铍加工(beryllium fabrication)

用工业纯铍经粉末冶金制坯和塑性加工工艺生产铍材和铍合金材。铍以金属、合金和氧化物3种主要形式广泛应用于核能、火箭、导弹、宇航、电气、电子、仪表以及石油化工等工业和科技领域。其中金属铍及铍合金基本上是以工业铍为原料主要通过粉末冶金或熔铸方法形成坯料再经塑性加工制备成材的.

发展概述 金属铍和含铍合金的生产始于20世纪20年代，二次世界大战期间建设核反应堆的需求推动了铍工业的发展。从60年代中期起铍的应用开始扩展到航天和航空领域，成为公认的战略金属。铍材加工工艺研究经历了以下几个阶段：40年代初主要解决了铍的铸造和挤压工艺问题；1947年形成了以粉末冶金为主的工艺流程；70年代初掌握了微合金化的机理，并应用了冲击研磨、电解精炼、热等静压成形以及粉末预处理等工艺，从而使铍材的力学性能得到了明显的改善(延伸率由1％上升到3％～4％)。中国的铍加工工艺及铍材研制工作起步于1958年。70年代末至80年代初期具有国际先进水准的高通量材料试验反应堆用系列铍组件及导航仪表和空间应用铍材的研制成功，标志着中国铍加工基地的建成及具备了使国防工业及高科技产业用铍材立足国内的实力和水平.

铍的性能和用途 铍是轻稀有元素，具有以下一系列优异性能：(1)铍质轻，密度为1．847g／cm³，而弹性模量高达300000MPa，故铍的比刚度在金属中是最高的(见表1)，而比强度和微屈服强度也高(200MPa)，因而尺寸稳定性好。铍可以将测量和信息仪表的定位精度提高2～3倍，将在静力加压或拉伸负载下工作的管件桁架的刚度增加50％～100%，同时减轻其重量30％～40％。这是空间用材和精密仪器仪表用材的首选条件。

(2)铍具有金属中最高的比热值、轻金属中最高的熔点，同时导热性能良好，而且热膨胀系数较低，从而有利于热传导，使金属因受热应力引起的变形减到最小值。作为仪表的外壳可起到稳定温度、提高精度和增加仪表在试验温度条件下工作潜力的作用.

(3)铍对红外线的反射率高达98．5％，对x射线的透视率为95%，比铝大17倍。声波在铍内的传播速度比在钢等常规金属中大1倍。德拜温度比其他金属高2倍，而泊松比比其他金属低。这些都是超声波领域用材的希望性能.

(4)铍的热中子吸收截面小(0．009b)，而中子散射截面大(6．1b)，加之具有n2n反应能力，故在核领域有重要的价值.

(5)铍的结合能高，温度升高时力学性能变化缓慢，在250℃时延性增加很快(δ由1％～3％提高到6％～15％)、而强度则降低较慢(σ_b由330～510MPa减到300～430MPa)，故250℃时的综合力学性能优于室温下的力学性能。

(6)铍在空气中表面形成一层氧化保护膜，在低于760℃的温度下几乎不会腐蚀或氧化，只有在含氯离子和硫酸根离子水中会产生蚀坑.

铍的上述优异性能成为其特有应用领域的基础。但是铍有剧毒，吸入铍及其化合物的粉尘、蒸气会引发铍中毒。另外由于铍的独特电子结构，单晶胞的密堆比值(c/a=1．568)是所有密排六方晶体金属(hcp)中最小的；其滑移仅能沿基面方向进行，使延性受到限制。铍的提取制备工艺复杂，价格昂贵，铍的扩大应用因此受到影响。

铍的主要应用有：

(1)在核技术领域，作为核武器和材料试验反应堆、空间及舰艇以及中子活化分析用的小型反应堆反射层和慢化剂，作为启动反应堆用的中子源，核物理试验中轰击靶材料；

(2)在航天航空领域用作卫星天线、宇宙飞船的隔热蒙皮、导弹的头锥、电子屏蔽壳及间隔器、飞机的增强带、天线杆支撑基座以及制动器等；

(3)在精密仪器领域铍被确认为精密导航仪的基本结构材料，用来制作陀螺、加速度表、常平环、陀螺平台支座等；

(4)在光声学技术领域，铍箔用作X射线管的窗口材料，正比计数器和闪烁计数器的封窗材料以及X射线印刷和x射线能谱仪的护窗材料，用真空蒸镀法获得的5μm厚铍箔已用作扬声器的振动膜片，另外铍镜已被成功地用作资源、通讯和气象卫星的扫描系统和高速摄像机的转镜，并正在推广到飞机及坦克的红外电子光学系统中去；

(5)在合金制备领域，作为合金化元素是铍的主要应用形式之一，已研究过60多种元素与铍组成大量的二元系或三元系合金，但实际获得广泛工业应用的是铍铜、铍镍和铍铝合金等。铍的加入主要起提高强度、刚度、弹性和抗氧化性的作用.

