專利名稱：含鈹?shù)匿X合金及其半固態(tài)加工的制作方法
本申請系申請日為1993年11月23日，申請?zhí)枮?8/156,356申請案的部分繼續(xù)申請，而該部分繼續(xù)申請為申請日為1991年10月2日，申請?zhí)枮?7/770,187申請案的繼續(xù)申請。
背景技術：
發(fā)明領域本發(fā)明涉及一種鈹及鋁之合金。詳言之，本發(fā)明描述一種制造含鈹鋁合金的方法以及將其形成有用的結構件產品的方法?，F(xiàn)有技術簡介鋁和鈹?shù)暮辖鹪诩夹g上為已知。比如在Cooper的專利1,254,987中，說明了將鋁加進鈹中來改善切削加工性能。Fenn的專利3,337,334說明并提出申請專利的Lockalloy商業(yè)化產品(由Lock-heed和Berylco在60年代發(fā)展的)，它是鋁基的合金，含有62重量百分比的鈹。
Lockalloy是制成片狀，并裝入YFA12實驗飛機的后機身下中(Duba，YF-12 Lockalloy腹翼計劃(YF-12 Lockalloy Ventral FinProgram)，最終報告，NASA CR-144971，1976)。在引進Lockalloy后，對含有62重量百分比鈹?shù)念A制鋁合金制成的軋制合金取得了廣泛的數(shù)據(jù)。比如，可參見London合金及復合物(Alloy and Compos-ites)，Beryllium Science and Technology，第2卷，Plenum出版社，紐約(New Yourk)(1979)。
文獻有將第二級及第三級元素加至鋁—鈹合金中的報道。如McCarthy的專利3,664,889所說明的，加入了鎂、硅、鎳或銀以制備鋁和鈹?shù)娜八脑辖?。這些合金是由迅速凝固的合金粉未用常規(guī)方式進行密致化和加工制成。俄國對三元或更多元鋁—鈹合金的研究，散見在Molchanova，600℃時在Al-Be-Ni系統(tǒng)的相平衡(Phase Equilibria in the Al-Be-Ni System at 620 Deg.C)，Vest.Mosk.Univ.Khim，，第27(3)卷，第266～271頁(1986)Ko-marov，用熱處理來增加Al-Be-Mg合金在熔焊接點的強度(In-creasing the Strength of Welded Joints in an Al-Be-Mg Alloy byHeat Treatment)，Weld，Prod.，第26(1)卷，第32～33頁(1979)；Kolachev，鋁鈹及鎂的結構合金(Constructional Alloys of alu-minum Beryllium and Magnesium)，Metalloved，Term.Obrad.Metal.，第13卷，第196～249頁(1980)；Nagorskaya，Al-Be-Mg-Zn四元系統(tǒng)合金中的結晶過程(Crystallization in Al-Be-Mg-ZnQuaternary System alloys)，Metalloved.Term.Obrad.Metal.，第9卷，第72～74頁(1973)中的說明。
通常要加入少量的鈹至富含鋁的合金中，以防止鋁和其它合金組分在像熔融和澆鑄的步驟中發(fā)生氧化。第一個例子有位在俄亥俄州(Ohio)，艾莫耳(Elmore)的Brush Wellman有限公司(BrushWellman Inc.)，它制造并銷售含有10％或不到鈹?shù)母缓X的母合金，供大批量生產廠家作進一步加工之用。下游鋁產品中的殘余鈹含量較少于0.01％。
最近的鋁—鈹相圖顯示出一個實際上在兩端都有固體溶解度的簡單低共熔物。摘自Murray所著鋁—鈹系統(tǒng)(The Aluminum-Beryllium System)，二元鈹合金的相圖，ASM國際的合金相圖專集(ASM International Monographs on Alloy Phase Diagrams)，第9頁(1987)的這個Al-Be相圖復制在本發(fā)明書的圖1中。
