Авиа

Архив рубрики «БЕРИЛЛИЙ И ЕГО СПЛАВЫ»

Заготовки из бериллия получают в основном методами порошковой металлур– гии. Свойства бериллия в большой мере определяются способом и условиями получения порошков, их дисперсностью- и методом компактирования. Формование заготовок осуществляют холодным прессованием порошков с последующим спеканием в вакууме при 1180—1220° С или горячим прессованием в графитовых прессформах в вакууме при температуре 1000—1200° С и давлении до 700 МПа."    •

Отливки из бериллия применяют крайне редко. Деформированные полуфабрикаты —прутки, трубы, как правило, получают горячим выдавливанием при 800— 1050° С или теплым при 400—500° С.

Ракетная техника — основной потребитель листового бериллия. Из него изготавливают панели обшивки, лонжероны, конусы, различные конструкции сложной конфигурации.

Листы бериллия высокой чистоты имеют предел прочности при растяжении, равный 80—90% прочности обычных листов, но их пластичность значительно выше. Она возрастает с .увеличением чистоты металла и с измельчением зерна. Прокатка и выдавление (экструзия) являются методами деформационной обработки бериллия. Выдавливание порошкового бериллия производят при 900—1070° С; в ряде случаев применяют тепловое выдавливание при 425—450° С.

В последнее время все большее внимание уделяют получению бериллиевой проволоки, которую можно использовать для армирования-композиционных материалов, изготовления антенн спутников, игл индикаторов точных приборов, звукоснимателей, проводников тока. При низких температурах (<200К) проволока из бериллия высокой чистоты имеет электропроводность, близкую к электропроводности меди и алюминия, и её можно применять в качестве проводов в различных криогенных преобразователях.

Высокое отношение модуля нормальной упругости к плотности бериллия позволяет снизить массу конструкций, имеющих высокую резонансную частоту собственных колебаний и относительно малую пучность вибраций при аэродинамическом возбуждении. Это — очень важное достоинство бериллия как материала для двигателестроения. В настоящее время изучается возможность использования бериллия в лопатках компрессора, дисках и переходниках. Однако необходимо иметь в виду, что для бериллия характерно низкое сопротивление

ударным нагрузкам. Попадание в компрессор при запуске двигателя мелких посторонних предметов может вызвать разрушение металла. В ракетной технике из бериллия изготавливают панели обшивки, секции верхних ступеней, промежуточные * отсеки, соединительные элементы, панели солнечных элементов, приборные стойки, мачты антенн.

Высокая теплоемкость бериллия позволяет применять его в качестве теплозащитных экранов, а сочетание ее с хорошей теплопроводностью и малой плотностью способствует использованию бериллия в. тормозных дисках.

Имеет отличительную особенность, связанную с тем, что бериллий в алюминии практически нерастворим, а в бериллии растворяется 4—5% А1. Поэтому в качестве основной фазы используется не твердый раствор, как это имеет место у большинства деформируемых сплавов, а механическая смесь фаз, сильно отличающихся по свойствам.

Сплавы Be—Al относятся к заэвтектическим и состоят из механической смеси двух фаз с резко выраженной разнородностью: твердой и прочной бериллиевой фазы, представляющей собой твёрдый раствор алюминия в бериллии, и пластичной с низкой прочностью алюминиевой фазы, которая обеспечивает пластичность сплавов (эвтектика практически состоит из чистого алюминия). Для нужд новой техники используют двойные сплавы с высоким содержанием бериллия, например сплав 76%Ве+24%А1, у которого 5 = 260 ГПа, а0,2 = 510 МПа, сгв = 620МПа и 6 = S%.

У подобных сплавов модуль   нормальной   упругости близок к Е чистого бериллия, но   пластичность   лучше. Пластичная алюминиевая фаза снижает концентрацию, напряжений у частиц бериллиевой фазы и препятствует образованию и развитию трещин. Из представленных зависимостей следует, что модуль нормальной упругости, являясь аддитивным свойством, определяемым как средняя арифметическая величина модулей упругости компонентов, входящих в состав сплава, резко возрастает с увеличением содержания бериллия.

