稀有金属 2003,(01),62-65 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.01.012
铍铝合金的研究与应用
马世光
摘 要：
铍铝合金具有质量轻、比强度高、比刚度高、热稳定性好、高韧性、抗腐蚀、结合了铍的低密度与铝的易加工性等许多优良特性 , 在航空、航天工业、计算机制造业、汽车工业及高精、高速度电焊机器制造工业中得到了大量应用 , 已成为一种越来越重要的新型材料。综述了铍铝合金的研发、生产现状、主要性能、应用领域及世界主要生产厂家和主要的铍铝合金系列。因铍是一种剧毒元素 , 其熔炼、加工工艺需要非常严格的防护条件 ;所以铍及其合金的生产只局限在极少数企业中 , 这也限制了铍铝合金的研发、应用。
关键词：
铍铝合金 ;电解法 ;冷热等静压法 ;硬盘驱动器 ;航空航天飞行器 ;
中图分类号： TG146.2
收稿日期： 2002-10-15
Study and application of AlBe alloy
Abstract：
AlBe alloy has many excellent properties, such as lightweight, high specific strength, high specific stiffness, anticorrosion, combines the lightweight of Be and good machinability of Al. So they are widely used in aviation, aerospace industry, computer and automobile manufacture etc, becoming a new kind of structure material. This paper summarizes the study and production state, application field and main property of AlBe alloy. Because Be is a poisonous element and its production process needs strict protective conditions, so there are only a very limited number of factories producting Be and its alloys in the world, therefore the study and application of AlBe alloy are limited.
Keyword：
AlBe alloy; electrolysis; CIP; HIP; hard disc drive; aircraft; spacecraft;
Received： 2002-10-15
铍铝合金 (典型的密度为2.6 g·cm-3 ) 具有质量轻、 比强度高、 比刚度高、 热稳定性好、 高韧性、 抗腐蚀、 结合了铍的低密度与铝的易加工性等许多优良特性, 随着航空、 航天工业、 计算机制造业、 汽车工业及高精度、 高速度电焊机器制造工业的飞速发展, 其已成为一种越来越重要的新型材料。 铍铝合金按铍含量可分为铝基合金和铍基合金, 前者铍含量在5%以下, 用作冶金添加剂; 后者铍含量在60%以上, 用作结构材料。 本文所述主要为后者。
1 铍铝合金的研发状况
70年代美国核金属公司 (现称为斯达麦特) 和洛克赫得·马丁电子发射公司 (洛克公司) 合作开发洛克合金, 这是最早的商业用铍铝合金。 洛克合金含有62%的铍和38%的铝, 用预合金化粉末制取, 仅用于高精密产品。 复杂的工艺过程决定了该合金的高成本, 最终导致了这种商业产品在70年代后停止生产。 冷战后期, 斯达麦特公司和布拉什·威尔曼公司联合开发新型铍铝合金, 用以弥补国防工业对低铍材料的需求。 斯达麦特公司开发了Berylcast╋ 族铍铝合金, 布拉什·威尔曼开发了AlBeMet╋ 系列合金。 Berylcast╋ 和AlBeMet╋ 结合了铍的高比刚度和低密度与铝的易加工性, 且保持了两种金属的特性。 Berylcast╋ 363合金含铍65%, 比刚度是铝的3.5倍, 且比铝轻22%
[1 ]
。
2 铍铝合金的生产
