真空熱壓鈹材工業實踐中性能影響因素淺析

喬 鵬，李志年，王 蓓，李峰，王戰宏

（西北稀有金屬材料研究院，寧夏 石嘴山 753000）

鈹是重要的航空航天材料之一，同時由于其獨特優異的X射線穿透性能、低密度以及高比強度、高比剛度、高彈性模量和優良的熱性能等，被廣泛應用于核工業、導航和光學系統等領域[1]。真空熱壓鈹材已經被選定為ITER第一壁包層的保護材料，中國作為ITER的成員國之一，為保證ITER熱壓鈹材順利供貨，必須對真空熱壓鈹材制備影響因素展開研究[2-4]。

金屬鈹材料制備主要是采用冷熱等靜壓、真空熱壓等方法[5]。大多數學者在金屬鈹不同成分和制備方法的組織結構演變、物理力學性能和熱性能等方面做了大量工作[6-9]。這些研究工作主要聚焦在實驗室級別的制備和材料組織性能演變機理等方面，而對于從工業生產角度及生產操作要點方面的探討相對較少，本文從真空熱壓鈹材的工業生產實踐出發，研究了粉末脫氣工藝、裝配模技術和徑高比對真空熱壓鈹材性能的影響。

1 實驗

采用流化床式氣流粉碎機得到近半球形粉末，粉末的化學成分見表1，平均粉末粒徑為8um～9um。采用國產真空熱壓機壓制，壓制模具采用經過特殊防脫設計的石墨模具（由于常規的依靠陰模和陽模間摩擦力支撐模具保持相對位置的方式無法滿足雙向壓制要求），按要求裝配后裝爐進行壓制工藝，在真空壓制工藝過程中加入200℃和700℃保溫脫氣工藝，待真空達到一定水平后再繼續進行壓制工藝，以脫去粉末中帶入的N、H、O等有害氣體雜質。

2 結果與討論

2.1 粉末脫氣

實驗采用流化床式氣流粉碎機制得的近半球形金屬鈹粉，由于鈹粉末在氣流沖擊研磨過程中和大氣直接接觸且粉末本身比表面積大，其表面會吸附大量的H2O、N2、O2等氣體雜質，這些氣體對真空熱壓后坯料性能有不利影響。如果采用先脫氣后裝粉的方式，由于脫氣工藝完成后無法做到密閉裝粉，粉末和大氣接觸后會重新吸附氣體和水氣，且鈹毒性較大不利防護，操作成本較高，故脫氣工藝和壓制工藝合二為一，采用先裝粉后脫氣的工藝過程，裝粉配模完成后，在真空氣氛下，對模腔內粉末先實施脫氣工藝再進行壓制工藝。

由表2可以看出，脫氣工藝后粉末中的氣體雜質元素N、H、O有明顯降低，說明脫氣工藝對粉末的氣體雜質有非常明顯的去除效果。由圖1看出經脫氣粉末熱壓后晶粒均勻分布，尺寸正常且無明顯異常。

2.2 配模技術

常規石墨模壓配模時下沖頭與陰模配合較緊，利用摩擦力支撐全套模具重量，以防止壓制前期陰陽模發生相對位移。配合過松，壓制前期會發生相對位移，造成單向壓制影響坯料性能，甚至會造成粉末從模腔里溢出造成壓制失??；配合過緊，會增加壓制過程中的阻力同樣會造成單向壓制影響坯料性能；模具配合過松過緊都會造成一定程度的單向壓制。尤其是產品尺寸越大，模具越重，配模是否合適對壓制的影響會越大。為此，為從根本上解決配模問題，需要對壓制模具進行特殊的防脫設計來杜絕單向壓制，保證壓制坯料的質量。

2.3 徑高比

由圖1和圖2可以看出徑高比越接近1:1，橫向和縱向的延伸率拉伸強度越接近，徑高比越大兩者差值越大，即鈹材的力學性能不均勻性隨著徑高比的增加而增加。當徑高比為4以下時，樣品本身橫向縱向的拉伸強度和延伸率基本不變；當徑高比為4以上時，橫向縱向拉伸強度和延伸率均有所提升，且橫向的拉伸強度和延伸率均高于縱向的拉伸強度和延伸率。

3 結論

（1）脫氣工藝對去除粉末中N、H、O等氣體雜質有較好的效果，有利于真空熱壓鈹材整體的物理力學性能。

（2）為解決鈹材壓制過程中傳統模具設計容易造成粉末溢出或單向壓制的問題，可采用特殊的防脫模設計模具保證壓制的質量。

（3）拉伸強度和延伸率橫向縱向均勻性隨徑高比的增加而降低；徑高比接近1:1時坯料各向同性性好，在徑高比高于4，橫向縱向的拉伸強度和延伸率均有所提升，但橫向縱向的力學性能不均勻性增加，橫向性能比縱向性能優。

表1 真空熱壓前后鈹材成分表

表2 脫氣處理前后鈹粉成分表

圖1 經脫氣鈹粉末熱壓后金相照片

圖2 鈹材不同徑高比拉伸強度

圖3 鈹材不同徑高比延伸率