Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе бериллия.

БЕРИЛЛИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Свойства бериллия. Бериллий относится к группе легких металлов, с малой плотностью (менее 3 г/см³) (табл. 19.2).

Таблица 7 9.2

Основные физические свойства бериллия

Бериллий — светло-серый металл, полиморфен, имеет ГПУ-ре- шетку до 1250 °С и ГЦК-решетку — при более высоких температурах.

Бериллий и (особенно) его сплавы обладают малой плотностью, высокими модулем упругости и прочностью, размерной стабильностью, хорошей коррозионной стойкостью в ряде сред.

Чистый бериллий — твердый и прочный металл (а_в = 300 МПа; 8 = 1—2%), устойчив на воздухе вследствие образования на его поверхности пленки ВеО, но при высоких температурах легко соединяется с кислородом и азотом.

Соединения бериллия — аэрозоли, мелкодисперсные частицы — обладают резко выраженными токсическими свойствами. Наиболее токсичными являются хлористые и фтористые соединения. В компактном виде бериллий безвреден. Сочетание высокого модуля упругости, теплопроводности и теплоемкости, малой плотности и других характеристик обусловило применение бериллия и его сплавов в ряде изделий авиаракетной техники, в том числе тормозов самолетов и теплозащитных экранов при вхождении возвращаемых аппаратов в плотные слои атмосферы, в зеркалах, замедлителях и отражателях тепловых нейтронов, материалах оболочек тепловыделяющих элементов атомных реакторов.

Бериллий широко используют в качестве присадок в алюминиевых сплавах для создания защитной пленки на жидком металле, в стали — для образования твердого диффузионного слоя.

Бериллий получают электролизом хлорида бериллия и NaCl (электролитный бериллий) или восстановлением фторида бериллия магнием (фторидный, или магниево-термический, бериллий).

Электролитный бериллий имеет меньше примесей и большую пластичность, чем магниево-термический. Для дальнейшего повышения чистоты бериллия проводят дистилляцию в вакууме, зонную плавку или электролиз с растворимым анодом.

Примеси, в частности алюминий, понижают пластичность бериллия. Его механические свойства меняются в зависимости от типа заготовки, величины зерна и чистоты металла. Самые высокие свойства — у заготовок, выдавленных из мелкозернистых порошков высокой чистоты; еще более высокие прочностные свойства имеет проволока.

На свойства бериллия сильно влияют концентраторы напряжений и общее состояние поверхности. Уменьшения влияния концентраторов достигают травлением и отжигом. При повышении температуры происходят заметное снижение прочности и увеличение пластичности. Бериллий обладает сравнительно невысоким сопротивлением ползучести. В качестве жаропрочного материала бериллий практически не применяют.

Бериллиевые сплавы. Улучшения свойств бериллия достигают не за счет легирования, а за счет чистоты. Достаточно иметь в бериллии 0,001% Si, как он становится совершенно хрупким.

Наличие кислорода улучшает свойства бериллия, а для всех других металлов кислород — вреднейшая примесь. Тем не менее существуют сплавы на основе бериллия.

Перспективным является сплав бериллия с 4—5% Си. Введение меди уменьшает анизотропию, резко выраженную у бериллия.

Сплавы меди с бериллием (бериллиевые бронзы) обладают эффектами термической обработки, немагнитны, не искрят при ударе, имеют хорошую коррозионную стойкость, достаточно высокую прочность, а в закаленном состоянии — высокую пластичность.

Значительное распространение получили алюминиево-берилли- евые сплавы с магнием, сочетающие высокую прочность, пластичность, высокий модуль упругости, теплоемкость и теплопроводность. Добавка 0,5% Ni повышает длительную прочность бериллия при 900 °С. Лучшими технологическими свойствами отличаются сплавы бериллия, содержащие 2—4% Si; 0,1 —1,0% Ag; 2—4% А1, или сплавы с 0,5% Tin 0,1% Ag.