自70年代洛克公司使用粉未冶金法生产铍铝合金以来, 采用该工艺生产铝铍合金已成惯例。 除了一些小的改进以外, 基本流程保持不变。 先用惰性气体雾化法制取预合金粉, 而后制成3~5 μm的枝晶状粉粒, 该尺寸对最终产品的强度是至关重要的。 粉末经冷等静压压至理论密度的约80%, 再热等静压成形, 最后经挤压进一步提高密度。 挤压成的棒材可直接加工成部件, 或切割后轧制成板材, 其最大尺寸可达107 cm×107 cm。 制板时挤压棒应包复在钢套或铜套中, 挤压温度通常为370~510 ℃。 布拉什·威尔曼的AlBeMet╋ 条材可以生产厚度小于25 cm以下, 可轧成107 cm2 的板材。 板材具有最重要的各向同性特性
[2 ]
。 用挤压工艺生产的挤压件直径可达Φ 25 cm, 因而挤压工艺使该合金获得广泛应用变得经济可行。 例如, 经挤压的AlBe型材被加工成计算机硬盘驱动臂, 超过100万个类似的部件也用棒材挤压而成。 此外, 一级方程式赛车的制动器扳手目前均用挤压法制成。
为降低成本, 可采用净形或近净形生产工艺。 熔模制造已被认为是一种能生产近净形部件的方法。 该法直到最近才被用于制造AlBe合金部件。 AlBe910铸造合金是Al-Be熔模合金家族中的首批产品。 AlBe910铸造合金的技术特性主要包括:0.2%的屈服强度和3%拉伸强度。 典型的轴承箱铸件直径为71 cm, 高15 cm, 腹壁厚9 mm, 重4.9 kg。
布拉什·威尔曼还开发了几种熔模铸造铍铝合金的方法, 可以生产商业成本可行的高精度的复杂部件。 AlBeMet╋ 合金已被收入铍铝合金的AlBeCast合金族用于熔模铸造。 该族合金的第一种, AlBeCast╋ IC910含62%的铍和38%的铝。 AlBeCast╋ IC910合金正在通过美国高级研究项目机构 (DARPA) 的评价, 以用于汽轮机活动叶片
[1 ]
。AlBeCast╋ IC910合金铸件可以用和标准铝铸件相同方法进行制造、 加工和涂敷, 以减少最终部件的成本。 AlBeCast╋ IC910铸件也可通过快速复制 (RP) 技术制作, 用作连接件。
铍铝合金固有的特性决定了其以铸件形式应用的困难。 铍和铝之间非常有限的相互可溶解性使得这两种材料在固溶体中独立存在。 铍铝合金有着宽的凝固温度范围, 约从550 ℃开始, 这就引起了金属液需要不断补充的问题。 这也导致了最终产品出现收缩缺陷和孔隙。 铍熔化需要非常高的温度, 这也意味着铍铝合金有与制作坩埚及模具的大多数难熔材料反应的倾向。
布拉什·威尔曼公司也已获得了一项AlBeMet╋ 合金半固态加工技术的专利。 该专利可用长寿命模具铸造高精度产品。 早先这种熔点非常高的AlBeMet╋ 合金不能使用压铸工艺
[1 ]
。
3 铍铝合金的性能
铍铝合金的力学特性主要取决于合金中铍含量, 其次是生产工艺。 最常见的AlBe162 (洛克合金) 含有62% Be, 其用途非常多。 Al, Be之间的固溶性很小, 而且按混合的比例可以预计其物理特性怎样随着组分的改变而变化。 变化最明显的当属模量和密度。 与其它AlBe合金材料相比, 其模量很高而密度很低。 航空用铍铝合金的某些特性示于表1。 AlBe162在20 ℃时的力学特性示于表2。
布拉什·威尔曼开发的AlBeCastR IC910合金与其它工程金属的性能比较如表3所示
[1 ]
。
4 铍铝合金的应用
4.1 铍铝合金在航空器上的应用
斯达麦特 (Berylcast╋ ) 和布拉什·威尔曼 (AlBeMet╋ ) 都生产用于飞行器的铍铝合金。 斯达麦特生产的Berylcast╋ 合金熔模铸件被用在美国的RAH-66 Comanch型军用直升机和爱国者PAC-3型导弹系统
[1 ]
。
AlBeMet╋ 162正在为应用于先进的供出口的F-15战斗机的方向舵而接受检测。 用作F-15方向舵的唯一竞争材料是波音飞机已使用的价格昂贵的硼-环氧树脂。 因为简化了设计, 在F-15方向舵中使用AlBeMet╋ 162比硼-环氧树脂便宜, 且减轻了重量, 提高了性能
[1 ]
。
4.2 铍铝合金在硬盘驱动器中的应用
Berylcast╋ 铍铝合金用作硬盘驱动器, 用于便携式电脑等产品, 可以减轻重量, 增加刚性, 减轻振动。 Berylcast╋ 用作高级传动材料可以提高数据搜索速度, 增加每英寸的磁道数 (TPI) , 当维持或提高磁道储存量时, 可减少磁盘片的数量。 剖切Berylcast╋ 的剂压材可生产硬盘驱动臂, 布拉什·威尔曼生产已超过100万件。
美国在1997到1999年硬盘驱动器的生产数据如表4所示, 其数据仅为一个尺寸的磁盘驱动器, 未计算所有可能的数据。 3寸磁盘驱动器的发货量在1997~1999年之间每年下降接近27%