К факторам, определяющим оптические свойства бериллиевых зеркал, относятся тип и содержание примесей, характеристики порошка, параметры процессов уплотнения и прессования, методы резания, шлифования, полирования и способы снятия остаточных напряжений.

Необходимо учитывать, что получение термически стабильного оптического материала обеспечивается только высокой изотропностью. Зеркала, полученные методами горячего изостатического прессования бериллия и холодного гидростатического .прессования с последующим спеканием, имеют в 3—5 раз лучшую термическую стабильность, чем при горячем прессовании.

Благодаря высоким значениям удельной прочности и удельной жесткости бериллий является ценным конструкционным материалом для авиационной и ракетной техники. Он перспективен в качестве ма-„ териала обшивки сверхскоростных самолетов. Однако следует учитывать, что из-за повышенной хрупкости и чувствительности к надрезу в условиях растягивающих напряжений бериллий применять нецелесообразно. Большая часть деталей самолетов работает в условиях сжимающих напряжений, поэтому многие детали могут быть изготовлены из бериллия. В опытном варианте из бериллия изготавливали крыло самолета, тяги управления, стабилизатор и др. Особенно выгодно применение бериллия в конструкциях самолетов со скоростями полета 2—3 М; экономия в массе может достигать здесь 30—40%.

В качестве легирующего элемента бериллий используют длительное время. Его вводят в небольших количествах (2—2,5%) в медные сплавы для получения бе-риллиевых бронз. При содержании в меди всего лишь 2% Be прочность повышается в 5—6 раз. Бериллиевая бронза в 2—3 раза более прочная и более упругая, чем все известные бронзы. Так, у бронзы марки БрБ2 сгв= 1250 МПа, сг0>2 = 900 МПа, 6 = 2%, Е= = 132 ГПа. Бериллиевые бронзы обладают превосходным комплексом механических, физических и антикоррозионных свойств и являются лучшим материалом для ответственных пружин, пружинящих деталей, упругих элементов в виде мембран и сильфонов.

Бериллиевые’сплавы — это сплавы на основе бериллия или на более сложной основе, в состав которых входит не менее 10—20% Be.

Создание бериллиевых сплавов с пластичной матрицей позволяет уменьшить один, из основных недостатков бериллия — низкую вязкость. Наибольший интерес в этом отношении представляют сплавы бериллия с алюминием— новый тип высокопрочных и одновременно высокомодульных сплавов.

Сплавы системы Be—Al представляют большой интерес как конструкционный материал благодаря их ценным свойствам: легкости, высокой жесткости, более вы-

сокой, чем у бериллия, технологической пластичности, способности прессоваться и прокатываться в тонкий лист при содержании <50—60% Be.

Существенно не уменьшается и после термической обработки, так как предпочтительная ориентация плоскостей сохраняется.

Повысить пластичность листов из бериллия можно перекрестной прокаткой в двух взаимно перпендикулярных направлениях с равными степенями деформации. При перекрестной прокатке плоскости базиса ориентированы в плоскости листа, свойства листа изотропны и    составляют:    ав<540  МПа;    а0,2^490  МПа;    6^

Большую пластичность имеет высокотемпературная модификация бериллия Вер с о. ц. к. решеткой, существующая в узком интервале температур (1250—1283° С). Легирование никелем, кобальтом, медью и серебром, стабилизируя модификацию Вер, позволяет расширить интервал существования решетки с большей пластичностью. Однако используя даже высокие скорости охлаждения, при комнатной температуре зафиксировать эту модификацию бериллия не удается.

Бериллий — один из лучших замедлителей и отражателей нейтронов: испытывая воздействие мощных нейтронных полей, он обладает достаточной стойкостью к облучению. Так, облучение быстрыми нейтронами не вызывает заметного изменения плотности, твердости, модуля нормальной упругости, электросопротивления и теплопроводности. Возрастание потока нейтронов приводит к небольшому увеличению твердости и уменьшению теплопроводности. При мощных потоках нейтронов прочностные свойства возрастают, пластичность снижается.

Бериллиевую проволоку получают путем выдавливания в оболочке (лучший материал для оболочки — никель) исходной заготовки из литого или порошкового металла с последующей протяжкой и волочением.

