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，中國作為ITER的成員國之一，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)成分見表1，平均粉末粒徑為8um～9um。采用國產(chǎn)真空熱壓機(jī)壓制，壓制模具采用經(jīng)過特殊防脫設(shè)計(jì)的石墨模具（由于常規(guī)的依靠陰模和陽模間摩擦力支撐模具保持相對(duì)位置的方式無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模發(fā)生相對(duì)位移。配合過松，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^緊，會(huì)增加壓制過程中的阻力同樣會(huì)造成單向壓制影響坯料性能；模具配合過松過緊都會(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題，需要對(duì)壓制模具進(jìn)行特殊的防脫設(shè)計(jì)來杜絕單向壓制，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