Brush Welllman已經對含有約1O至約75重量百分比鈹?shù)匿X合金進行了廣泛的研究，可參見Hashiguchi所著，供太空應用的鋁鈹合金(Aluminum Beryllium Alloys for Aero-Space Alllication)，歐洲太空總署結構材料會議(European Space Agency StructuralMaterials Conference)，阿母斯特丹(Amsterdam)(1992年3月)。他作的研究顯示，一個含有約62重量百分比鈹?shù)匿X合金相當于含有約70容積百分比的鈹，而50重量百分比鈹?shù)暮辖饎t相當于含有約59容積百分比的鈹。另外還發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)合金組合物的密度和彈性模數(shù)服從混合物原則，即通常有可能在純鈹和純鋁的性質之間作合金性質的內插。
Brush Wellman公司Elmore研究室的研究也顯示，可生產出大的鑄錠和預制合金噴霧細粉未的顆粒，其顯微組織是鈹在鋁基材中的金屬復合物。目前Brush Wellman是以商標名為AlBeMetTM的擠壓產品和沖壓薄板產品出售這些合金的。
目前所有已知制造含鈹鋁基合金的方法都需要完全熔化鋁及鈹?shù)脑?。鋁及鈹金屬進料在內襯有耐火材料之槽子中，在真空條件，充分高于1280℃(鈹?shù)娜埸c)的溫度下液化。然后熔體通常注成鑄錠或用惰氣霧化成預制合金粉。因為這些高溫治金方法相當昂貴，故需要一種較低溫度的方法，該方法隨后不需多少切削加痧以減少材料的切屑損失。
Brush Wellman使用了兩種均可適用的方法將AlBeMetTM加工為有用的零件。這兩個方法通常都需要在約1350至約1450℃的溫度范圍內，在有陶瓷內襯的耐火坩堝中對鋁和鈹?shù)钠鹗疾牧线M行真空熔煉。第一個可用的方法是令液化的鋁—鈹熔體經由耐火噴嘴傾出成一液流，然后被一高速噴射的惰性氣流所截交。惰性氣流使液流斷裂成細微的液滴，液滴然后固化形成預制的合金粉未。構成預制合金粉未的單個顆粒具有鋁合金基體中含有鈹相的非常細微的樹枝狀顯微結構。然后利用冷等靜壓制、熱等靜壓制或擠壓，使預制合金粉未固結生產出整體形狀件，接著可經切削加工形成有用的物件。
將AlBeMetTM加工形成有用零件的第二個可用的方法，是傳統(tǒng)的鑄錠澆注操作。它是將熔融的鋁—鈹合金倒進石墨模腔中，使之冷卻成直徑為6英時的固態(tài)鑄錠。該鑄件的顯微結構是在鋁合金基體中有相當粗大的樹枝狀鈹相。去除鑄件的保溫帽，將其表面刮凈，進一步壓延、擠壓或切削加工成最終的型件。
這兩類方法皆相當昂貴，故需要較便宜的凈成形方法。習用的金屬半固體加工或觸變成形法是利用在冷卻期間連續(xù)且劇烈攪拌加熱液化的金屬而得到的低表觀粘度。(這些方法一般敘述在Brown，Net-Shape Forming Via Semi-Solid Processing，Advanced Materi-als&Processes，第327-338頁，1993年1月)中。目前使用各式各樣的術語描述金屬半固體加工形成有用物件的方法，包括流變澆注，粉漿澆注，觸變鍛造及半固態(tài)鍛造。這些術語都各與半固態(tài)加工步驟或所用裝置類型的多樣性特征有關。
半固態(tài)加工開始是加熱金屬或諸種金屬至高于其液相線溫度形成熔融的金屬或合金，在其緩慢冷卻過程中，使用技術上已知的各式各樣方法在液化金屬中引入剪切力，在原位形成分散于熔體中的等軸顆粒。在此情況下，就說金屬處于“觸變的”或半固體的漿液狀態(tài)。觸變漿液的特點是它是非樹枝狀的顯微結構，且可相當容易地藉大量生產的設備進行操作，使過程自動化并精確控制，同時增加鑄造材料的產率。參照Kenney半固體金屬鑄造及鍛造，金屬手冊，第9版，第15卷，第327～338頁(1988)。
半固態(tài)金屬漿液的非樹枝狀顯微結構述于Flemings專利第3,902,544中。該專利對于本技術是有代表性的，其所述方法集中于進行緩慢冷卻期間的劇烈對流，以產生導致非樹枝狀顯微結構的等軸顆粒分散物等。還可參照Flemings金屬合金在半固態(tài)的行為，冶金會報，第22A卷，第957～981頁(1991)。
