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的铍材。等静压过程中的高强压力使铍材由外及内的获得了较大压应力。因此，等静压铍材从表面到心部均具备较大的压应力，主要是制粉及等静压工艺引入的。
目前铍材热处理方法主要有去应力退火、再结晶退火、冷热循环处理及固溶时效处理。铍材的去应力退火温度一般在760～800℃，保温1～2h，并在真空下进行。铍材经轧制和挤压后晶格发生扭曲、晶粒被破碎，强度和硬度提高，但进一步加工必须进行再结晶退火使其软化。铍的再结晶温度与纯度、氧化铍含量、弥散程度及冷加工率的大小有关，一般在760～900℃之间。现有铍材冷热循环处理一般是在-73℃处理10分钟，然后再在100℃处理10分钟如此循环4-6次达到降低残余应力的目的。铍的固溶时效处理主要是针对铁元素。将铍材加热到铁的固溶线以上熔点以下的温度保温，使铁在铍中固溶度达到最大，形成铁的过饱和固溶体，时效期间铁从过饱和固溶体中析出形成析出强化相，使铍的强度提高。采用常规的去应力退火处理、冷热循环处理仅能消除部分残余应力；而采用高温固溶处理和时效可以有效地稳定铍材的析出相，但会粗化晶粒，并在冷却过程中叠加残余应力，因此采用目前去应力退火、冷热循环、高温固溶、高温时效等方法和工艺均不能达到有效去除铍材残余应力的目的。
总体而言，铍材的残余应力主要受三个方面的影响：一是铍材在制备、机加工及热处理过程中，由于铍粉制备应力、机加工应力、热应力、形变应力等外界应力叠加作用产生宏观残余应力。二是在服役过程中，铍材经历温度的变化，在高低温循环环境中产生热应力或长期高温环境下由于原子与空位的扩散与聚集，导致铍材亚晶胞长大与亚晶界推移、纳米相析出与回溶、位错密度等组织结构变化而引起的残余应力状态变化。三是在长期存放过程中，铍材构件组装形成整体器件后发生应力松弛与释放行为。
铍材的残余应力状态将决定铍材的尺寸稳定性，进而决定铍材构件的稳定性、精度、寿命等关键性能指标。因而，合理调控铍材的残余应力是获得高尺寸稳定性铍材，进而提高器件精度、寿命的重要途径。因此，研究一种高效降低铍材残余应力的方法是铍材在实际应用服役过程中迫切需要解决的问题。
发明内容
为了更好地控制铍材残余应力，进而提高铍材尺寸稳定性与铍材器件可靠性、寿命，本发明提供一种高效降低铍材残余应力的方法，经过本发明处理后的铍材残余应力较小，长时间放置尺寸变化小。具体技术方案如下。
本发明一种降低铍材残余应力的方法，通过对铍材采用拉应力时效处理和N级变温冷热循环稳定处理，实现铍材残余应力的下降，所述N大于等于2，所述冷热循环稳定处理时，冷却的温度低于1℃，加热处理的温度大于等于100℃且小于铍材的熔点，相邻两次冷处理的温度不同，和/或相邻两次热处理的温度不同。
本发明中，相邻两次冷处理的温度不同，和/或相邻两次热处理的温度不同这样处理的目的是通过给铍材时间外界应力叠加消除材料本身存在的残余应力，使得铍材的残余应力进一步松弛，且能在不降低强度和硬度的前提下，保持铍材的韧性。
作为优选方案，本发明一种降低铍材残余应力的方法，所述铍材为等静压铍材。
作为优选方案，本发明一种降低铍材残余应力的方法，所述铍材中铍的质量百分含量大于等于95％、进一步优选为大于等于98％。
作为优选方案，本发明一种降低铍材残余应力的方法，所述铍材制备时所用原料的型号选自Be-1、Be-2、Be-3、Be-4中的一种。因为铍材无统一的铍牌号国标，但铍材均有铍珠加工得到。因此依据《YS/T 221-2011金属铍珠》对专利中的铍材进行定义，铍材应定义为由牌号Be-1、Be-2、Be-3、Be-4铍珠为原料，经熔炼、制粉、等静压或真空热压、烧结等粉末冶金方法制备得到的Be元素含量不小于98％的棒、管、块、板、带等规格的材料。
本发明一种降低铍材残余应力的方法，首先对铍材进行拉应力时效处理，所述拉应力时效处理为：将铍材加热至300～400℃，保温4～24h，并施加30～80MPa的拉应力。
作为优选方案，本发明一种降低铍材残余应力的方法，拉应力时效处理时，控制温度为300～360℃保温5～20h。
作为进一步的优选方案，本发明一种降低铍材残余应力的方法，拉应力时效处理时，控制温度为345～355℃保温10～14h，并施加45～55MPa的拉应力。
作为优选方案，本发明一种降低铍材残余应力的方法，对铍材进行N级变温冷热循环稳定处理，所述N级变温冷热循环稳定处理为：将铍材冷却至-196～-180℃，保温60～180min，随后加热至300～350℃，保温60～180min；之后将铍材冷却至-110～-90℃，保温60～180min，随后加热至200～250℃，保温60～180min；将铍材冷却至-20～0℃，保温60～180min，随后加热至100～150℃，保温60～180min，最后以1～3℃/min冷却至室温。
作为进一步的优选方案，本发明一种降低铍材残余应力的方法，对铍材进行N级变温冷热循环稳定处理，所述N级变温冷热循环稳定处理为：将铍材冷却至-196℃，保温60～70min，随后加热至310～330℃，保温60～90min；之后将铍材冷却至-100～-90℃，保温60～70min，随后加热至200～200℃，保温60～70min；将铍材冷却至-10～0℃，保温60～120min，随后加热至115～125℃，保温60～120min，最后以1～3℃/min冷却至室温。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
由于在制粉、等静压等前期制备过程中，铍材会产生并积累压应力，且心部与表层存在应力差。首先采用应力时效处理，在过程中提供的适当的拉应力可以有效地与铍材本身的残余应力叠加而缓慢降低。此外，提供的外加拉应力可以有效地促进铍材中铁、镍、钴、铝等杂质元素扩散至晶界，形成不连续的纳米析出物，钉扎晶界，提高铍材的微屈服强度，降低晶格畸变引起的微观残余应力。杂质原子扩散析出是一个体积增大的过程，在压应力状态下，这个转变受到了极大地限制，而施加的拉应力则可有效促进这个相转变，从而消除杂质元素带来的微观残余应力。
采用常规的去应力退火处理、冷热循环处理，仅能消除部分宏观残余应力，且过程中容易发生亚晶长大、冷却热应力不均匀等问题，导致铍材去应力退火的效果有限。本发明在应力时效后进行多级变温冷热循环稳定处理，是提高残余应力稳定性的有效途径。适当参数的多级变温冷热循环稳定处理通过给铍材时间外界应力叠加消除材料本身存在的残余应力，使得铍材的残余应力进一步松弛，且能在不降低强度和硬度的前提下，保持铍材的韧性。同时，每一级冷热循环的永久变形量可以预估得到铍材的残余应力状态，当某一级冷热循环的永久变形量小于0.0001％时，铍材残余应力约在-50～50MPa，可以在此基础上选择是否进行下一级冷热循环，这种多级变温冷热循环提高了工艺灵活性和生产效率，有利于节省时间成本和经济成本。
经本发明优化后的方法所得铍材与常规处理方法相比，铍材残余应力下降至-50～50MPa、室温放置一年尺寸变化小于0.002％(优化后可降至0.001％以下甚至可以低至0.0008％)。
具体实施方式
为了进一步加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明进行详细介绍，必须指出，本发明的权利保护范围不受下面实施例的限制。