Механические свойства проволоки определяются качеством ее поверхности. После удаления оболочки поверхность проволоки грубая и неровная, и механические свойства ее невысокие. Обработка поверхности химической или электрической полировкой повышает свойства на 15—50%. Свойства бериллиевой проволоки диаметром 0,09 мм-могут достигать следующих значений: ств = =1350 МПа; ап.ц=300 МПа; ?=285 ГПа. . При обработке бериллия в ряде случаев применяют (вместо механического) химическое фрезерование. Стоимость механической обработки бериллия очень высока; она в 8 раз больше, чем обработка алюминия или титана.

Для соединения деталей из бериллия используют сварку вольфрамовым электродом в нейтральной атмосфере.

Обнадеживающие результаты дают попытки изготовления деталей из бериллия методом плазменного напыления, в результате чего отпадает необходимость в обработке и сварке бериллия. При повышенных температурах бериллиевые бронзы сохраняют достаточную прочность, а при пониженных их прочность и пластичность увеличиваются. Помимо высоких упругих свойств, прочности и твердости, материал для этих деталей должен обладать высокой стабильностью в процессе длительной эксплуатации. Удовлетворяя всем этим требованиям, бериллиевые бронзы находят достаточно широкое применение в точном приборостроении.

Происходит благодаря оки-сной пленке ВеО, располагающейся по границам. Так, при наличии в бериллии 2,5% ВеО рост зерен не имеет места при 1100° С в течение 29 ч, в то время как при содержании лишь 0,5% ВеО при тех же условиях испытания наблюдается более чем трехкратное увеличение размеров  зерен.

Размер зерна бериллия в большой степени определяется дисперсностью исходных порошков. Таким образом, путем рафинирования бериллия и измельчения его зерна характеристики пластичности можно несколько повысить.

Механические- свойства бериллия зависят и от текстуры деформации. У него наблюдается аномальное явление— плоскость базиса представляет собой единственную плоскость скольжения в решетке Г12. Прокат листа в одном направлении или выдавливание прутков приводит к ориентации плоскости базиса в направлении деформации (в направлении проката или параллельно оси выдавливания соответственно). Полученная в результате деформации текстура способствует большой анизотропии и улучшению свойств в направлении деформации. Материал приобретает как бы одномерную пластичность. Предел прочности выдавленных прутков в направлении, перпендикулярном их оси,   составляет   при

комнатной температуре 40—60% от величины в направлении оси, относительное удлинение — десятые доли процента, а ударная вязкость изменяется от 10—30 кДж/м2 вдоль оси до 5—7 кДж/м2 поперек нее.

Они зависят от способа получения и колеблются в следующих пределах: <г0,2=230-^680 МПа; ав = 300-^700 МПа- 6 = = 2-М6%.

Как указано выше, серьезным недостатком бериллия является низкая пластичность, малое сопротивление ударным нагрузкам и развитию трещин. При испытаниях на удар ударная вязкость составляет 10 кДж/м2, вязкость разрушения металла промышленных сортов   так-

же низкая — Kic=300-^700 Н/мм~3/2. По значению ударной вязкости и вязкости разрушения бериллий значительно уступает другим конструкционным материалам.

Причины низкой пластичности бериллия до конца не изучены, однако можно вполне определенно утверждать, что повышение чистоты по примесям и измельчение зерна сопровождается увеличением пластичности. Зонная плавка за восемь проходов обеспечивает получение бериллия высокой чистоты с  (по зарубежным данным).

С увеличением размеров зерен снижается прочность и пластичность. Так, у горячепрессованного бериллия при среднем размере зерна 10 мкм ав = 410 МПа, 6 = 3%; при увеличении размеров зерен до 60 мкм ав = 200 МПа. Ухудшение прочностных и пластических свойств при увеличении зерна требует предотвращения возможного укрупнения структуры при эксплуатации, термической обработке и технологических процессах.

Важным достижением ‘в области создания материалов, способных работать в зоне высоких температур, явилась разработка группы интерметаллических соединений бериллия с танталом, цирконием, гафнием и другими тугоплавкими элементами — так называемых бе-риллидов. Эти соединения обладают высокой температурой плавления и относительно малой плотностью (2720—5000 кг/м3). Например, бериллид тантала ТаВе^

имеет температуру плавления 1988° С, а бериллид циркония ZrBen 1982° С Рабочие температуры берриллидов на 40—50% выше, чем сплавов на основе никеля. При температуре 1650° С они могут работать в течение 10 ч. Бериллиды обладают высокой твердостью и стойкостью против окисления, превышающей стойкость карбидов бора, карбидов кремния, окислов алюминия и бериллия. К их недостаткам относится низкая пластичность, составляющая примерно 0,1%.

