5.1 Сплави на основі берилію

Більшість елементів або зовсім не розчиняються в гратці Ве або мають незначну розчинність. З більшістю елементів берилій взаємодіє за евтектичною реакцією або за перитектичною реакцію з утворенням проміжних фаз. Помітну розчинність в гратці Ве мають Co, Ni, Cu, Ag, Fe, але із зниженням температури розчинність цих елементів в гратці Ве зменшується, внаслідок чого відбувається виділення з твердого розчину частинок хімічних сполук, які призводять до окрихчення Ве.

Найбільш перспективними сплавами на основі системи Be-Al (діаграма стану наведена на рис. 5.2) є сплави з 20…40%Al. Особливістю діаграми Al-Be є відсутність взаємної розчинності компонентів один в одному та наявність евтектики, що складається з майже чистого Al із незначною кількістю вкраплень Ве і характеризується високою пластичністю. Сплави системи Be-Al мають двофазну структуру: м’яка пластична евтектика (Al+Be) та крихкі, доволі тверді частинки Ве. Завдяки пластичній матриці знижується концентрація напружень біля частинок Ве, що зменшує вірогідність утворення тріщин та підвищує пластичність і ударну в’язкість сплавів системи Be-Al. Сплави системи Be-Al характеризуються високими механічними (рис.5.3) та технологічними властивостями. Чим більше в сплавах Ве, тим вище їх міцність та жорсткість.

Легуванням можна підвищити механічні властивості сплавів системи Be-Al. Оскільки більшість легувальних елементів з Ве утворює хімічні сполуки, то сплави Be-Al легують елементами, які розчиняються в гратці Al (в межах граничної розчинності) і не взаємодіють з Ве. При цьому структура легованих Be-Al сплавів повинна залишитись незмінною: евтектика (Al + Be) + Ве, де фаза Ве практично не змінюється, а фаза Al уявляє собою зміцнений твердий розчин заміщення, який зберігає доволі високу пластичність. Легувальні елементи, які відповідають цим вимогам: Mg, Zn.

Вплив Mg на механічні властивості сплавів системи Be-Al-Mg наведено на рис.5.4. Сплави системи Be-Al-Mg при однаковому вмісті Ве суттєво перевищують за міцністю та жорсткістю подвійні Be-Al сплави. Так, при 20%Ве міцність сплавів системи Be-Al-Mg в 3 рази вища порівняно із сплавами системи Al-Ве, а при 30% – в 2,5 рази. Одночасно зростають показники жорсткості та пластичності.

Рисунок 5.2 – Діаграма стану системи Al-Ве [13]

Рисунок 5.3 – Залежність механічних властивостей сплавів системи Al-Ве від вмісту Ве [13]

.

Рисунок 5.4 – Механічні властивості сплавів систем Be-Al-Mg (1)

та Be-Al (2) [13]

Сплави системи Be-Al-Mg з вмістом Ве від 30 до 70% перевершують алюмінієві, титанові сплави та сталі за показником питомого модуля пружності в 2…3 рази та більше (табл.5.4).

Таблиця 5.4 – Модуль пружності сплавів системи Be-Al-Mg та промислових конструкційних сплавів [13]

Сплав	, г/см3	Е, ГПа	(Е/)10-7, м
Сталь	7,85	205	2,65
В95	2,85	72	2,56
Д16	2,78	70	2,56
ВТ16	4,52	105	2,33
АБМ-3	2,05	220	10,5
АБМ-4	2,25	160	7,04
АБМ-1	2,35	135	5,7

Примітка: сплави АБМ – сплави системи Be-Al-Mg. Маркування сплавів буквено-цифрове: А – алюміній, Б – берилій, М – магній; цифри – умовний номер марки. Хімічний склад сплавів наведено в табл.5.7.

Для покращення ливарних властивостей сплави системи Be-Al-Mg легують міддю, що дозволяє отримувати відливки складної конфігурації та з тонкостінними перерізами. Крім того, мідь зміцнює Al розчиняючись в його гратці. Недолік легування міддю: мідь розчиняється в гратці Ве та призводить до погіршення механічних властивостей, особливо пластичності (рис.5.5).

