一种高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品技术

本发明专利技术公开了一种新型高性能铍铝‑稀土合金的制备方法及其制备的产品，目的在于解决目前采用铍铝预合金化和粉末冶金、后续冷/热变形加工（轧制）及添加其它合金元素的方式，该法工艺复杂、成本很高，且难以生产复杂结构部件，合金仍易出现成分偏析的问题。本发明专利技术提供一种新的铍铝‑稀土合金的制备方法，该方法以金属铍、铝和稀土元素为原料，通过真空感应熔炼、预合金化、磁悬浮熔炼、重熔和快速冷却的结合，以及反应条件的合理调整，成功制备出组织细小均匀的非枝晶合金，该合金晶粒细小致密，力学性能高，成分偏析程度低，具备良好的塑性与加工成型性，具有较好的应用前景。同时，本发明专利技术的生产工艺简单，成本低，能够制备出复杂结构的部件。

【技术实现步骤摘要】
一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品
本专利技术涉及合金制备领域，尤其是有色金属合金及其制备领域，进一步涉及铍铝合金领域，具体为一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品。
技术介绍
金属铍具有低密度（理论密度1.842g/cm3）、高熔点（1287℃）、高比刚度、比强度，及优异的核性能、热性能与光学特性等优良性能，在核能等领域具有较高的应用价值。然而，铍自身存在价格昂贵、脆性、有毒等缺陷，极大的限制了其在工业上的大规模应用。同时，金属铍质脆、不易加工，难以制成复杂的结构件，这也极大限制了铍的应用范围。为了弥补金属铍的这一缺陷，早在上世纪六十年代，美国国家航空航天局就致力于开发塑性铍基材料，这也是开发铍铝合金的原因。铍铝合金继承并结合了金属铍的高强度和金属铝的高塑性，具有较好的韧性、易加工性，是一种独特的质轻、刚性、高阻尼性和高稳定性的材料。虽然，Be-Al合金的综合性能略逊于金属Be，但由于铍铝合金中Be含量的减少，使得材料原料成本大幅下降，加工性能显著提高。相比金属Be而言，Be-Al合金的应用领域非常灵活，在性能不是最突出要求的应用领域，Be-Al合金比金属Be本身更具竞争力。未来，Be-Al合金与金属Be将以既竞争又互补的形式发展。目前，Be-Al合金的生产方法主要有包括：粉末冶金法、精密铸造法和锻(挤)压成形法。不同制备方法制得的合金，其组织具有显著差异，导致合金的性能有所不同。其中，铸态合金的拉伸强度是最低的；而锻压态铍铝合金的拉伸强度和延伸率均有大幅度提高，其比铸造合金具有更好的力学性能。粉末冶金法制备的Be-Al合金的强度也有明显改善，不同的是，经冷等静压/挤压的铍铝合金的力学性能要明显优于热等静压态铍铝合金。其中，粉末冶金法制备铍铝合金的主要流程如下：在1350℃至约1450ºC的温度范围内，对金属铝和金属铍进行真空熔炼，以达到预合金化，之后利用高速惰性气体进行雾化冷却，得到预制的合金粉末；预合金粉经冷等静压至理论密度的约80%，再经热等静压成型，最后经挤压进一步提高密度，挤压温度通常为370-510ºC，从而得到铍铝合金。采用粉末冶金法制得的合金具有各向同性特性，但其生产工艺复杂，生产成本高。虽然粉末热等静压制备的铍铝合金性能较精密铸造要好，但精密铸造方法工艺简单、成本较低，并且能后生产粉末冶金法无法生产的结构复杂零部件，而这对于铍铝合金在航空航天上的应用十分重要。然而，Be和Al之间非常有限的溶解度使得这两种材料在凝固过程中相互分离，且Be和Al的熔点相差很大（Be为1287℃，Al为660℃），两者具有着很宽的固液两相区（凝固区间），这就引起了金属补缩的问题，也导致最终产品中的收缩缺陷和孔隙以及组织的宏观和微观偏析，因此，常规铸造方法难以得到性能良好的铍铝合金。针对该问题，目前普遍采用铍铝预合金化和粉末冶金、后续冷/热变形加工（轧制）及添加其它合金元素的方式，实现铍铝两相晶粒细化、提升综合性能的目的。