鈹鋁合金比金屬鈹更節(jié)約鈹資源,具有優(yōu)異的力學性能、熱學性能、光學性能和良好的加工性能,可以在大部分領(lǐng)域替代金屬鈹?shù)膽?yīng)用,在航空航天領(lǐng)域具有極強的競爭優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景。鈹鋁合金是一種雙相金屬基復合材料,國外通常采用強度較低的純鋁作為基體,限制了其力學性能。本文從合金強化、界面反應(yīng)控制的角度設(shè)計了鈹鋁合金的成分;從提高綜合力學性能的角度,分別采用真空熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和熱等靜壓燒結(jié)制備了鈹鋁合金試樣和產(chǎn)品;從控制微觀組織和界面反應(yīng)的角度,分別采用X射線衍射儀、掃描電鏡、高分辨透射電鏡、差示掃描量熱儀等研究了鈹鋁合金的界面潤濕性、界面反應(yīng)和時效行為。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)提出了鋁合金基體中合金元素的選擇依據(jù),設(shè)計了鈹鋁合金成分�；谖诲e的微觀力學模型、修正的剪切滯后模型,結(jié)合Weibull統(tǒng)計和Eshelby等效夾雜法,構(gòu)建預測鈹鋁合金屈服強度的理論模型。模型分析結(jié)果表明,鋁合金基體的強度、鈹相的晶粒尺寸、鈹鋁兩相的界面結(jié)合強度是鈹鋁合金屈服強度的重要影響因素。從熱力學角度討論了合金元素對鈹相和鋁相界面結(jié)合強度的影響。液態(tài)鋁和固態(tài)鈹、液態(tài)鋁和固態(tài)氧化鈹之間的潤濕性決定鈹相和鋁相界面結(jié)合強度,在鋁合金基體中添加Mg、Si等元素可以改善液態(tài)鋁和固態(tài)鈹、液態(tài)鋁和固態(tài)氧化鈹之間的潤濕性,從而提高界面結(jié)合強度。結(jié)果表明,主要合金元素為Mg和Si的鋁合金是鈹鋁合金的理想基體;鈹鋁合金的彈性模量隨著鈹含量的增加而增大,當Be含量為62wt.%,鈹鋁合金的彈性模量為200GPa,理論密度為2.10g/cm~3,該成分的鈹鋁合金具有明顯的比剛度優(yōu)勢。(2)系統(tǒng)研究了粉末冶金工藝對鈹鋁合金組織和性能的影響。干混球磨時間會影響鈹鋁混合粉末的成分均勻性和總氧量。隨著球磨時間的增加,混合粉末的成分均勻性不斷提高,但總氧量不斷增加,球磨6h可以獲得成分均勻、氧含量低于1.5wt.%的鈹鋁混合粉末。研究了冷等靜壓壓力對鈹鋁混合粉末的壓坯密度的影響。鈹鋁混合粉末的冷等靜壓行為符合粉末壓制雙對數(shù)方程,鈹鋁混合粉末壓坯的密度隨冷等靜壓壓力的增加而近乎線性增加,在冷等靜壓壓力為270MPa時,鈹鋁混合粉末壓坯的致密度可達87%。燒結(jié)溫度對鈹鋁合金的組織有顯著影響。過高的燒結(jié)溫度會導致鈹鋁合金組織中鋁相發(fā)生團聚或者熔化滲出;在優(yōu)化的工藝參數(shù)下,真空熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)均可制備冶金質(zhì)量良好,界面結(jié)合強度高,組織細小,無孔洞、裂紋等缺陷、力學性能優(yōu)異的鈹鋁合金。(3)研究了不同鈹顆粒尺寸、不同鋁基體以及不同燒結(jié)方法對鈹鋁合金力學性能的影響。在鈹含量相同的情況下,鈹相晶粒尺寸由40μm減小到10μm,鈹鋁合金的延伸率基本不變,但是鈹鋁合金的屈服強度由195MPa提高到265MPa,抗拉強度由310MPa提高到383MPa;Be-38wt%Al和Be-38wt.%Al-Mg-Si的彈性模量基本相同,但Be-38wt.%Al-Mg-Si的屈服強度和抗拉強度均高于Be-38wt.