а – сплав з 30% Ве; б – сплав з 50% Ве

Рисунок 5.5 – Вплив Mg та Cu на механічні властивості сплавів

системи Be-Al [13]

Оскільки температура плавлення Ве набагато перевищує температуру плавлення Al, то при кристалізації сплавів системи Be-Al з рідкої фази, яка дотикається стінок виливниці, кристалізується Ве, в самому розплаві формується розвинутий трьохмірний силовий берилієвий каркас, алюміній збагачує області між осями дендритів цього каркасу і затвердіває, віддаючи тепло кристалізації в елементи каркасу. Таким чином, малі об’єми алюмінію затвердівають оточені вже сформованим берилієвим каркасом. Затвердівання алюмінію може проходити з дуже високою швидкістю (з більшою ніж при охолодженні алюмінієвих гранул у воді), таке охолодження дозволяє легувати алюміній елементами в концентраціях більших за граничну розчинність в рівноважному стані та отримувати структури, які відповідають нерівноважним умовам кристалізації. Введення в Be-Al розплав гетерогенних центрів кристалізації, поверхнево-активних елементів дозволяє керувати морфологією, дисперсністю та швидкістю росту берилієвого каркасу [14].

Таким чином зливки із сплавів системи Be-Al є легкими металевими литими композиційними матеріалами (КМ). Ці сплави вдало поєднують високу пластичність алюмінію та міцність Ве. Для сплавів характерна добра здатність до деформації, низька чутливість до надрізу.

Хімічний склад ливарних берилієвих сплавів (ЛБС) наведено в табл.5.5.

Таблиця 5.5 – Хімічний склад (%, Ве – основа) ливарних берилієвих сплавів [13]

Марка сплаву	Al	Ni	Mg	Cu	Zr, Sc, Y, Gd, РЗМ	Домішки, не більше
						Si	Fe	Mn	Ti	O2
ЛБС-1	24…34	3…6	-	-	0,06…0,21*	0,1	0,15	0,1	0,05	0,1
ЛБС-2	36…24	3,5…4,5	0,6…0,8	-	0,03…0,12**	0,1	0,15	0,1	0,05	0,1
ЛБС-3	30…34	-	0,1…0,6	6…8	0,05…0,1	0,1	0,15	-	-	0,1

Примітка. Принцип маркування: буква Л – ливарний, Б – берилій, С – сплав; цифри – номер марки. * Допускається введення тільки Zr, Sc. ** Допускається введення тільки одного або декілька елементів Sc, Zr, La, Pr, Nd при вмісті: мінімальному — 0,01 %, максимальному — 0,08 % будь-якого.

Механічні властивості сплавів ЛБС наведено в табл.5.6.

Деформівні напівфабрикати із сплавів на основі системи Be-Al мають структуру, яка характерна для КМ, але на відміну від КМ одержана не механічним з’єднанням елементів композиції, а внаслідок пластичної деформації дендритної структури, отриманої при кристалізації.

Хімічний склад деформівних сплавів системи Al-Be-Mg наведено в табл.5.7.

Типові механічні властивості та густина сплавів системи Al-Be-Mg наведено в табл.5.8.

Таблиця 5.6 – Механічні властивості ливарних берилієвих сплавів [13]

Властивості	Марка сплаву
	ЛБС-1	ЛБС-2	ЛБС-3
σв, МПа	220…250	250…320	270…280
σ0,2, МПа	180…220	220…270	250…270
δ, %	2…3	2…3	1,1…1,3
ψ, %	2…3	2…3,5	-
KCU, МДж/м2	0,025…0,035	0,033…0,040	0,025…0,045
E, ГПа	200	200	200

Таблиця 5.7 – Хімічний склад деформівних берилієвих сплавів системи Al-Be-Mg (Al – решта), % [13]

Марка сплаву	Ве	Mg	Ti	Домішки, %			Сума
				Fe	Si	Ni
АБМ-1	28…32	4,2…5,5	-	0,2	0,1	0,1	0,5
АБМ-2	18…22	7,0…8,0	-	0,2	0,2	-	0,5
АБМ-3	67…72	1,5…2,5	-	0,2	0,2	0,1	0,5
АБМ-4	43…47	2,8…4,0	0,01…0,04	0,07	0,05	0,03	0,5
АБМ-40-3	За хімічним складом близький до АБМ-4