本揭示之前的公開文獻集中于研究使用高溫剪切的方法變形及破壞樹枝狀生長結構過程中所需力的大小。已經發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)合金顯示數(shù)百，甚至數(shù)千泊的粘度，視剪切速率而異(Kenney半固態(tài)金屬鑄造及鑄造，金屬手冊，第9版，第15卷，第327頁(1988)；而且發(fā)現(xiàn)連續(xù)冷卻時所測出的半固態(tài)的漿液粘度與所加剪切力有很強烈的函數(shù)關系，所測粘度隨剪切速率的增加而降低(Flemings金屬合金于半固態(tài)的行為，ASM News，第4～5頁，1991年9月)。
對于液化金屬進行攪拌，以后商業(yè)性開發(fā)了一些不同的方法，為的是在半固態(tài)漿液中達到基本上是球狀的或細晶粒顯微結構。已發(fā)展了兩種一般的處理途徑(1)流變澆注，在此方法中，漿液在分開的混合器中產生，然后輸送到模具中；(2)半固態(tài)煅造，它是在備有混合裝置的模具中鑄造出坯料，直接于模具中產生球狀顯微結構。
Winter專利第4,229,210號揭示了一種用分開的混合器，以電動力在冷卻著金屬中產生湍流運動的方法；而Winter專利第4,434,837及4,457,355號則揭示了一種裝有磁流體動力攪拌器的模具。
已發(fā)展了各式各樣在冷卻金屬中產生剪切力形成半固態(tài)漿液的攪拌或攪動方法。例如，Young專利第4,82,012號Dantzig專利第4,607,682號及Ashok專利第4,642,146號，這些專利都描述。一種在液化金屬中產生所需剪力的電磁攪拌裝置。產生所需剪切速率的機械攪拌在Kenney專利第4,771,818號，Gabathuler專利第5,186,236號及Collot專利第4,510,987號中均有敘述。
目前已知的半固態(tài)加工技術難以應用于含鈹?shù)匿X合金，因為預制合金材料需于負真空壓力條件下進行極高溫度的觸變加工。該高溫需要超過鈹?shù)娜埸c(1280℃)。
本說明書描述制造含鈹鋁合金所遇上述問題的解決辦法，并揭示金屬合金半固態(tài)加工的改進方法。發(fā)明目的本發(fā)明的目的系通過改進的半固態(tài)加工方法提供鈹含量為1～99重量％的鋁基實用合金。
本發(fā)明另一目的是通過改進的半固態(tài)加工方法提供鋁基實用合金，其較佳鈹含量最好為5～80重量％。
另一個目的是提供一種半固態(tài)加工法，它不需加熱至諸如鈹?shù)忍囟ń饘偎匾畼O高液相線溫度。
另一個目的是提供一種不需高溫真空熔煉的鋁—鈹合金近似凈形狀加工法。
另一個目的是提供一種鋁鈹合金之近似凈形狀加工法，它在低溫下使用非反應性氣氛保護鈹相防止不良的氧化。
另一個目的是提供一種半固態(tài)加工法，它不需要使用剪切力。
本發(fā)明另一個目的是提供一種鋁合金的改進半固態(tài)法，使用5至80重量％鈹粉，不需要完全液態(tài)金屬的加工。
另一個目的提供是一種可制造含明顯量鈹?shù)木軆粜螤钿X零件的方法。
另一個目的提供一種制造含5至80重量％鈹?shù)匿X基質合金精密零件的方法。
熟悉本金屬的人員在閱讀以下的說明，即可明了本發(fā)明的其他目的。發(fā)明概述本發(fā)明包括提供實用的含鈹鋁合金的方法以及制造含顯著量鈹?shù)膬粜螤钿X—鈹零件的裝置。本發(fā)明所用的“爭形狀”是描述極接近其最終形式的零件，即于最終應用前僅需極少量進一步切削加工的精密鑄件。
本說明描述一種分散于液體鋁或粉末鋁中的固體鈹顆粒的新穎用途，用以生產可進行半固態(tài)加工的含鈹鋁合金本發(fā)明申請的合金，(及對應零件)密度低于其他已知的鋁合金，彈性模量則接近鈹，且隨鈹含量的增加而增加，它隨組成的變化接近于鋁的1千萬psi和鈹?shù)那О偃fpsi的線性組合。
本發(fā)明合金可藉常用的錠塊冶金法或已知的霧化技術制得。然而，此處所述的方法可于低得多的溫度下更簡便地將液態(tài)或固態(tài)的鋁與固態(tài)顆粒鈹結合。添加固態(tài)鈹粒產生所需混合物并于特定低溫下將其分散于液態(tài)鋁或粉未鋁中，這是本發(fā)明獨家描述且申請的。下表列出各種本發(fā)明所制含鈹鋁合金的性質。
