真空熱壓鈹材工業(yè)實(shí)踐中性能影響因素淺析

喬 鵬，李志年，王 蓓，李峰，王戰(zhàn)宏

（西北稀有金屬材料研究院，寧夏 石嘴山 753000）

鈹是重要的航空航天材料之一，同時(shí)由于其獨(dú)特優(yōu)異的X射線穿透性能、低密度以及高比強(qiáng)度、高比剛度、高彈性模量和優(yōu)良的熱性能等，被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、導(dǎo)航和光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。真空熱壓鈹材已經(jīng)被選定為ITER第一壁包層的保護(hù)材料，中國(guó)作為ITER的成員國(guó)之一，為保證ITER熱壓鈹材順利供貨，必須對(duì)真空熱壓鈹材制備影響因素展開(kāi)研究[2-4]。

金屬鈹材料制備主要是采用冷熱等靜壓、真空熱壓等方法[5]。大多數(shù)學(xué)者在金屬鈹不同成分和制備方法的組織結(jié)構(gòu)演變、物理力學(xué)性能和熱性能等方面做了大量工作[6-9]。這些研究工作主要聚焦在實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的制備和材料組織性能演變機(jī)理等方面，而對(duì)于從工業(yè)生產(chǎn)角度及生產(chǎn)操作要點(diǎn)方面的探討相對(duì)較少，本文從真空熱壓鈹材的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，研究了粉末脫氣工藝、裝配模技術(shù)和徑高比對(duì)真空熱壓鈹材性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

采用流化床式氣流粉碎機(jī)得到近半球形粉末，粉末的化學(xué)成分見(jiàn)表1，平均粉末粒徑為8um～9um。采用國(guó)產(chǎn)真空熱壓機(jī)壓制，壓制模具采用經(jīng)過(guò)特殊防脫設(shè)計(jì)的石墨模具（由于常規(guī)的依靠陰模和陽(yáng)模間摩擦力支撐模具保持相對(duì)位置的方式無(wú)法滿足雙向壓制要求），按要求裝配后裝爐進(jìn)行壓制工藝，在真空壓制工藝過(guò)程中加入200℃和700℃保溫脫氣工藝，待真空達(dá)到一定水平后再繼續(xù)進(jìn)行壓制工藝，以脫去粉末中帶入的N、H、O等有害氣體雜質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末脫氣

實(shí)驗(yàn)采用流化床式氣流粉碎機(jī)制得的近半球形金屬鈹粉，由于鈹粉末在氣流沖擊研磨過(guò)程中和大氣直接接觸且粉末本身比表面積大，其表面會(huì)吸附大量的H2O、N2、O2等氣體雜質(zhì)，這些氣體對(duì)真空熱壓后坯料性能有不利影響。如果采用先脫氣后裝粉的方式，由于脫氣工藝完成后無(wú)法做到密閉裝粉，粉末和大氣接觸后會(huì)重新吸附氣體和水氣，且鈹毒性較大不利防護(hù)，操作成本較高，故脫氣工藝和壓制工藝合二為一，采用先裝粉后脫氣的工藝過(guò)程，裝粉配模完成后，在真空氣氛下，對(duì)模腔內(nèi)粉末先實(shí)施脫氣工藝再進(jìn)行壓制工藝。

由表2可以看出，脫氣工藝后粉末中的氣體雜質(zhì)元素N、H、O有明顯降低，說(shuō)明脫氣工藝對(duì)粉末的氣體雜質(zhì)有非常明顯的去除效果。由圖1看出經(jīng)脫氣粉末熱壓后晶粒均勻分布，尺寸正常且無(wú)明顯異常。

2.2 配模技術(shù)

常規(guī)石墨模壓配模時(shí)下沖頭與陰模配合較緊，利用摩擦力支撐全套模具重量，以防止壓制前期陰陽(yáng)模發(fā)生相對(duì)位移。配合過(guò)松，壓制前期會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，造成單向壓制影響坯料性能，甚至?xí)斐煞勰哪Ｇ焕镆绯鲈斐蓧褐剖。慌浜线^(guò)緊，會(huì)增加壓制過(guò)程中的阻力同樣會(huì)造成單向壓制影響坯料性能；模具配合過(guò)松過(guò)緊都會(huì)造成一定程度的單向壓制。尤其是產(chǎn)品尺寸越大，模具越重，配模是否合適對(duì)壓制的影響會(huì)越大。為此，為從根本上解決配模問(wèn)題，需要對(duì)壓制模具進(jìn)行特殊的防脫設(shè)計(jì)來(lái)杜絕單向壓制，保證壓制坯料的質(zhì)量。

2.3 徑高比

由圖1和圖2可以看出徑高比越接近1:1，橫向和縱向的延伸率拉伸強(qiáng)度越接近，徑高比越大兩者差值越大，即鈹材的力學(xué)性能不均勻性隨著徑高比的增加而增加。當(dāng)徑高比為4以下時(shí)，樣品本身橫向縱向的拉伸強(qiáng)度和延伸率基本不變；當(dāng)徑高比為4以上時(shí)，橫向縱向拉伸強(qiáng)度和延伸率均有所提升，且橫向的拉伸強(qiáng)度和延伸率均高于縱向的拉伸強(qiáng)度和延伸率。

3 結(jié)論

（1）脫氣工藝對(duì)去除粉末中N、H、O等氣體雜質(zhì)有較好的效果，有利于真空熱壓鈹材整體的物理力學(xué)性能。

（2）為解決鈹材壓制過(guò)程中傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)容易造成粉末溢出或單向壓制的問(wèn)題，可采用特殊的防脫模設(shè)計(jì)模具保證壓制的質(zhì)量。

（3）拉伸強(qiáng)度和延伸率橫向縱向均勻性隨徑高比的增加而降低；徑高比接近1:1時(shí)坯料各向同性性好，在徑高比高于4，橫向縱向的拉伸強(qiáng)度和延伸率均有所提升，但橫向縱向的力學(xué)性能不均勻性增加，橫向性能比縱向性能優(yōu)。

表1 真空熱壓前后鈹材成分表

表2 脫氣處理前后鈹粉成分表

圖1 經(jīng)脫氣鈹粉末熱壓后金相照片

圖2 鈹材不同徑高比拉伸強(qiáng)度

圖3 鈹材不同徑高比延伸率