但正如上所述，该法工艺复杂、成本很高，并且难以生产复杂结构部件，而合金仍易出现成分偏析。为此，迫切需要一种新的材料和/或方法，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对为了得到性能良好的铍铝合金，目前普遍采用铍铝预合金化和粉末冶金、后续冷/热变形加工（轧制）及添加其它合金元素的方式，实现铍铝两相晶粒细化、提升综合性能的目的，但该法工艺复杂、成本很高，且难以生产复杂结构部件，合金仍易出现成分偏析的问题，提供一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品。本专利技术提供一种新的铍铝-稀土合金的制备方法，该方法以金属铍、铝和稀土元素为原料，通过真空感应熔炼、预合金化、磁悬浮熔炼、重熔和快速冷却的结合，以及反应条件的合理调整，成功制备出组织细小均匀的非枝晶合金，该合金晶粒细小致密，力学性能高，成分偏析程度低，具备良好的塑性与加工成型性，具有较好的应用前景。同时，本专利技术的生产工艺简单，成本低，能够制备出复杂结构的部件，有效解决现有技术存在的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法，该方法采用包括如下质量百分比的组分作为原料：45~80%金属铍，10~45%铝，0.1~10%稀土元素，余量为杂质；其包括如下步骤：（1）按配比称取各组分，并将称取的稀土元素和部分金属铝放入真空感应熔炼炉的第一反应器内进行熔炼，铸造得到铝-稀土中间合金铸锭，其中，稀土元素在铝-稀土中间合金铸锭中所占的质量百分比为10~45%；（2）将步骤（1）制备的铝-稀土中间合金铸锭去氧化皮、冒口后，得到铝-稀土中间合金精料；（3）将步骤（2）制备的铝-稀土中间合金精料、称取的金属铍、剩余的金属铝放入真空感应熔炼炉内的第二反应器中，经过熔炼、保温、电磁搅拌后，将得到的熔液浇注至预热后的第一模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金；（4）将步骤（3）制备预合金化的铍铝-稀土合金去氧化皮、冒口后，在真空条件下利用磁悬浮熔炼法进行重熔，然后采用快速凝固的方式浇注至第二模具中，得到铍铝-稀土合金。所述步骤（1）中，第一反应器为氧化铝坩埚；熔炼的反应条件如下：真空感应熔炼炉内的真空度为1×10-2~1×10-4Pa，熔炼温度为800~1650℃，熔炼时间5~15分钟，浇注温度为740~1550℃。所述稀土元素为镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铒（Er）、钇（Y）、钪（Sc）、镱（Yb）、钕（Nd）、镥（Lu）中的一种或多种。所述金属铍的纯度高于98.0%，铝的纯度高于99.9%，稀土元素的纯度高于99%。所述步骤（1）中，金属铝的称取至为计算值的1.012~1.025倍。所述步骤（3）中，第一反应器为氧化铝坩埚或氧化铍坩埚。所述步骤（3）中，反应条件如下：真空感应熔炼炉的真空度为1×10-2~1×10-5Pa；熔炼温度为1150~1380℃，熔炼时间8~18分钟；保温温度为1140~1250℃，保温时间2~10分钟；浇注温度为1130~1230℃。所述步骤（3）中，第一模具为内表面具有氧化铝保护涂层的石墨模具。所述步骤（3）中，对第一模具进行预热是指在浇注前预先将模具加热至450~750℃。所述步骤（3）中，所述电磁搅拌是指采用交变旋转磁场、行波磁场或交变旋转与行波复合磁场进行搅拌。所述步骤（4）中，反应条件如下：真空度为1×10-2~1×10-5Pa，熔炼温度为1150~1300℃，熔炼时间5~10分钟，保温温度为1180~1250℃，保温时间2~5分钟，浇注温度为1150~1230℃。所述步骤（4）中，第二模具采用合金或通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物制备而成。