[1 ]
。
表1 航空用铍铝合金的性能Table 1 AlBe alloy property for aviation
合 金
弹性模量/
密度/-3 )
热导率/-1
热膨胀系数-6 ·K-1
AlBe162
200
2.1
210
13.9
Al6061
69
2.8
170
23.6
Be
300
1.85
210
11.5
Al-Li
90
2.5
120
23.6
表2 AlBe162在20 ℃时的力学特性Table 2 Mechanics properties of AlBe162 in 20 ℃
特性
挤压后
轧制板
热等静压锭
屈服强度0.2%/MPa
310
275
193
极限拉伸强度/MPa
380
380
262
延伸率/%
5
7
2
表3 布拉什·威尔曼AlBeCastRIC910与其它工程金属的性能比较Table 3 Brush Wwllman′s Properties of AlBeCastR IC910 and other engineering metals
指 标
AlBeCast
AlBeMet
铍
镁
铝
钛
密度/ (g·cm-3 )
2.17
2.10
1.85
1.81
2.69
4.43
弹性模量/GPa
193
200
303
45
72
110
屈服强度/MPa
158
227
379
145
193
825
抗拉强度/MPa
207
310
434
275
275
895
延伸率/%
4
4
3.5
6
5
10
热导/ (W· (m·K) -1 )
110
217
216
72
151
6.8
热胀系数/ (mm·℃-1 )
14.6
14.0
11.4
26.0
21.5
9.3
比热/ (J· (kg·K) -1 )
1.56
1.56
1.93
1.05
0.96
0.67
比刚度/MPa
359
381
657
98
108
100
比强度/MPa
371
592
940
606
412
812
形 态
铸件
铸锭
铸锭
铸件
铸件
铸件
表4美国硬盘驱动器1997~1999年发货量* (千件, 百万美元) Table 4USA: Shipments of rigid magnetic disc drives, 1997~1999
1997
1998
1999
销 量
销售额
销 量
销售额
销 量
销售额
1293.5
1781.9
1046.5
1992.8
871.7
1191.3
* 仅为3寸盘, 不含5寸盘
目前铍铝合金在硬盘驱动器中的应用可能很有限, 但如同对高容、 高速硬盘驱动器需求的增加一样, 其会不断增加。
4.3 铍铝合金在航天器上的应用
美国轨道科学公司把布拉什·威尔曼生产的AlBeMet╋ 铍铝合金用在了28个ORB-COMM型低轨道通讯卫星上。 通用太空飞行器的外圈由三块弧形AlBeMet╋ 162合金嵌板组成, 并由相同材料的托架固定。 AlBeMet╋ 合金因其优良的刚度和低重量, 在使用时优先于铝材而被考虑
[1 ]
。
4.4 铍铝合金在刹车系统中的应用
布拉什·威尔曼生产的AlBeMet╋ 铍铝合金被意大利的Brembo汽车公司和英国的AP汽车公司用来制作一级方程式汽车用刹车片。 铍铝合金刹车片的刚度、 低重量和热特性可减少刹车时间0.5 s。 意大利的Ferrari于1997年6月, 在加拿大的大满贯赛上, 首次使用AlBeMet╋ 刹车片
[1 ]
。
4.5 铍铝合金的其它用途
电熔公司 (布拉什·威尔曼的分公司) 已经给意大利国家核物理研究院生产出了两英尺长的AlBeMet╋ 162合金薄壁管, 用于瑞士CERN的粒子加速器。 AlBeMet╋ 162合金含铍62%, 铝32%。 AlBeMet╋ 162合金克服了以往材料存在的焊接问题
[1 ]
。
5 结 论
铍铝合金因其优异的性能, 已被广泛地用作结构材料, 但因金属铍有毒, 致使其在国内的研发受到限制。 国内生产铍铝中间合金的企业已为数不多, 且多为铍含量2.5%~4%的低铍合金。 虽有个别企业也尝试着在进行高含量铍铝合金的研发, 但收效甚微。 随着高速、 高容量硬盘驱动器需求量的增加、 计算机的日益普及和太空技术的发展, 铍铝的性能和用量将有进一步提高, 国内也应加快该材料的研发, 尽快赶上世界水平。
参考文献
[1] RoskillInformationServicesLtd.TheEconomicsofBeryllium, 2001.
[2] 聂大钧, 孙本双, 宋兴海, 等. 铍工艺进展.