表I含鈹鋁合金性質的比較Be 密度模量 E/Rho CTE(重量％)(磅/英寸3)(百萬psi) (英寸×106) (英寸/°F×10-6)0 0.097 10.0 102.6 13.15 0.095 12.4 130.5 12.610 0.093 14.7 158.3 12.215 0.091 17.0 186.2 11.720 0.089 19.1 214.0 11.325 0.087 21.1 241.9 10.930 0.086 23.1 269.7 10.535 0.084 25.0 297.6 10.240 0.082 26.8 325.4 9.845 0.081 28.5 353.3 9.550 0.079 30.2 381.1 9.162 0.076 33.9 448.0 8.470 0.074 36.3 492.5 7.980 0.071 39.0 548.2 7.490 0.069 41.6 603.9 6.9100 0.067 44.0 659.7 6.4
因為原料是兩種粉末的混合物，而該兩種粉末在加工期間并無分離的明顯傾向，故用本發(fā)明方法制得含1至99重量％鈹及其余為鋁的合金組合物。
市面上需要彈性系數(shù)更高而密度較低的鋁基合金。如表1所示，得到由一個終端的鋁至另一終端鈹?shù)倪B續(xù)性質變化。例如，與鋁相比，每增加5％的鈹，約產生高25％的模量。
在一個實施方案中，較佳由液體鈹經霧化法制得的球形鈹粉與粉狀，片狀或其他粗分散形狀的鋁混合。在下列的一些實施例中。采用了熟悉本技術人員所知的惰氣霧化法，制得球形鈹粉。本發(fā)明的半固態(tài)加工法較佳使用霧化鈹粉，是因為其球形進行對改善成型時的流動性，且不易磨蝕所用設備表面都有好處。
其他制造鈹粉的方法敘述于Stonehouse不純物相分布，鈹科學技術，第1冊，第182～184頁(1979)中，也參考結合在本發(fā)明中。細磨鈹粉亦可與球形鈹粉一起使用，或取代球形鈹粉使用。細磨鈹粉一般經由憝悉本技術的人員所知的沖擊粉碎法如冷氣流法制得?，F(xiàn)有技術中有這些及其他粉碎鈹粉的標準方法可應用于本發(fā)明中?？蓞⒁奙arder輕金屬，金屬手冊，第9版，第7卷，第755～763頁(1984)Stonehouse鈹，ASM國際金屬手冊，第10版，第2卷，第683～687頁(1990)及Ferrra巖片狀鈹粉制法，聯(lián)合王國原子能管理機構備忘錄，第2卷，JOWOG22/M20(1984)，它們均參考結合本發(fā)明中。所有情況下的鈹原料皆由Brush Wellman提供。
工業(yè)純的鋁及鋁合金粉在加州Stockton的Valimet公司有售。適于本發(fā)明方法加工的特定鋁基合金，包括美國金屬學會的合金第1100，1300，2024，5056，6061，A356及A357號，它們的組成列于Boyer和Gail的鋁合金，ASM國際金屬手冊，1985案頭便覽版，表2，第6～24及6～25頁，及表3，第6～55頁，這些頁的內容也結合于本發(fā)明中。
在較佳實施例中，將球形鈹粉與鋁片屑混合物加熱至僅其鋁組份熔化的溫度(一般高于640℃)，產生鈹顆粒在液體鋁中的懸浮液。不需升高到極高溫度即可得到鋁與鈹?shù)陌牍虘B(tài)漿液，而不需在熔融液態(tài)金屬中引入外剪切力即可達到非樹枝狀鈹相顯微結構。這個方法可在保護性氣氛，一般為真空環(huán)境或非反應性氣體(諸如氬，氮或氦)中成功地得以進行。
圖2顯示了在約704℃真空熱壓鋁合金粉及等軸鈹粉所制鋁—鈹合金所需的非樹枝狀顯微結構的顯微照片。具有圖2結構的合金可用于需要現(xiàn)場固化制造零件的直接工程應用中，亦可再進行通常的金屬加工，包括后續(xù)的軋制，煅造或擠壓。
具有圖2結構的合金亦可用作前驅體，進行半固態(tài)加工制造凈形狀零件。圖3系顯示其顯微結構類似圖2的鋁—鈹合金經改進的半固態(tài)加工后所需結構的顯微照片。圖3微結構類似于圖2。此種改進的半固態(tài)法并不采用于固化引入剪切力。結構類似于圖3的觸變性混合物，使用經適當改進的擠壓或壓鑄設備進行了模壓或壓鑄。這些方法一般使用的設備類似于塑料用的射壓造型機。
