铍铝合金在航空航天领域的应用探讨

铍铝合金（典型的密度为2.6g／cm³）具有质量轻、比强度高、比刚度高、热稳定性好、高韧性、抗腐蚀、结合了铍的低密度与铝的易加工性等许多优良特性，随着航空、航天工业、计算机制造业、汽车工业及高精度、高速度电焊机器制造工业的飞速发展，其已成为一种越来越重要的新型材料。铍铝合金按铍含量可分为铝基合金和铍基合金，前者铍的质量分数在5％以下，用作冶金添加剂；后者铍的质量分数在60％以上用作结构材料。下面主要介绍铍铝合金在航空航天中的应用。

1.发展概况

20世纪70年代美国核金属公司（现称为Starmet公司）和Lockheed Martin Space Systems Company公司（洛马公司）合作开发洛克合金，这是最早的商业用铍铝合金洛克合金含有62％的铍（质量分数）和38％的铝（质量分数），用预合金化粉末制取仅用于制造高精密产品。复杂的工艺过程决定了该合金的高成本，最终导致了这种商业产品在20世纪70年代后停止生产。冷战后期，Starmet公司和Bush Wellman公司联合开发新型铍铝合金，用以弥补国防工业对低铍材料的需求。Starmet公司开发了Berylcast族铍铝合金，Bush Wellman开发了AlBeMet系列合金。Berylcast和AlBeMet结合了铍的高比刚度和低密度与铝的易加工性，且保持了两种金属的特性。Berylcast363合金含铍65％（质量分数），比刚度是铝的3.5倍，且比铝轻22％。

自20世纪70年代洛克公司使用粉末冶金法生产铍铝合金以来，采用该工艺生产铍铝合金已成惯例。除了一些小的改进以外，基本流程保持不变。先用惰性气体雾化法制取预合金粉，而后制成3～5μm的枝晶状粉粒，该尺寸对最终产品的强度是至关重要的。粉末经冷等静压压至约理论密度的80％，再热等静压成形，最后经挤压进一步提高密度。挤压成的棒材可直接加工成部件，或切割后轧制成板材，其最大尺寸可达107cm×107cm。制板时挤压棒应包覆在钢套或铜套中，挤压温度通常为370～510℃Bush Wellman的AlBeMet条材可以生产厚度小于25cm，可轧成107cm²的板材。板材具有最重要的各向同性特性。用挤压工艺生产的挤压件直径可达25cm，使该合金获得广泛应用变得经济且可行。例如，经挤压的AlBeMet型材被加工成计算机硬盘驱动臂，一级方程式赛车的制动器扳手目前也采用这种材料挤压制成。

为降低成本，还可采用净成形或近净成形生产工艺。熔模铸造已被认为是一种能生产近净成形部件的方法，该法直到最近才被用于制造AlBe合金部件。AlBe910铸造合金是Al-Be熔模合金家族中的首批产品。典型的轴承箱铸件直径为71cm，高为15cm腹壁厚为9mm，质量为419kg。Bush wellman公司还开发了几种熔模铸造铍铝合金的方法，可以生产较为经济的高精度复杂部件。AlBeMet合金已被收入铍铝合金的AlBeCast合金族用于熔模铸造。该族合金的第一种，AlBeCastIC910含62％的铍（质量分数）和38％的铝（质量分数），已通过美国高级研究项目机构（DARPA）的评价，将用于汽轮机活动叶片。

AlBeCastIC910合金铸件可以用和标准铝铸件相同的方法进行加工和涂敷，以减少最终部件的成本。AlBeCastIC910铸件也可通过快速原型（RP）技术制作，用作连接件。铍铝合金固有的特性决定了其以铸件形式应用的困难。铍和铝之间的固溶度很低使得这两种材料在固溶体中独立存在。铍铝合金的凝固温度范围宽（约大于550℃）铸造凝固过程需要加强补缩，铸件容易出现缩孔、缩松。因为铍熔化需要非常高的温度，因此，铍铝合金有与坩埚及模具的大多数难熔材料反应的倾向。

2.铍铝合金的性能

铍铝合金的力学性能主要取决于合金中铍含量，其次是生产工艺。最常见的Al-Be162（洛克合金）含有62％Be（质量分数），其用途非常多。Al、Be之间的固溶度很小，而且按混合的比例可以预测其物理特性怎样随着组分的改变而变化。变化最明显的当属弹性模量和密度。与其他AlBe合金材料相比，其弹性模量很高而密度很低。航空用铍铝合金的某些特性见表5-12。

表5-12 铍铝合金的物理特性

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3.铍铝合金的应用

（1）铍铝合金在航空器上的应用 Starmet公司（Berylcast）和Bush wellman公司（AlBe2Met）都生产用于飞行器的铍铝合金。Starmet公司生产的Berylcast合金熔模铸件被用在美国的RAH₂66 Comanch型军用直升机和爱国者PAC23型导弹系统。

AlBeMet162应用于先进的F215战斗机的方向舵上。用作F215方向舵的唯一竞争材料是波音飞机已使用的价格昂贵的硼-环氧树脂。因为简化了设计，在F215方向舵中使用AlBeMet162比硼-环氧树脂便宜，且减轻了重量，提高了性能。Bush Wellman公司制造的AlBeMet机载结构如图5-5所示。

图5-5 Bush Wellman公司制造的 AlBeMet机载结构

（2）铍铝合金在航天器上的应用 美国轨道科学公司把Bush wellman公司生产的AlBeMet铍铝合金用在了28个ORB-COMM型低轨道通信卫星上。太空飞行器的外圈由三块弧形AlBe-Met162合金嵌板组成，并由相同材料的托架固定。AlBeMet合金因其优良的刚度和低密度，所以被优先使用。