%A1;相比于真空熱壓燒結(jié),熱等靜壓燒結(jié)的致密化燒結(jié)溫度更低,得到的Be-38wt.%Al-Mg-Si的彈性模量、屈服強度、抗拉強度更高,其屈服強度和抗拉強度分別為265MPa和383MPa,與國際上相同鈹含量的軋制態(tài)粉末冶金鈹鋁合金的屈服強度和抗拉強度相當。(4)研究了鈹鋁合金組織中合金元素的分布、相界面結(jié)構(gòu)及取向關(guān)系。掃描電鏡、高分辨透射電鏡分析結(jié)果表明,熱等靜壓態(tài)Be-38wt.%Al-Mg-Si的Mg和Si主要分布在A1基體中,鈹鋁兩相界面處幾乎沒有反應(yīng)產(chǎn)物生成;鈹相和鋁相之間沒有完整的三維共格界面或半共格界面,隨著界面處位錯密度的增加,鈹相和鋁相形成了非共格界面;鈹相和鋁相會傾斜一定角度并保持特定的晶體取向關(guān)系以達到界面能量最低:[011]_(Al)//(?)_(Be),(?)_(Al)～~(0.8°)(?)_(Be)(5)研究了時效溫度和時間對鈹鋁合金組織和力學性能。采用掃描電鏡、高分辨透射電鏡分析了鈹鋁合金在不同時效階段的組織形貌,結(jié)合差示掃描量熱法的實驗結(jié)果得出了鈹鋁合金的時效析出序列和時效動力學。在時效溫度為170℃時,Al-Mg-Si合金達到硬度峰值的時間為14h,而Be-38wt.%Al-Mg-Si達到硬度峰值的時間為8h;Be-38wt.%Al-Mg-Si的時效析出順序與Al-Mg-Si合金相似,但GP區(qū)的形成受到抑制;Be-38wt.%Al-Mg-Si在170℃、保溫8h后,Mg和Si元素已在鈹鋁界面上偏析;Be-38wt.%Al-Mg-Si中針狀β"相在Al基體中單獨析出或沿AI基體中的位錯析出,并與A1基體保持一定的位向關(guān)系:[304]_(β'')//[001]_(Al),(?03)_(β'')//(200)_(Al),(020)_(β'')//(020)_(Al);(010))_(β'')//(001)_(Al),[100]_(β'')//[(?)30]_(Al),[001]_(β'')//[310]_(Al)。不同鈹含量的熱等靜壓態(tài)Be-38wt.%Al-Mg-Si在時效后屈服強度和抗拉強度均顯著提高;當人工時效溫度為170℃、時效時間為8h時,Be-38wt.%Al-Mg-Si的屈服強度和抗拉強度分別為340MPa和416MPa,高于國際相同鈹含量的粉末冶金鈹鋁合金的最高屈服強度和抗拉強度。
【學位單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TL341
【部分圖文】：

通常通過復合材料的分析測試方法來分析，而鈹相和鋁相的分布和形態(tài)由鈹、鋁的相對逡逑含量和制備方式共同決定。逡逑鈹鋁二元相圖如圖１－ｌａ所示［１８］。在鈹鋁二元相圖中，只有一個簡單的共晶反應(yīng)，逡逑共晶溫度為６４４°Ｃ，共晶成分為２．５±０．２ａｔ．％Ｂｅ。有研究表明，相圖中？能在液固兩相ｇ逡逑存在有一個亞穩(wěn)的溶解度間隙［１９］（圖ｌ－ｌｂ）。逡逑Ａｔｏｍｉｃ邋Ｐｅｒｃｅｎｔ邋Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ逡逑？邋ｙ邋ｙ邋ｙ邋ｍ邐ｎ邐？？邐？？邐？邐ｉｍ邐ｉｍｍ逡逑（ａ）邋＊邐（ｂ）逡逑，＊？■邋Ｌ邐一１４００邋－邐邐邐邐逡逑ｗ邐￡：￣￣ｓｊ；￣＾￣二《邐＊°邐，ｗ逡逑Ａ｜邐？．．（ｈｌ邋Ｐ．ｒｃ．ｎｌ邋Ｂｒｙｌｌ．ｕ．邐Ｂ．邐Ａ？－ｃ逡逑圖１－１鈹鍆合金相＿，削ａ）為Ａｌ－Ｂｃ邋．兒合金相圖，圖（ｂ）為顯示溶解度間隙的：元合金相圖逡逑鈹鋁介金的制備技術(shù)ｕ要檇粉木冶金和精密鑄造［２（）１，粉末治金鈹鍆合金的典沏成分逡逑足６２＼￥〖％．１＾－３８＼＼１：．％八丨，最早稱之為洛克合金（［０0１＾丨１0７），由？＾１１（＾３『１＼／１６１３１公丨丨１（現(xiàn)逡逑Ｓｔａｒｍｅｔ邋公司）和邋Ｌｏｃｋｈｅｅｄ邋Ｍａｒｔｉｎ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ邋ａｎｄ邋Ｍｉｓｓｉｌｅｓ邋公司于上世紀邋６０邋代^u發(fā)［２１］。逡逑Ｉ丨前，處于世界最先進水平的粉末冶金鈹鋁合金由Ｍａｔｅｒｉｏｎ公司開發(fā)制備，其商業(yè)牌號逡逑為ＡｌＢｅＭｅｔ？［２２］。而精密鑄造鈹鋁合金由美國Ｓｔａｒｍｅｔ公司開發(fā)

