一种高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法及其产品与应用技术

本发明专利技术公开了一种高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法及其产品与应用，该方法包括以下步骤：将等静压铍材依次进行锻造前高温退火、四级动态再结晶锻造、锻造后稳定化处理后，得到高微屈服强度和高延伸率的铍材。本发明专利技术通过锻造前高温退火、四级动态再结晶锻造、锻造后稳定化处理的方法可以明显提高铍材的组织均匀化，细化晶粒，并消除材料残余应力，提高铍材稳定性。本发明专利技术处理后铍材的微屈服强度从30

【技术实现步骤摘要】
一种高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法及其产品与应用


[0001]本专利技术属于粉末冶金材料加工领域，具体涉及一种高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法及其产品与应用。

技术介绍

[0002]铍材是一种战略性和关键性材料，具有众多独特优异的性能，主要表现为：在所有金属中比刚度最大，比热容最大，导热性能最好，热中子截面散射最大，轻金属中熔点最高。由于以上特性，铍材普遍应用于高尖端领域，如核反应堆的反射层、减速器，攻击型核潜艇、战略轰炸机等战略武器的惯导系统，美国新一代韦伯太空望远镜等科技装备，火箭控制舱壳、宇宙飞船外盖板、卫星安装架等航空航天系统。
[0003]虽然铍材具备众多优异的性能，但其延伸率低限制了其作为结构材料的应用发展。铍材是密排六方结构(HCP)，室温时4个滑移系，易基面解理，延伸率较低，室温时表现为脆性特征；由于低塑性，在加工和成型过程中易发生断裂、机械损伤，且加工残余应力演化规律复杂；铍材的微屈服强度受晶粒尺寸、初始织构等内在微结构因素影响，在拉伸、压缩之间力学性能有明显不对称性。铍材的脆性、低塑性、难加工、低微屈服强度等特性难以保障其作为航空航天结构部件的稳定性和服役寿命。
[0004]塑性变形是一种通过改善组织结构来提高材料力学性能的有效方法。大量研究表明，通过挤压、轧制、锻造等压力加工方法可显著细化材料晶粒，提高其强度和塑性。对于粉末冶金铍材而言，塑性变形方法提高铍材延伸率、微屈服强度具有很大的发展潜力。其中，多级锻造技术具有强大的细化晶粒的能力，在工艺中，作用于材料上的真应变很大，材料在形变过程中，受到变化的轴向外加载荷作用，产生剧烈的塑性变形，配合温度条件下的再结晶过程，达到细化晶粒、改善低塑性、提高微屈服强度的效果。
[0005]目前，去应力退火、固溶时效处理、冷热循环处理是铍材调控的传统方法。通过将材料加热到一定温度进行一定时间保温进行固溶、时效、去应力，或在一定温度范围内冷热循环，可以在一定程度上消除残余应力，稳定杂质元素和杂质相，但由于铍在1250℃以下不发生相变，且杂质元素含量较少的特点，因此采用单一或复合的去应力退火处理、冷热循环处理、高温固溶、时效处理等方法不会引发析出相强化、细晶强化、形变强化等机制从而提高微屈服强度，也不能改善铍密排六方结构决定的低塑性、低延伸率。
[0006]因此，研究一种提高铍材微屈服强度和延伸率的方法，成为本领域的亟需。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法及其产品与应用，本专利技术的方法可以制备出组织均匀、晶粒细化、高微屈服强度和高延伸率的铍材，从而实现铍材在制备航空、海装、核反应堆等结构部件中的应用。
[0008]本专利技术这种高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法，包括以下步骤：将等静
压铍材依次进行锻造前高温退火、四级动态再结晶锻造、锻造后稳定化处理后，得到高微屈服强度和高延伸率的铍材。
[0009]所述锻造前高温退火的具体步骤为：通过等静压将铍材压制成方坯，接着加热至退火温度，保温，随炉冷却至第一级锻造温度，得到高温退火处理后的铍材，准备进行锻造。
[0010]所述退火温度为1000～1100℃，保温时间为30～60min，第一级锻造温度为700～800℃。
[0011]所述四级动态再结晶锻造的具体步骤为：一级锻造：将高温退火处理后的铍材随炉冷却至第一级锻造温度，接着对方坯的三个方向进行锻造；直至三个方向的变形量大于或等于15％；二级锻造：在第二级锻造温度下，对方坯的两个方向进行锻造，直至两个方向的变形量大于或等于20％；三级锻造：在第三级锻造温度下，对二级锻造中的未锻造的一个方向进行锻造，直至变形量大于或等于15％；四级锻造：在第四级锻造温度下，依次对方坯的三个方向进行锻造，直至三个方向的变形量大于或等于10％。