通常的半固態(tài)加工法分成兩個主要操作即(1)產生初始顯微結構所需的原料制備步驟，(2)半固態(tài)成形步驟。與已知的半固態(tài)加工方法不同，本發(fā)明揭示的方法不需要原料制備步驟，因為開始使用兩種粉末組分加熱至高于僅其中一個組分固相線溫度可直接而且自動地獲得適當?shù)娘@微結構。
鈹在鋁中和鋁在鈹中的端際溶解度都極小。因此，通過本發(fā)明半固態(tài)加工法觸變形成的材料的加工溫度低于鋁鈹合金的液相線溫度。故可使用由較不復雜且相當便宜的工程材料來制造所用的設備，因為該設備不需承受熔化鈹所需的極高溫度(高于1280℃)。所選擇的加工溫度視漿液中固體材料的體積比例而定。漿液中固體的凈量包括加入的固體鈹量加上部分熔化后利下的固體鋁組分(若有的話)的量。這種新穎的觀念，使得在一般鋁制品所用的較低溫度下對鋁—鈹合金進行凈形狀半固態(tài)加工成可能。
有兩種眾所周知的半固態(tài)成形的方法，即(1)觸變鍛造，它是藉在密閉模中擠壓或藉柱塞推入金屬模腔中來成形合金工件的；(2)觸變鑄造，它是將半固態(tài)金屬藉旋轉螺旋進料行程輸送到金屬模腔中。如下列實施例所示，這兩種方法嵌可適用于本發(fā)明。


圖1是一張最近的鋁—鈹相圖。
圖2是表明本發(fā)明所制鋁鈹合金中等軸形態(tài)鈹相的顯微相片。
圖3是顯示其結構類似于圖2的鋁—鈹合金在改進的半固態(tài)加工后保留的等軸形態(tài)鈹?shù)娘@微照片。
圖4表面由本發(fā)明鋁—鈹合金制成的讀/寫頭組件。
圖5表示圖4組件中的凈形狀，單起動臂。作用于該臂上的力以向量表示。發(fā)明詳述進行了下列的實施例，制得加有鈹?shù)匿X合金凈形件。此種鋁—鈹合金使用原位(in situ)冷凍法或密閉模鍛造法由半固狀態(tài)制成近似凈形件的。這些實施例清楚地證明，添加固態(tài)鈹?shù)匿X基合金的觸變成形在不外加剪切力條件下是可行的。
開始試驗前，即裝置所有環(huán)境健康及安全設備，包括輔助的HEPAVAC通風設備。試驗及最后清潔操作期間，皆定期進行空氣中塵粒的計數(shù)。所有工作人員于試驗期間皆穿戴適當?shù)目諝鉃V罩及服裝。俄亥俄州Cleveland的Brush Wellman公司可提供進一步的安全細節(jié)。
Thixomolding是在美國專利第4,694,881，4,694,882及5,040,589中作了一般描述的半固態(tài)模壓法。每項專利皆供作本發(fā)明參考。如本發(fā)明說明書之背景部分所述，現(xiàn)有技術需要在基本上是液化金屬中施加剪切力，以產生必要的非樹枝狀顯微結構。在下述實施例的試驗中，所用的Thixomolding法的設備進行了改進，但不進行Thixomolding法中在液相線金屬中施加剪切力以產生非樹枝狀顯微結構的步驟。實施例1Al-Be合金半固態(tài)加工所用的原料可使用市售純鋁以外的鋁基合金提供制造本發(fā)明鋁—鈹合金所用的熔融相，也可用作本發(fā)明改進觸變的前驅體。選擇鋁合金需根據(jù)其與鈹?shù)南嗳菪?。此種相容性之一般特征是不含有會于半固態(tài)加工法所用的相當?shù)蜏囟认屡c鈹形成脆性或其它方面有害的金屬間化合物的元素。
有數(shù)種候選合金符合該相容性的要求，包括美國金屬學會的鋁合金第1100，1300，2024，5056，6061，A356及A357號?？蓞⒄誃oy-er鋁合金，ASM國際金屬手冊，1985案頭便覽，第6～24，6～25及6～55頁。此類合金的組成列于表II。
表II所選用鋁合金的標稱組成合金 元素AA No. Si Mg Cu Cr1100 ————0.12 ——6061 0.6 1.0 0.3 0.25056 ——5.0 —— 0.11350 —————— ——A356 7.0 0.3 —— ——A357 7.0 0.5 —— ——
例如，鋁合金粉末第6061號(肯塔基州Louisville和Reynolds鋁公司所售)與Brush Wellman所提供的沖擊式粉碎的等軸鈹粉混合。形成混合物在高于第6061號合金的固相線(約645℃)但大幅度低于鈹熔點的溫度下進行熱等靜壓壓制。
所形成的材料(例如)用作改進Thixomolding法的進料，產生精密零件。此原料所用的加工溫度介于645℃及700℃之間，故僅有其中的熔化。