Более высокой пластичностью, чем бериллий, обладают двойные и тройные сплавы типа А1—Be и А1—Mg— Be (сплав АБМ). Высокая пластичность фазы (А1), упрочненный Mg, вводимый в сплавы в концентрациях, не превышающих его предельную растворимость, благоприятно влияют на свойства сплавов. Растворимость магния с повышением содержания бериллия уменьшается, поэтому в сплавы системы А1—Be—Mg при самом низком содержании бериллия необходимо вводить наиболее высокое количество магния. В сплавах с наиболее высоким содержанием бериллия должно быть низкое содержание магния.

С увеличением содержания бериллия в сплавах систем А1—Be; Al—Be—Mg происходит значительно более интенсивный рост модуля упругости, который при содержании 70—80% Be достигает 245 х х 10³ МПа; плотность такого сплава равна 2 г/см³.

В результате этого сплавы на алюминиево-бериллиевой основе высокомодульные, и по модулю упругости в зависимости от состава превосходят высокопрочные сплавы на алюминиевой основе более чем в 2—3 раза.

Сплавы системы Al— Be—Mg имеют более высокий модуль упругости (на 14700—39200 МПа), чем сплавы системы Al—Be, при одинаковом содержании бериллия, хотя магний и твердый раствор магния в алюминии имеют модуль упругости ниже, чем алюминий. В сплавы вводят сравнительно немного магния.

Тройные сплавы системы Al— Be—Mg при содержании бериллия до 70% превосходят двойные сплавы системы Al—Be не только по прочности, но и по относительному удлинению. Это обеспечивает и более однородный и равномерный характер деформации при растяжении, и, как результат этого, одновременное повышение прочности и относительного удлинения.

При содержании Be около 70% достигается максимум прочности тройных сплавов. При дальнейшем повышении содержания Be прочность понижается при одновременном резком снижении пластичности. Поэтому сплавы системы Al—Be—Mg при содержании бериллия более 70—75% практически не применяют.

Резкое снижение относительного удлинения в сплавах данной концентрации объясняется тем, что количество (А1)-фазы уже недостаточно и она перестает оказывать пластифицирующее действие, как это происходит в сплавах, более богатых этой фазой. Сплавы с малым количеством (А1)-фазы можно рассматривать как бериллий, содержащий некоторое количество легкоплавкой составляющей, ухудшающей его свойства.

Благодаря наличию в сплавах типа Al—Be, Al—Be—Mg, содержащих до 70—75% Be, достаточного количества высоко пластичной алюминиевой составляющей, эти сплавы по сравнению с бериллием обладают хорошей общей и технологической пластичностью и удовлетворительно деформируются при 380—420 °С.

В процессе обработки давлением происходит деформация алюминиевой матрицы и бериллиевой фазы, поскольку бериллий при температурах около 400 °С имеет достаточно высокую пластичность.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе бериллия.

Материалы данного типа относятся к классу порошковых, в которых матрица из металла или сплава упрочняется искусственно введенными мелкодисперсными частицами размером менее 0,1 мкм в количестве 0,1—0,15%.

В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений.

Смеси порошков получают механическим или химическим смешиванием, поверхностным или внутренним окислением, разложением смеси солей, водородным восстановлением или химическим осаждением из растворов.

После формования и спекания проводят горячую пластическую деформацию с целью получения беспористого полуфабриката.

Наиболее эффективными упрочнителями бериллия являются оксид ВеО и карбид Ве₂С. Временное сопротивление ДКМ Be—ВеО повышается с увеличением содержания оксида; при этом эффективность упрочнения растет с увеличением температуры. Сопротивление ползучести и длительная прочность Be—ВеО при повышенных температурах сравнительно невелики. Применение карбида Ве₂С в качестве упрочняющей фазы позволяет повысить 100-часовую прочность бериллия при 650 °С в 3 раза, а при 730 °С — в более чем 5 раз.