Таблиця 5.8 – Типові механічні властивості та густина сплавів системи Al-Be-Mg (деформований напівфабрикат) [13]

Марка сплаву	, г/см3	Е, ГПа	G, ГПа	в, МПа	0,2, МПа	, %	KCU, МДж/м2
АБМ-1	2,35	1335	47	430…500	250…300	11…20	0,15…0,30
АБМ-2	2,40	115	41,5	420…500	200…240	15…29	0,2…0,3
АБМ-3	2,05	210	97,8	550…620	380…480	7…12	0,09…0,16
АБМ-4	2,18	170	80	520…590	370…450	9…15	0,15…0,25

Для зняття нагартовки прокатні листи зі сплавів АБМ відпалюють за режимом: температура 380…420°С, тривалість 2 год., охолодження на повітрі.

Найбільший ефект зміцнення в сплавах на основі Al-Be спостерігається при одночасному легуванні Mg та Zn в межах їх граничної розчинності в гратці Al. При такому легуванні сплави системи Al-Be-Mg-Zn мають двофазну структуру: Al + Be. При більших концентраціях Mg та Zn можливе виділення крихких фаз  (Al₃Mg₂) та Т (Al₂Mg₃Zn₃), що призводить до різкого зниження пластичності та міцності.

При маркування сплавів системи Al-Be-Mg-Zn використовують наступне позначення: А – алюміній, Б – берилій, М – магній, Ц – цинк.

Найбільш розповсюджений сплав системи Al-Be-Mg-Zn – сплав АБМЦ. Хімічний склад сплаву, %: 18…22 Ве; 4,8…5,2 Mg; 1,8…2,2 Zn; 0,15 Fe; 0,15 Si; 0,1 Ni; Al – решта. Механічні властивості сплаву АБМЦ після термічної обробки (гартування 460° та штучне старіння 140°С, 16 год.): Е = 115 ГПа, _в = 570…670 МПа,  = 7…10%, KCU = 0,07 МДж/м².

Використання берилію. Берилій та його сплави економічно доцільно використовувати в ракетно-космічній, авіаційній, лазерній техніці, в телескопах, оптичних системах. Також Ве може використовуватися в атомній енергетиці (для виготовлення уповільнювачів та відбивачів для атомних реакторів).

Щоб зменшити поглинання рентгенівських променів спеціальні вікна для виходу променів в рентгенівських трубках виготовляють з Ве.

Берилій може використовуватися в деяких акустичних системах в якості джерела нейтронів.

Берилій та його сплави внаслідок високої питомої жорсткості та питомої короткотривалої міцності знайшли використання в авіаракетній техніці: елерони, фюзеляж, деталі кріплення, зварні відсіки, зварні паливні баки, обтічники надзвукових літаків, тяги керування, гальмівні диски літаків, носові конуси та оболонки ракет, камери згоряння та сопла ракетних двигунів (завдяки високій теплоємності та теплопровідності сопло витримує температури до 3000°С).

Висока теплоємність та теплопровідність в поєднанні з високою теплотою плавлення дозволило використати Ве в якості теплозахисних екранів космічних апаратів при входженні їх в щільні шари атмосфери. Також з Ве виготовляють антени космічних кораблів та супутників, рулі космічних апаратів, дзеркала оптичних телескопів, які встановлюються на космічних апаратах.

Берилій поєднує високу міцність з малою питомою вагою. Внаслідок малої ваги виникають менші відцентрові сили в деталях, які швидко обертаються. Менша інерційність дозволяє підтримувати або змінювати напрям обертання шляхом менших затрат енергії. Тому Ве використовується для виготовлення інерційних систем.

Деталі, виготовленні із дисперсного порошку Ве, не змінюють розміри з часом і їх використовують в гіроскопах систем орієнтації та стабілізації ракет, космічних кораблів та штучних супутників Землі.

Берилій також використовується в конструкції підводних човнів та торпед, що дозволяє збільшити глибину їх занурення.