如表II所示，第6061號鋁合金含有鎂、銅及鉻，在通常的完全熔融加工中所需的高溫下加工時，它們都各形成有害的鈹金屬間化合物(Ashurst，Structure and Properties of I/M AlBe Alloys，ASM-Sponsored Aeromat，Long Beach，California，May 1991)。此種用于得到富含液狀鋁相的相當?shù)偷募庸囟葎t避免形成有害的化合物，因而容許有較大的合金能力范圍。實施例2供常規(guī)處理前驅體的制備本發(fā)明的改進半固態(tài)加工法可用于制造還要進行常規(guī)冶金處理所用的前驅體(precursor)材料。如實例1所示，鋁粉或諸如合金6061等鋁基合金粉末與鈹混合，在高于鋁合金固相線但低于鈹熔點的溫度范圍內真空熱壓。此種半固態(tài)固結步驟的產物系密閉模鍛造凈形件所用的坯料。
也可使用開式模鍛造，視制造方法的經濟特征。這種部件的鍛造是在低于鋁合金固相線的溫度下進行，產生一個常規(guī)加工的凈形狀成品部件。實施例3半固態(tài)加工用前驅體的制備本發(fā)明改進的半固態(tài)加工法亦可用于制造半固態(tài)加工用之前驅體材料。將鋁粉或諸如合金6061等鋁基合金粉末和鈹混合，然后在高于鋁合金固相線但低于鈹熔點之溫度范圍內進行真空熱壓，如實施例1及2所示。
這種半固態(tài)固結步驟的產物是坯料形式，可供封閉模鍛造凈型件之用。此類型件較佳是在高于鋁合金固相線的溫度范圍內鍛造，產生一個經半固態(tài)加工的凈型狀或成品部件。然而應該知道，此最終鍛造步驟的溫度可高于或低于鋁合金的液相線溫度，以調整最終步驟中材料中固體所占的總分數(shù)。固體總分數(shù)包括鈹?shù)姆謹?shù)以及鋁合金固體(若存在的話)。實施例4密閉模鍛造所用前驅體材料的制備圖2是按本發(fā)明方法在645℃及700℃間的溫度下真空熱壓鋁粉及等軸鈹粉所制得的鋁-鈹合金的顯微照片，顯示了所需的非樹枝狀顯微結構。得到這種非樹枝狀結構，凝固前無需施加剪切力(如攪拌)。圖2所示結構的合金可用于現(xiàn)場凝固制造部件之工程應用中，亦可再進行通常的金屬加工，包括后續(xù)的軋制，鍛造或擠壓。
圖2所示的非樹枝狀顯微結構是真空熱壓商業(yè)純鋁粉及鈹粉之后，原位固化含40％鈹鋁合金得到的。該鋁粉購自肯塔基州Louisville的Reynolds鋁公司，而鈹粉可購自麻薩諸塞州WestConcord的核金屬工業(yè)公司。
60重量％商業(yè)純鋁粉(—400目)及40重量％霧化法鈹粉(—50目)的混合物于704℃真空加熱，施加壓力壓實該半固態(tài)物質。因為在整個過程中，第二相(鈹)一直保持固相，故不需施加剪切力即可達到非樹枝狀結構。
或者，該粉末混合物可在低于鋁固相線之溫度(約645℃)進行固結，此時鋁不熔化。在低于固相線溫度固結所得的非樹枝狀結構類似圖2所示之顯微結構。它們的合金充作半固態(tài)加工用的前驅體，如同下例所述。實施例5密閉模鍛造圖2所示結構亦可充作產生凈型件半固態(tài)加工用的前驅體。圖3是鋁-鈹合金經半固態(tài)加工后得到所需結構的顯微照片。此法不采用凝固前的剪切力加工(如攪拌)。結構類似圖3的觸變性混合物再使用經適當改進的擠壓或模鑄設備進行擠壓或模鑄。此類方法一般在相同于塑料射壓造型所用的裝置中進行。
圖3顯示，即使在半固態(tài)鍛造后，按實施例4所述過程制得的鋁-鈹合金的非樹枝顯微結構仍保留下來。如同實施例4的方法，半固態(tài)鍛造不需要外來剪切力。
由一些方法象實施例4所述過程制得的前驅體經切削加工制得固態(tài)Al-Be坯料。具體地說，本實施例所用的前驅體的制法是在低于鋁固相線的621℃，將40重量％的鈹粉(—325目)和60重量％的商業(yè)純鋁粉(—400目)的混合物進行固結。鈹粉購自Bursh Wellman，而鋁粉則購自Reynolds鋁公司。