Из бериллидов получают различные мелкие изделия и детали типа профилей, прутков, труб, цилиндров. , Детали из бериллидов изготавливают горячим прессованием порошков, холодным прессованием и спеканием, точным литьем по выплавляемым моделям. Плотность изделий составляет 98—100% от теоретической. Бериллий и бериллиды используют в системах управления и наведения ракет, в гироскопах.

Бериллий является перспективным материалом для авиации, приборостроения, космической и атомной техники. Применение его позволяет существенно увеличить скорости полета, грузоподъемность, уменьшить массу конструкций летательных аппаратов, повысить точность навигационных приборов.

Одно из важнейших достоинств бериллия — сочетание крайне высокого модуля упругости с низкой плотностью. По значению плотности бериллий близок к магнию (1848 и 1740 кг /м3 соответственно), однако модуль упругости бериллия примерно в 7 раз больше, чем магния, и близок к модулю упругости молибдена, плотность которого составляет 10200 кг/м3.

На рис. 59 и 60 представлены значения модуля упругости и удельной жесткости для ряда металлов.

По значениям удельной прочности и удельной жесткости бериллий превосходит многие металлы. Он обладает высокой удельной теплоемкостью, тепло- и электропроводностью, относительно высокой коррозионной стойкостью. Важное достоинство бериллия — его высокая размерная стабильность, хорошее сопротивление износу, демпфирующая способность, близкая к нулю магнитная врсприимчи-вость, близость температурного коэффициента линейного расширения к данной характеристике стали и, как следствие, хорошая совместимость со сталями. Указанное сочетание свойств способствует использованию бериллия в точных приборах и устройствах, в кото-’ рых необходимо соединять разнородные металлы.

Однако  широкому   применению бериллия црепятствуют серьезные недостатки: низкие значения пластичности, ударной вязкости, значительная анизотропия механических свойств, токсичность и высокая стоимость. Поэтому бериллий целесообразно использовать в тех случаях, когда его ценные свойства проявляются наиболее эффективно.

Несмотря на недостатки, бериллий, безусловно, может быть отнесен к числу уникальных аэрокосмических материалов.

Позволяет использовать их в условиях более сложного напряженного состояния; они более изотропны; имеют большую вязкость, менее чувствительны к надрезу и поверхностным дефектам, имеют лучшие по сравнению с берил-’ лием технологические свойства и свариваемость.

По зарубежным данным, для деталей искусственного спутника Земли, работающих на сжатие, применяют сплав 69% Ве+31% А1, у которого ав=550 МПа, 6= =4,5% и ?"=214 ГПа. Соединение деталей из этого сплава выполняют клепкой, пайкой, склеиванием, диффузионной точечной сваркой.

Введение в систему Be—Al элементов, легирующих бериллиевую фазу, увеличивает различие в свойствах фаз и ухудшает комплекс свойств сплава. Введение.же легирующих элементов в пластичную алюминиевую фазу  способствует увеличению  прочности  и пластичности

обеих составляющих, и свойства сплава улучшаются. Поэтому, усложняя состав сплавов системы Be—А1, вводят элементы, которые могут растворяться только в алюминиевой составляющей. Эффект влияния подобного легирования весьма высок, прочность двойного сплава Be— А1 (содержащего 25% Be) может быть повышена в 1,5—2 раза, модуль нормальной упругости в 2—2,5 раза выше, чем у алюминия. Двухкомпонентные сплавы Be— А1 для улучшения комплекса механических свойств целесообразнее легировать магнием и серебром, упрочняющими пластическую фазу.