实施例1：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至300℃，保温24h，并施加30MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温60min，随后加热至350℃，保温60min；之后将铍材冷却至-110℃，保温60min，随后加热至250℃，保温60min；将铍材冷却至-20℃，保温60min，随后加热至150℃，保温600min，最后以3℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至-45MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0018％。
实施例2：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至310℃，保温18h，并施加40MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-190℃，保温80min，随后加热300℃，保温80min；之后将铍材冷却至-110℃，保温80min，随后加热至210℃，保温80min；将铍材冷却至-10℃，保温80min，随后加热至110℃，保温80min，最后以3℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至-40MPa、室温放置一年尺寸变化为0.0015％。
实施例3：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至320℃，保温4h，并施加80MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-185℃，保温70min，随后加热至340℃，保温80min；之后将铍材冷却至-95℃，保温60～90min，随后加热至240℃，保温100min；将铍材冷却至-15℃，保温110min，随后加热至140℃，保温120min，最后以1℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至-39MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0014％。
实施例4：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至330℃，保温20h，并施加70MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温90min，随后加热至330℃，保温90min；之后将铍材冷却至-90℃，保温60min，随后加热至200℃，保温60min；将铍材冷却至-10℃，保温120min，随后加热至120℃，保温120min，最后以3℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至31MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0012％。
实施例5：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至340℃，保温20h，并施加70MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-180℃，保温100min，随后加热至350℃，保温110min；之后将铍材冷却至-110℃，保温120min，随后加热至250℃，保温120min；将铍材冷却至-20℃，保温130min，随后加热至150℃，保温140min，最后以3℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至36MPa、室温放置一年尺寸变化为0.0012％。
实施例6：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至360℃，保温6h，并施加70MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温180min，随后加热至350℃，保温180min；之后将铍材冷却至-100℃，保温120min，随后加热至240℃，保温120min；将铍材冷却至-10℃，保温60min，随后加热至130℃，保温60min，最后以3℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至-32MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0013％。
实施例7：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至380℃，保温16h，并施加60MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温180min，随后加热至300℃，保温180min；之后将铍材冷却至-90℃，保温180min，随后加热至240℃，保温180min；将铍材冷却至-10℃，保温180min，随后加热至130℃，保温180min，最后以3℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至36MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0016％。铍材残余应力下降至43MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0015％。
实施例8：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至380℃，保温6h，并施加80MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-190℃，保温90min，随后加热至350℃，保温90min；之后将铍材冷却至-110℃，保温120min，随后加热至200℃，保温120min；将铍材冷却至0℃，保温150min，随后加热至150℃，保温150min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至-38MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0017％。
实施例9：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至400℃，保温4h，并施加80MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-180℃，保温180min，随后加热至300℃，保温180min；之后将铍材冷却至-90℃，保温180min，随后加热至200℃，保温180min；将铍材冷却至0℃，保温180min，随后加热至100℃，保温180min，最后以3℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至-46MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0019％。