將坯料接著于爐中加熱至半固態(tài)區(qū)溫度(約704℃)。將以預熱之坯料使用火鉗送入模具中，然后注入密閉模腔中，令其固化。圖3表明了經此射壓/鍛造程序后形成的顯微結構。因為鈹在全部加工過程中一直保持固態(tài)，故加工過程不會改變鈹相的大小及形狀。也使用了本實施例的方法鍛造了含有薄壁部分的零件，但用的是為薄壁部分所設計的模具。實施例6通過鑄造制備前驅體材料之方法將等軸鈹粉添加于熔融鋁，其中使用了鋁熔劑防止氧化。于鋁熔體中添加了高達40重量％的鈹。熔體于原位固化。因為添加的是等軸形狀的固態(tài)鈹粉且未改變其形狀，故未用剪切力即形成了非樹枝狀結構。
所得結構的合金可用于需要現(xiàn)場固化來制造部件的工程應用中，亦可再進行通常的金屬加工，包括后續(xù)軋制，鍛造或擠壓。所得結構的合金亦可用作制造凈型件半固態(tài)加工的前驅體。實施例7鋁合金之半固態(tài)加工法此例說明使用混合粉末經改進的半固態(tài)加工，隨后熱等靜壓制達到完全密致，并用通常的鍛造成形制出某種部件。
將鋁粉與40重量％鈹粉混合，置入真空熱壓模中。在約650℃及1000psi壓力下，進行真空熱壓使密度達到理論值之95％(5％孔隙度)。
將真空熱壓出的坯料置入一熱等靜壓機中，在約600℃，15ksi壓力下壓到完全密致。這樣制得的坯料在保持完全固體之溫度(例如，約600℃)下鍛造，然后可切割加工成具有類似表I所列性質迫害最終部件。
也可對混合粉末進行改進的半固態(tài)加工，然后熱等壓及半固態(tài)鍛造達到充分致密度并成形制得部件。在約650℃及1000psi條件下真空熱壓可將密度增至理論值的95％(5百分比孔隙度)。將所得坯料在約704℃于半固體狀態(tài)下鍛造成近似形狀的部件，其性質與表I所列的相似。
藉真空熱壓及熱等壓壓制或其他粉末固結法制得的含鈹鋁鍛造預成型毛坯再于隨隨后的半固態(tài)加工操作中進一步加工，這些半固態(tài)加工包括觸變鍛造，觸變鑄造及觸變(半固態(tài))擠壓。實施例8對照試驗完全固態(tài)法首先，將元素鋁與鈹一起熔化，然后形成Al-Be粉末，通過完全固態(tài)的熱軋。在另一方法中，將鈹粉和另外形成的鋁粉混合，也通過完全固態(tài)的熱軋。兩法中，皆使用第1100號與20重量％的鈹粉，經擠壓且后續(xù)軋制成板。于軋制狀態(tài)及釋除應力狀態(tài)下進行拉伸試驗。其數(shù)據(jù)與預合金化及霧化(與元素狀態(tài)混合者不同)粉末來源材料之性質在兩個熱處理條件下比較。結果列于下表III。
表III鋁-鈹合金的抗張強度加工方法 條件 Y.S. U.T.S. 伸長 彈性模量(HT) (KSI)(KSI)(％) (MSI)預合金軋制狀態(tài) 25.5 31.3 14.8 14.8霧化法釋除應力狀態(tài) 18.2 25.7 11.6 11.6粉末混合 軋制狀態(tài) 18.5 20.2 3.6 11.6釋除應力狀態(tài) 10.0 17.9 14.9 ——元素混合粉末板的強度顯著地低于預合金霧化法粉末板。元素混合材料板的彈性系數(shù)值也顯然低于預合金霧化法的材料板。這就證明，若不使用半固態(tài)加工步驟，通過混合元素粉末無法達到該材料所需的性質。
此實施例證明，僅僅是靠摻和鋁粉及鈹粉，然后固結和軋壓，并不足以得到所需的性質。故本發(fā)明改進的半固態(tài)法是需要的。實施例9可用的結構產品用本發(fā)明合金所制產品之例子有(但不限于此)磁盤驅動器用的起動臂，渦輪葉片，航空電子箱及航空器外殼。
圖4及5表示了一個起動器的可旋轉臂組，它有一個軸腔使臂組圍繞磁盤驅動器軸旋轉，以便將讀寫頭沿磁盤的徑向定位，其中的臂組是由主要含有約1至99重量％鈹，余為鋁的含鈹鋁合金制成的一個單件。
圖4具體地表示硬盤驅動的讀寫組件，它有許多個讀寫頭12安裝在起動器的臂14上。讀寫頭12和起動器臂14一起組裝在起動器軸16上，后者是通過線圈18與置于磁鐵罩22中的磁鐵20之間的作用而旋轉的。起動器臂14用彈簧支承在磁盤上(當磁盤靜止不動時)。磁盤旋轉時，在讀寫頭12下方會有空氣壓力形成，使起動器臂略微向上提升至高于磁盤的位置。
起動器臂14會受到垂直力24及角作用力26的作用。起動器臂14應有充分剛性，使垂直振動之振幅減至最小，并避免損傷起動器臂14上方及下方的磁盤。同樣地，起動器臂14還應有充分的剛性，使橫向振動的振幅減至最小，為磁盤上按適當?shù)刂愤M行讀寫提供更快速的反應時間。采用疊層材料，可使垂直方向上的撓曲減至最少。本發(fā)明制成的鋁鈹合金中的鈹相的等軸形態(tài)可有效地將垂直及橫向兩個方向上的撓曲同時減至最小。