[0012]所述第一级锻造温度为700～800℃，第二级锻造温度为700～800℃，第三级锻造温度为800～900℃，第四级锻造温度为900～1000℃。
[0013]所述稳定化处理的具体步骤为：将铍材在0～
‑
196℃快速循环，即在
‑
196℃液氮保温5～30min，取出放入0℃冰水混合物保温5～30min，循环3～10周次；最后加热至200～300℃，保温12～24h，最后随炉冷却至室温。
[0014]根据上述的制备方法制备得到高微屈服强度和高延伸率的铍材。
[0015]所述的高微屈服强度和高延伸率的铍材在制备航空、海装、核反应堆的结构部件中的应用。
[0016]原理和优势
[0017]采用常规的去应力退火处理、冷热循环处理仅能消除铍材的部分残余应力，而采用高温固溶处理和高温时效可以稳定铍材的杂质元素和杂质相，但会粗化晶粒，并在冷却过程中叠加残余应力。因此单独采用去应力退火、冷热循环、高温固溶、高温时效等方法均不能达到提高铍材微屈服强度和延伸率的目的。
[0018]本专利技术在锻造前进行高温退火处理十分重要，去除高温退火步骤或降低退火温度和保温时间将导致铍材软化效果不够，不能承受足够的锻造变形量，在四级动态再结晶锻造过程中出现开裂现象；而过高的温度和保温时间将导致铍材出现粗晶或混晶等局部组织不均匀，甚至出现过烧过热现象，这种不合理的高温退火均将导致铍材在锻造过程中变形不均匀，进而导致组织不均匀，达不到使铍材的微屈服强度与延伸率大幅度提高的目的。将铍材加热至1000～1100℃并保温30～60min，一方面，使铍材温度均匀，部分消除等静压过程引入的压应力，改善可变形性，便于锻造加工；另一方面，晶粒部分长大，晶界数量减少，对位错的阻碍以及对变形的约束能力变小，从而使铍材的屈服点下降，提高锻造变形量。
[0019]总体上，四级动态再结晶锻造变形实现粗大原始晶粒大范围破碎，通过再结晶进一步细化晶粒，释放应力，在一定程度上改善宏观偏析、焊合内部孔隙、得到合理的纤维方向分布、提高材料致密度。采用不同道次锻造量对铍材进行变形，由于晶内滑移的作用，原始晶粒沿锻造方向压缩、破碎，并随着锻造变形量的增大，较粗大晶粒再次被破碎，越来越多细小的破碎晶粒开始出现，促使晶粒尺寸变得更加均匀，同时，晶粒内产生越来越多的位错并发生缠绕，亚晶界明显增多。其次，控制单次锻造变形率，平衡变形与再结晶过程，避免
单次锻造出现局部锻造情况，获得更均匀的晶粒组织；结合动态回复和再结晶释放内应力，在一定程度上降低加工硬化，避免到一定变形量后会出现开裂现象。然后，通过对三个方向进行锻造，确定最容易变形的方向进行锻造，直至其变形量满足要求，同时对另外两个方向需要进行锻造为内部提供均匀受力，保证结构应力减少。多道次的反复锻造解决了组织均匀性问题，避免出现较多的变形死区、层状结构、片状粗晶的问题。最后，锻造温度随道次升高，一方面，锻造后期，加工硬化积累严重，升高温度使铍材由动态再结晶引发的软化程度略大于由形变产生的加工硬化程度，回复再结晶驱动力增大，位错密度减小，塑性相应提高，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法，包括以下步骤：将等静压铍材依次进行锻造前高温退火、四级动态再结晶锻造、锻造后稳定化处理后，得到高微屈服强度和高延伸率的铍材。2.根据权利要求1所述的高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法，其特征在于，所述锻造前高温退火的具体步骤为：通过等静压将铍材压制成方坯，接着加热至退火温度，保温，随炉冷却至第一级锻造温度，得到高温退火处理后的铍材，准备进行锻造。3.根据权利要求2所述的高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法，其特征在于，所述退火温度为1000～1100℃，保温时间为30～60min，第一级锻造温度为700～800℃。4.根据权利要求1所述的高微屈服强度和高延伸率的铍材的制备方法，其特征在于，所述四级动态再结晶锻造的具体步骤为：一级锻造：将高温退火处理后的铍材随炉冷却至第一级锻造温度，接着对方坯的三个方向进行锻造；直至三个方向的变形量大于或等于15％；二级锻造：在第二级锻造温度下，对方坯的两个方向进行锻造，直至两个方向的变形量大于或等于20％；三级锻造：在第三级锻造温度下，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小军，肖来荣，任鹏禾，蔡圳阳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：