所述第二模具为采用合金制备的中空模具，中空模具内设置有空腔；将重熔后的熔液浇注至第二模具中，通过向第二模具内的空腔注入冷却水的方式，对第二模具内的熔液进行快速冷却；或所述第二模具为采用通过失蜡法制备的熔模铸造用耐热氧化物制备而成；将第二模具预热至350~650℃后，将重熔后的熔液浇注至第二模具中，再将第二模具转移至冷却腔内进行快速冷却。采用前述方法制备的产品。针对前述问题，本专利技术提供一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法及其制备的产品。该合金采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型高性能铍铝‑稀土合金的制备方法，其特征在于，该方法采用包括如下质量百分比的组分作为原料：45~80%金属铍，10~45%铝，0.1~10%稀土元素，余量为杂质；其包括如下步骤：（1）按配比称取各组分，并将称取的稀土元素和部分金属铝放入真空感应熔炼炉的第一反应器内进行熔炼，铸造得到铝‑稀土中间合金铸锭，其中，稀土元素在铝‑稀土中间合金铸锭中所占的质量百分比为10~45%；（2）将步骤（1）制备的铝‑稀土中间合金铸锭去氧化皮、冒口后，得到铝‑稀土中间合金精料；（3）将步骤（2）制备的铝‑稀土中间合金精料、称取的金属铍、剩余的金属铝放入真空感应熔炼炉内的第二反应器中，经过熔炼、保温、电磁搅拌后，将得到的熔液浇注至预热后的第一模具中，得到预合金化的铍铝‑稀土合金；（4）将步骤（3）制备预合金化的铍铝‑稀土合金去氧化皮、冒口后，在真空条件下利用磁悬浮熔炼法进行重熔，然后采用快速凝固的方式浇注至第二模具中，得到铍铝‑稀土合金。

【技术特征摘要】
1.一种新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，该方法采用包括如下质量百分比的组分作为原料：45~80%金属铍，10~45%铝，0.1~10%稀土元素，余量为杂质；其包括如下步骤：（1）按配比称取各组分，并将称取的稀土元素和部分金属铝放入真空感应熔炼炉的第一反应器内进行熔炼，铸造得到铝-稀土中间合金铸锭，其中，稀土元素在铝-稀土中间合金铸锭中所占的质量百分比为10~45%；（2）将步骤（1）制备的铝-稀土中间合金铸锭去氧化皮、冒口后，得到铝-稀土中间合金精料；（3）将步骤（2）制备的铝-稀土中间合金精料、称取的金属铍、剩余的金属铝放入真空感应熔炼炉内的第二反应器中，经过熔炼、保温、电磁搅拌后，将得到的熔液浇注至预热后的第一模具中，得到预合金化的铍铝-稀土合金；（4）将步骤（3）制备预合金化的铍铝-稀土合金去氧化皮、冒口后，在真空条件下利用磁悬浮熔炼法进行重熔，然后采用快速凝固的方式浇注至第二模具中，得到铍铝-稀土合金。2.根据权利要求1所述新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，第一反应器为氧化铝坩埚；熔炼的反应条件如下：真空感应熔炼炉内的真空度为1×10-2~1×10-4Pa，熔炼温度为800~1650℃，熔炼时间5~15分钟，浇注温度为740~1550℃。3.根据权利要求1所述新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，金属铝的称取至为计算值的1.012~1.025倍。4.根据权利要求1-3任一项所述新型高性能铍铝-稀土合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，反应条件如下：真空感应熔炼炉的真空度为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：余良波，王晶，王震宏，董鲜峰，曲凤盛，王旻，周运洪，鲍永鑫，杨勋刚，周福印，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51