实施例10：
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至350℃，保温12h，并施加50MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温60min，随后加热至320℃，保温60min；之后将铍材冷却至-100℃，保温60min，随后加热至220℃，保温60min；将铍材冷却至0℃，保温60min，随后加热至120℃，保温60min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至20MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0008％。
对比例1：与实施例10进行对比，验证应力时效处理有效性
对铍材直接进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温60min，随后加热至320℃，保温60min；之后将铍材冷却至-100℃，保温60min，随后加热至220℃，保温60min；将铍材冷却至0℃，保温60min，随后加热至120℃，保温60min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力为-210MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0612％。
实施例11：与实施例10进行对比，验证应力时效处理参数优化的有效性
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至500℃，保温12h，并施加50MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温60min，随后加热至320℃，保温60min；之后将铍材冷却至-100℃，保温60min，随后加热至220℃，保温60min；将铍材冷却至0℃，保温60min，随后加热至120℃，保温60min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力为65MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0028％。
实施例12：与实施例10进行对比，验证应力时效处理参数优化的有效性
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至350℃，保温30h，并施加50MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温60min，随后加热至320℃，保温60min；之后将铍材冷却至-100℃，保温60min，随后加热至220℃，保温60min；将铍材冷却至0℃，保温60min，随后加热至120℃，保温60min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力为85MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0029％。
实施例13：与实施例10进行对比，验证应力时效处理参数优化的有效性
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至350℃，保温12h，并施加100MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温60min，随后加热至320℃，保温60min；之后将铍材冷却至-100℃，保温60min，随后加热至220℃，保温60min；将铍材冷却至0℃，保温60min，随后加热至120℃，保温60min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力为165MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0046％。
对比例2：与实施例10进行对比，验证多级变温冷热循环稳定处理有效性
对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至350℃，保温12h，并施加50MPa的拉应力。铍材残余应力为120MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0532％。
实施例14：与实施例10进行对比，验证多级变温冷热循环稳定处理参数优化的有效性
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至350℃，保温12h，并施加50MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温20min，随后加热至320℃，保温20min；之后将铍材冷却至-100℃，保温20min，随后加热至220℃，保温20min；将铍材冷却至0℃，保温20min，随后加热至120℃，保温20min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至60MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0031％。
实施例15：与实施例10进行对比，验证多级变温冷热循环稳定处理参数优化的有效性
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至350℃，保温12h，并施加50MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-196℃，保温240min，随后加热至320℃，保温240min；之后将铍材冷却至-100℃，保温240min，随后加热至220℃，保温240min；将铍材冷却至0℃，保温240min，随后加热至120℃，保温240min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至66MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0033％。
对比例3：与实施例10进行对比，验证多级变温冷热循环稳定处理有效性
首先对铍材进行应力时效处理，将铍材加热至350℃，保温12h，并施加50MPa的拉应力。然后对铍材进行多级变温冷热循环稳定处理，将铍材冷却至-150℃，保温60min，随后加热至400℃，保温60min；之后将铍材冷却至-50℃，保温60min，随后加热至300℃，保温60min；将铍材冷却至50℃，保温60min，随后加热至200℃，保温60min，最后以2℃/min冷却至室温。铍材残余应力下降至70MPa，室温放置一年尺寸变化为0.0029％。
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