制备工艺 常规应用的纯铍材实际上是一种含有氧化铍质点的弥散强化微合金，因铍铸锭晶粒粗大，力学性能很差(抗拉强度仅为20～150MPa，延伸率近于零)，除在要求高纯等特定场合应用铸锭及其加工产品外，铍材多以粉末冶金方法制备。粉末冶金方法制备的铍材中氧化铍的含量为1．0％～4．25％。氧化铍含量和晶粒度对材料的力学性能有重要的影响作用，铍材的晶粒细化可提高抗拉强度和延伸率。常用的不同等级铍材的性能列入表2.

粉末冶金 工业用铍基本上是以镁热还原氟化铍所得的铍珠为原料。熔盐电解法生产的铍鳞适于需要高纯铍的场合。铍珠需经真空熔炼提纯再铸成制粉用的坯锭。坯锭铣削加工成铍屑再制备成铍粉。制备铍粉可采用球磨法、圆盘磨法和冷流冲击粉碎法以及真空喷雾法。球磨法应用最早，现已主要用于废屑的回收；而喷雾法仍在开发阶段；实际采用的是圆盘磨法及冷流法。圆盘磨法是用衬铍磨盘的圆盘磨通过气流输送进行研磨，在保护气氛下制备铍粉。1967年后开始引入的冷流冲击制粉法是制粉工艺的重要发展，由于冲击时压降所形成的低温以及颗粒互相碰撞的粉碎机制，利用这种方法所得的铍粉氧含量较低，颗粒的形态近乎等轴，适于制备高性能的铍材。为了保证铍粉的纯度，用气流在管道内输送且气流速度超过10m／s时，管道的内壁尤其是弯角部位应衬铍。除了氧含量外，铍粉中的铁、硅、铝及镁的含量亦应认真控制。除特定级别的铍材外，应使铁的含量低于1000×10^-6，并控制铁和铝的原子比为l左右，以形成稳定的金属间化合物，防止铝在晶界的析出。粉末研磨后应经混合工序以获得均匀的成分，同时在混粉过程中除去0～5／μm的高杂质含量的微粉.

铍粉固结成形的方法主要有：

(1)真空热压法。是制备铍制品及提供塑性加工坯料的主要方法。多用石墨模具，真空度为0．05MPa，温度为1000～1100℃、压力在20MPa之内。工业生产的铍热压锭直径可达1800mm、重量达5t.

(2)热等静压法。是首先用于铍粉固结成形的新工艺，也是固结高纯铍粉使之达到接近理论密度的有效方法。可以将铍粉直接充填入软钢包套，经抽空、脱气处理和封焊之后进行热等静压；也可以先经冷等静压，然后再将冷压坯整形放入软钢包套中脱气封焊，进行热等静压。热等静压前的冷压坯或铍粉的真空加热脱气是至关重要的环节，应在600C和900℃在真空中分两段脱除吸附的气体和铍粉表面的化合物分解反应产生的氢气，否则会引起成形材料密度和性能的降低并导致在后续加热过程中的肿胀现象。铍热等静压工艺参数可选范围较宽，在700～1025℃和70～110MPa、1～3h保温条件下均可得到相对密度超过99％的材料，而常用的压力及加热条件为100MPa及1060～1095℃。由于热等静压温度低于热压温度，故所得之铍材具有细晶结构，性能也优于热压的同种材料，尤其是延伸率可由热压材的1．5％提高到4．9％，各向异性可降低一个数量级。另外由热等静压工艺开辟的近净形状成形方法为节约昂贵的铍原料创造了条件。目前利用热等静压工艺已可成形直径大于510mm、长度大于1020mm的各种异形工件.

(3)冷等静压一真空烧结法。冷等静压是铍粉预成形的通用手段。高于310MPa压力、成形的坯料可承受切削整形加工。在1200～1245℃下真空烧结成的坯料，相对密度可达97％～99％，强度接近标准级热压铍材。此法可用于制取形状比较复杂、各向同性好的产品.