бериллия (концентрация магния в алюминиевом твер- -дом растворе оптимальна). По сравнению с двойными сплавами в сплавах Be— Al—Mg наблюдается дополнительное повышение модуля нормальной упругости на 15—30 ГПа, хотя у магния он значительно ниже, чем у алюминия  (Е    =45 ГПа), и

количество его в сплавах незначительно. У сплавов, содержащих 70—80% Be, ?=2204-250 ГПа; плотность Таких сплавов равна 2000 кг/м3. Подобные сплавы в зависимости от состава имеют модуль нормальной упругости, в 2—3 раза больший, чем высокопрочные алюминиевые сплавы, и относятся к высокомодульным.

Должна быть предельно жесткой и размерно стабильной. Низкая плотность в сочетаний с высоким модулем нормальной упругости, размерная стабильность, высокие значе-

ния теплопроводности, теплоемкости и совпадение температурного коэффициента линейного расширения бериллия и стали делают бериллий одним из лучших материалов гиростроения. Из него изготавливают ответственные детали гиростабилизированной платформы и собственно гироскопа. ‘Авиационные навигационные приборы с бе-риллиевыми гироскопами позволяют самолету приземлиться в любой заданной точке без помощи наземных навигационных служб.

Лучшую размерную стабильность и более высокое значение прецизионного предела упругости обеспечивает бериллий, прессованный из мелкого порошка с размером зерна 5 мкм и содержанием 5% ВеО.

Очень перспективно применение бериллия в зеркалах оптических приборов, используемых в космосе К этим приборам относятся оптические, инфракрасные развертывающиеся устройства и лазерная оптика.

Бериллий как материал зеркал космического назначения обеспечивает им необходимые свойства — низкую плотность, высокую жесткость и прочность, необходимую для уменьшения массы зеркал, размерную, конфигурационную и термическую стабильность, малый температурный коэффициент линейного расширения, хорошую теплопроводность и высокую отражательную способность. Так как отражательная поверхность зеркала может под дёи.твием собственной массы ухудшаться, необходимо во избежание их утолщения применять высокомодульные материалы с малой плотностью,, каковым и является бериллий.

Бериллиевую проволоку применяют при изготовлении композиционных материалов, в качестве матрицы для которых выбирают алюминий, титан, серебро и медь.-Эти композиции имеют высокие удельную прочность и жесткость.

По сравнению с композициями, армированными хрупкими волокнами бора, графита и карбида кремния, бе-риллиевые композиции обладают более высоким сопро- тивлением баллистическому удару, большей вязкостью и лучшей способностью к формоизменению при обработке давлением-

Применение бериллия и его сплавов

Бериллий, обладая высокой замедляющей способностью, малым сечением поглощения нейтронов, большим сечением их рассеяния и достаточной стойкостью в условиях облучения, является незаменимом материалом для замедлителей и отражателей нейтронов в атомных реакторах. Использование бериллия для отражателей способствует уменьшению размеров активной зоны, минимальным потерям нейтронов, более равномерному распределению их потока, увеличению мощности реактора, повышению рабочей температуры.

Вслед за использованием бериллия в атомной технике его начали применять в ииерциальных системах навигации для ракет, в военной авиации и на подводных лодках, позднее и в гражданской авиации. Бериллий используют в 90% всех выпускаемых гироскопах высшего класса.

Механические свойства изделий из бериллия колеблются в широких пределах и за-’ висят от чистоты металла, технологии производства, размеров зерен, степени анизотропии, скорости, испытания и других факторов.

Бериллий, относясь к легким* металлам, обладает чрезвычайно высоким модулем нормальной упругости, равным 310 ГПа. Эта величина до 500° С слабо зависит от температуры (рис. 60). Известно, что от модуля нормальной упругости зависит жесткость конструкции, а для многих изделий авиационной техники — это определяющее требование.

Высокие скорости полета приводят к повышению рабочих температур материала конструкции, а это сопровождается уменьшением модуля упругости. Поэтому в ряде случаев необходимо принимать специальные меры для повышения жесткости конструкций. При равных массовых характеристиках бериллий сопротивляется потере упругой устойчивости при сжатии в 3 раза лучше алюминиевых сплавов и в 5 раз лучше стали. Следует также’ иметь в виду, что благодаря сочетанию у бериллия малой плотности с высоким модулем нормальной упругости в деталях из бериллия практически отсутствуют резонансные колебания.

Также существенно увеличивается с ростом концентрации -бериллия, а легирование магнием  вызывает дополнительное повышение    прочности.