閱畢本說明書后，可明了本發(fā)明的各種修改及變化。而此種變化及增加皆應包括于下列權利要求書所界定的本發(fā)明范圍及精神之內。
權利要求
1.一種含鈹?shù)匿X合金，其特征在于它含有約1至99重量％鈹，其余鋁，其中的所述鈹是分散于所述鋁組分中的等軸顆粒的固態(tài)鈹。
2.如權利要求1的合金，其特征在于它含有約5至80重量％鈹。
3.如權利要求1的合金，其特征在于它含有約5至80重量％分散于實質上純鋁中的等軸固態(tài)鈹。
4.如權利要求1的合金，其特征在于它含有約5至80重量％分散于富鋁組合物中的等軸固態(tài)鈹。
5.如權利要求4的合金，其特征在于該富鋁組合物是選自第5056號、6061號、1100號、A356號及A357號鋁合金。
6.如權利要求1的合金，其特征在于該合金中的鈹具有非樹枝狀的顯微結構。
7.如權利要求1的合金，其特征在于該合金是可進一步用改進半固態(tài)法加工的。
8.如權利要求7的合金，其特征在于該改進的半固法選自密閉模鍛造，半固態(tài)鍛造及半固態(tài)模壓。
9.如權利要求1的合金，其特征在于該等軸顆粒的鈹選自機械粉碎法鈹粉和霧化法球粒鈹粉。
10.如權利要求3的合金，該合金具有至少比鋁高25％的彈性系數(shù)。
11.一種制造含鈹鋁合金的方法，其包括步驟(a)提供鋁組分粉末及鈹組分粉末；(b)將鋁及鈹組分混合；(c)在約高于鋁的固相線的溫度下熔化該鋁組分。
12.如權利要求11的方法，其特征在于該鋁組分為實際上的純鋁。
13.如權利要求11的方法，其特征在于該鋁組分為富含鋁的組合物。
14.如權利要求11的方法，其特征在于該鋁與鈹組分的混合是在約低于鋁的固相線的溫度下進行。
15.如權利要求14的方法，其特征在于形成的含鈹鋁合金可藉改進的半固態(tài)法進一步加工。
16.如權利要求15的方法，其特征在于該改進的半固態(tài)法選自閉模鍛造，半固態(tài)鍛造以及半固態(tài)模壓。
17.如權利要求11的方法，其特征在于該鈹組分是系分散于該鋁組分中的等軸顆粒固態(tài)鈹。
18.如權利要求17的方法，其特征在于該等軸顆粒固態(tài)鈹選自經機械磨碎法鈹粉及霧化法球粒鈹粉。
19.如權利要求11的方法，其特征在于該熔化步驟(c)是在選自氬，氦及氮的非反應性氣氛中完成的。
20.如權利要求11的方法，其特征在于該熔化步驟(c)是在真空中完成的。
21.如權利要求11的方法，其特征在于該熔化步驟(c)是選自真空熱壓，熱等靜壓及擠壓的方法。
22.如權利要求11的方法，其特征在于它進一步包括選自密閉模鍛造，半固態(tài)鍛造以及半固態(tài)模壓的步驟。
23.一種制造含鈹鋁合金的方法，其特征在于它包括以下步驟(a)提供鋁組分粉末及鈹組分末；(b)將鋁及鈹組分混合；(c)在約高于鋁的固相線的溫度下熔化該鋁組分，產生固態(tài)鈹分散于液態(tài)鋁中的半固態(tài)漿液；(d)原位澆鑄該半固態(tài)漿液。
24.一種材料為權利要求1的合金的制造部件，其特征在于該部件具有(a)6.4—13.0英寸/英寸/°F×10-6的熱膨脹系數(shù)；(b)44.0—10.0MSI的彈性模量；(c)約0.067—0.063磅/英寸3的密度。
25.一種起動器的可旋轉臂組，其特征在于它包含一個用于環(huán)繞磁盤驅動器軸旋轉的軸腔，，使讀寫頭在該磁盤驅動器徑向上定位，該臂組基本上是一個含鈹鋁合金單件，該合金含約1至99重量百分數(shù)的鈹，其余為鋁組分。
全文摘要
揭示一種含1至99重量％鈹?shù)膶嶋H上以鋁為基的合金，以及含鈹鋁合金改進的半固態(tài)加工方法。本發(fā)明方法使用霧化法或機械粉碎法鈹粉與固態(tài)顆?；蛞合嗑€鋁相混合，不將鈹熔化，不進行熔融態(tài)鋁鈹合金的攪拌，也無需引入剪切力。
文檔編號C22C1/04GK1125964SQ95190242
公開日1996年7月3日 申請日期1995年2月22日 優(yōu)先權日1994年3月31日
發(fā)明者J·M·馬德, W·J·霍斯 申請人:勃拉?！ね柭煞萦邢薰?br>