美國主要將粉末冶金鈹鋁合金用在航空航天電子設(shè)備、光學裝置以及衛(wèi)星結(jié)構(gòu)方面［２２，２８－逡逑２９－３２—３５］，其主要產(chǎn)品如圖１－２所示。逡逑表丨－３粉末冶金鈹鍆合金￣常見材料的力：性能、熱性能及其他性能對比逡逑２０２４Ｔ６邐６０６１Ｔ６邋Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ邋Ｂｅ邐ＡＭ邋１６２逡逑Ｄｅｎｓｉｔｙ邋（ｇ／ｃｍＪ）邐１Ｈ１邐２？７０邐４Ａ４邐Ｌ８５邐２Ａ０￣逡逑Ｍｏｄｕｌｕｓ邋（ＧＰａ）邐７２邐７０邐１１２邐３０３邐１９３逡逑ＣＴＥ＠２５°Ｃ邋（ｐｐｍ／°Ｃ）邐２２．９邐２３．６邐９．０邐１１．４邐１３．９逡逑Ｔｈｅｒｍａｌ邋Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ邋＠邋２５邋°Ｃ邋（Ｗ邋ｍ邋＇邋ｋ１）邐１５１邐１８０邐７．８邐２１６邐２１０逡逑Ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋Ｈｅａｔ邋＠邋２０°Ｃ邋（Ｊ邋Ｋｇ邋＇邋ｋ１）邐８７５邐８９６邐６１１邐１９２５邐１４６５逡逑Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ邋＠邋２０°Ｃ，邋％ＩＡＣＳ邐３０邐４３邐４１邐４０．７邐４９逡逑Ｄａｍｐｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ＠２５°Ｃ邋，５００ＨＺ邐１．０５＞＜１０＇２邐１．０５ｘｌ0２邐－邐－邐１．５ｘｌＯ３逡逑Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ邋Ｒａｔｉｏ邐０．３３邐０．３３邐０．３１邐０．０１－０．０８邐０．１７逡逑４逡逑

邐ｆｌａｔｔｅｎ邋＾逡逑圖ｉ－４鈹鋁合金的冷等靜ｍ＋乳制的ｉ：藝路線示意圖［ｌ３１逡逑鈹鋁預合金粉末直接熱等靜壓技術(shù)如圖１－５所示，其熱等靜壓工藝［４１］為將霧化制備逡逑的鈹鋁預合金粉直接進行熱等靜壓，熱等靜壓溫度為６３０°Ｃ，壓力為１０３ＭＰａ，保溫保逡逑壓時間３ｈ，然后緩慢冷卻至室溫。從其制備工藝流程來看，采用粉末冶金方法制備鈹鋁逡逑合金的工藝周期是比較長的。逡逑￣ｒＥｆｖ＾邋／邐／逡逑Ｖａｃｕｕｍ邋Ｍｅｌｔ邋ａｎｄ邐Ｓｃｒｅｅｎ邋．Ｂｌｅｎｄ邐Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅ邋ｍ邐Ｖａｃｕｕｍ逡逑Ａｉｏｍｉｚｅ邋Ａｉ－Ｂｅ邐Ｐｏｗｄｅｒ邐Ｓｆｆｉｅｌ邐Ｄｅｇａｓ逡逑邐｜逡逑命一邋＿一智一肇歐逡逑ＨＩＰ邐ＥｔｃｈｔｏＲ＾ｍｏｖ，逡逑Ｓｔｅｅｌ邐Ｍａｃｈｉｎｅ逡逑圖１－５鈹鋁合金的直接熱等靜壓制備技術(shù)１４２１逡逑不同制備方式得到的鈹鋁合金的組織如圖１－６所示。與沖擊制粉得到粉末后熱等靜逡逑壓相比，球形鈹鋁預合金粉熱等靜壓后，鈹鋁合金組織中鋁相的尖銳末梢大大減少；如逡逑進一步擠壓變形處理會導致鈹鋁合金的組織沿著變形方向呈現(xiàn)一定的方向性。逡逑７逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2816417