Сплавы системы Be—Al—Mg имеют более высокую пластичность, оцениваемую по удлинению, при концентрациях бериллия s^70%, а именно б = 10%- С увеличением концентраций бериллия >70% происходит одновременное понижение и прочности, и пластичности. В этом случае количество пластичной алюминиевой фазы недостаточно, и она перестает оказывать пластифицирующее, действие. Поэтому. сплавы с >70—75% Be не представляют практического интереса.

В последние годы разработаны сплавы системы Be— А1, дополнительно легированные магнием, растворяющимся только в алюминиевой фазе. Сплавы системы Be—Al—Mg имеют высокие механические свойства.

Растворимость магния в алюминиевой фазе уменьшается с увеличением содержания бериллия. Поэтому при низком содержании бериллия вводят большее количество магния. В сплавы с высоким содержанием бериллия (~90%) вводят 0,5—1% Mg. Упрочнение магнием высокопластичной алюминиевой фазы в концентрациях, не превышающих его предельную растворимость, положительно влияет на свойства сплавов системы Be—Al-При содержании магния выше его предельной растворимости образуется третья фаза с большой хрупкостью, ухудшающая свойства сплава.

На рис. 61, 62 приведены механические свойства двойных и тройных сплавов с различным содержанием

Бериллий — химический элемент с порядковым номером 4 в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Бериллий относится к редким металлам.

Бериллий обладает высокой энергией связи в кристаллической решетке, его температура плавления значительно выше, чем магния и алюминия, а рабочие температуры могут превышать температуры плавления этих металлов.

По удельной теплоемкости бериллий превосходит все другие металлы, она в четыре раза превышает теплоемкость стали и титана.

Теплопроводность бериллия приближается к теплопроводности алюминия; она в 4 и 8 раз выше, чем у стали и титана соответственно. Сочетание высокой теплоемкости и теплопроводности делает бериллий незаменимым теплозащитным материалом. Бериллий обладает достаточно высокой электропроводностью (более высокую электропроводность имеет лишь серебро, медь, золото и алюминий). При температуре жидкого воздуха бериллий

высокой чистоты проводит электрический ток в 10 раз лучше меди.

Химические свойства. Коррозионная стойкость бериллия на воздухе при комнатной температуре близка к стойкости алюминия. Малая склонность к окислению сохраняется до 600° С; выше 700° С коррозия становится заметной. Незначительна коррозия бериллия и в чистой воде.

Для повышения коррозионной стойкости бериллия можно применять защитное покрытие хромом, наносимое на промежуточный слой меди.

Преследуют, как правило, две цели: устранить хрупкость и повысить коррозионную стойкость. Наиболее обнадеживающие’ результаты по уменьшению склонности к хрупкому разрушению получены в системе Be—А1, обеспечивающей наличие пластичной фазы, однако максимальной пластичностью обладает бериллий высокой чистоты. Большинство легирующих элементов, образуя бериллиды, вызывает снижение пластичности.

Медь, никель, железо образуют с бериллием ограниченные твердые растворы; они упрочняют бериллий, но существенно снижают технологическую пластичность. Сплавы с этими элементами обладают более высокими значениями жаропрочности прецизионным пределом упругости.

К сплавам с повышенной жаропрочностью и коррозионной стойкостью в средах С02 и водяного пара относятся сплавы бериллия с 0,25—0,95% Са. Дополнительное легирование цирконием, ниобием, ванадием и титаном повышает их прочность.

В ряде случаев сплавы на основе бериллия представляют интерес как материал для работы в области повышенных температур. Для повышения жаропрочности в бериллий вводят примерно 0,5% Ni, который существенно увеличивает длительную прочность- Наибольшей известностью среди жаропрочных сплавов пользуются сплавы системы Be—ВеО, в которых содержание ВеО достигает 4%. Эти сплавы удовлетворительно работают в напряженном состоянии при 450—480° С. Введение ВеО усиливает эффект торможения дислокаций и повышает длительную прочность. Так, например, для сплава Ве+1%ВеО аюо =20 МПа; увеличение содержания ВеО до 3% вдвое повышает значение предела длительной прочности при прочих равных условиях — оJJJ = =45 МПа.