(4)冷等静压一真空热压法，适用于长径比大、形状不复杂的产品，也适于氧含量高的细铍粉的固结成形.

塑性加工 铍粉固结成形的坯料可用常规的塑性加工手段加工成棒材、管材、箔材、丝材、锻件和各种型材。铍在450℃和800℃左右有两个塑性峰值区，分别叫做温加工区和热加工区。大变形量的作业宜在热加工区进行，以减少变形抗力。为防止氧化、改善加工件的应力分布状况和有利于防护，热加工时应将铍坯封焊在软钢包套之中。铍的挤压温度为850～1060℃，根据对材料性能的要求，挤压比可在12：1～40：1的区间选择。实际生产的铍挤压棒材的直径可达127mm。铍板是铍材的主要应用形式，可以制备(0．025×51×51)mm到(0．5×1220×4572)mm的各种规格。纵横交叉轧制工艺可以保证产品性能的均匀和稳定。包套坯料应在。780～800℃进行热轧；厚度小于1mm的板材多在330～540℃进行温轧，然后再冷轧至成品尺寸。厚度小于7．5μm的铍箔可用真空蒸镀工艺制备(见沉积箔材生产)。锻造可显著提高铍材的强度、塑性和疲劳寿命，多在600～750℃进行，可采用浸石墨乳的石棉纸作为锻造的润滑剂。仪表级铍材锻造后强度和延伸率分别由400MPa和1％提高到700MPa和15％。旋压是制取无缝薄壁铍圆筒或铍圆环的方法。铍丝的拉制工艺亦已成熟，可以制取直径0．025mm以上的各种铍丝.

切削加工 铍的切削性能与灰铸铁大体相当，机加工方法也基本相同。常规的金属切削方法以及硬质合金刀具均可适用于铍。也可采用电火花切害、电化铣削和化学铣削方法。铍对缺口敏感，各种铍的结构件(含力学性能试样)在切削加工后，均应进行化学铣削处理，以去除厚约0．1mm的损伤层。要求尺寸稳定的精密部件尚需进行消除应力的退火和冷热循环处理以确保组织的稳定.

连接粉末冶金铍制件不能使用熔焊连接。铸锭轧制的板材可用电子束焊。铍板之间的接合以及铍板与其他铍件或异质金属件的接合常用高强度环氧树脂粘接，也可用真空钎焊和机械连接方法.

表面处理铍在干燥的空气中会形成表面保护氧化膜，但在潮湿的环境中易在碳化铍夹杂处产生局部腐蚀，因此宜用铬酸盐溶液(25％KCr₂O₃+25％H₃PO₄+50％H₂O)浸渍处理。长期库存的铍件应涂防蚀剂(BerylCoatD)或用铝表面处理涂料(Iniclite)涂镀，以形成表面的铬酸盐转换膜，也可用非电解镀镍方法保护表面.

铍合金 总消耗量的70％以上的铍是以合金形式应用的，其中占主导地位的是铍铜合金，实际这是一种含铍为0．4％～2．7％的铜基时效硬化合金。由于具有良好的导电、导热、耐蚀、耐热冲击性以及高硬度、耐磨损性、无磁性、无火花等特点，铍铜合金被广泛用于制作电子、仪表中的开关、簧片、接插件、膜片；飞机及重型机械中的轴衬、轴承；水下电缆中继器以及无火花安全工具和外科手术器具等。另外铍铜在家电和日用工业的应用也在扩大。铍铝合金是美国于1961年开始研制的一种含铝25％～43％的铍基复合材料。以含38％铝的洛克合金(Lock—all0y LX一62)应用最广。它的比刚度仅次于铍，而加工性能优于铍，用于制作3马赫VF一12型飞机的腹翼以及导弹中的仪器隔架、计算机元件等。用熔模铸造法已成功地制成了铍铝合金整体陀螺平台及结构件，这是铍铝合金应用的重要方向。含2％铍的铍镍合金经固溶时效处理后具有高强度(σb1783．6MPa)、高硬度(HRC53)、高耐热性，工作温度可达455～483℃，并抗氧化，可用于使用条件比铍铜更严格的环境，如航空仪表上的自动导航元件、发条、继电器簧片、电传打字机簧片、植入人体的轻量心脏泵等.