CN111304484B - 一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，它涉及环形件的制备方法。本发明的目的是要解决现有方法制备的铍铜复合材料成型困难大，力学性能差和高纯铍板价格高昂的问题。方法：一、熔化；二、离心铸造；三、车削；四、环轧；五、热处理；六、镀层。本发明提出一种低成本制备铍铜复合等离子体面壁环形件的方法，以纯铍珠和高纯铜为原料，采用离心铸造制备铜铍复合材料环形铸坯，后续采用环扎和镀层得到最终的环形件。本发明制备的铍铜复合等离子体面壁环形件的抗拉强度750MPa～900MPa，屈服强度为600MPa～700MPa，伸长率为9％～15％。本发明可获得一种铍铜复合等离子体面壁环形件。
Description
技术领域
本发明涉及环形件的制备方法。
背景技术
核聚变反应堆的研究中，满足约束条件性能要求的结构材料，是核聚变能顺利进行的关键之一。在核聚变反应中，对结构材料的要求为高化学稳定性和尺寸稳定性，有较好的材料兼容性，且抗中子辐照。核聚变反应堆的第一壁和偏滤器材料常用铜和铍的复合材料，由于铜具有良好的导热性能，因此可以较好地消散等离子体破裂时产生的局部过热作用，铍由于其原子序数较低，且与氧亲和力高，与氢无相互作用，且具有低感生活性以及高中子倍增能力，因铍常用作中子倍增材料以及面对等离子体材料，采用铍和铜复合制成并镀镍的复合材料常被用作核聚变面壁材料。
现有的方法制备该复合材料，大多采用铍板与铜板轧制复合而成，采用此方法存在以下问题：(1) 纯铍是密排六方结构（h.c.p.结构），变形较为困难，导致复合困难程度很大；(2) 由于铜和铍变形能力差别较大，复合以后铜与铍的界面结合力较差，使得制成的环形件材料力学性能较差；(3) 高纯铍板价格昂贵，使得制备成本高昂。
发明内容
本发明的目的是要解决现有方法制备的铍铜复合材料成型困难大，力学性能差和高纯铍板价格高昂的问题，而提供一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法。
一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，是按以下步骤制备的：
一、熔化：
①、将铍珠加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1100℃~1200℃下熔炼，得到物质A；
②、将紫铜加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1300℃~1400℃下熔炼，得到铜水；
二、离心铸造：
将物质A和铜水一起加入到温度为1300℃~1400℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入1.5~2MPa氩气，再在氩气气氛下机械搅拌，得到温度为1300℃~1400℃的铍铜混合物；将温度为1300℃~1400℃铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，再在温度为900℃~1000℃下进行铸造，得到外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭；
步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为(1~99):100；
三、车削：
对外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭的表面进行车削0.1mm~5mm，得到车削后的铍铜空心铸锭；
四、环轧：
在温度为650℃~750℃下对车削后的铍铜空心铸锭进行轧制，轧制变形量为5%~10%，得到铍铜变形环；
五、热处理
首先对铍铜变形环进行固溶处理，再进行时效热处理，得到热处理后的铍铜变形环；
六、镀层：
将热处理后的铍铜变形环的内孔表面镀镍，得到铍铜复合等离子体面壁环形件。
本发明的原理及优点：
一、本发明提出一种低成本制备铍铜复合等离子体面壁环形件的方法，以纯铍珠和高纯铜为原料，采用离心铸造制备铜铍复合材料环形铸坯，后续采用环扎和镀层得到最终的环形件，采用本发明有以下几个优点在于：
①、原料及制备成本低，本发明可使用纯铍珠(99.5%)作为原材料，相较于传统轧制复合法中的原料变形高纯铍板(99.9%)，其原料成本低廉，同时，由于离心铸造本身具有净化溶体作用，因此得到的铍铜空心铸锭中铍的纯度可以达到99.9%；
②、采用离心铸造与轧制变形方法制备的铍铜变形环，其铜与铍结合处存在机械和冶金结合两种方式，界面结合性好，可做到近各向同性；
③、利用铜和铍的密度差异制备得到的铍铜变形环，可根据铍与铜的重量配比不同，在复合过程中可实现，同时，该铍铜变形环的尺寸大小仅受制于离心铸造机大小，因此可得到宽幅和大直径的铍铜复合等离子体面壁环形件，且铍与铜厚度尺寸的调控，生产通用性强；
④、本发明制备的铍铜复合等离子体面壁环形件的抗拉强度750MPa ~900MPa，屈服强度为600MPa~700MPa，伸长率为9%~15%。
本发明可获得一种铍铜复合等离子体面壁环形件。
附图说明
图1为实施例一中所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法的工艺流程图；
图2为实施例一中所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法的制备过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法是按以下步骤制备的：
一、熔化：
①、将铍珠加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1100℃~1200℃下熔炼，得到物质A；
②、将紫铜加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1300℃~1400℃下熔炼，得到铜水；
二、离心铸造：
将物质A和铜水一起加入到温度为1300℃~1400℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入1.5~2MPa氩气，再在氩气气氛下机械搅拌，得到温度为1300℃~1400℃的铍铜混合物；将温度为1300℃~1400℃铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，再在温度为900℃~1000℃下进行铸造，得到外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭；
步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为(1~99):100；
三、车削：
对外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭的表面进行车削0.1mm~5mm，得到车削后的铍铜空心铸锭；
四、环轧：
在温度为650℃~750℃下对车削后的铍铜空心铸锭进行轧制，轧制变形量为5%~10%，得到铍铜变形环；
五、热处理
首先对铍铜变形环进行固溶处理，再进行时效热处理，得到热处理后的铍铜变形环；
六、镀层：
将热处理后的铍铜变形环的内孔表面镀镍，得到铍铜复合等离子体面壁环形件。
本实施方式的原理及优点：
一、本实施方式提出一种低成本制备铍铜复合等离子体面壁环形件的方法，以纯铍珠和高纯铜为原料，采用离心铸造制备铜铍复合材料环形铸坯，后续采用环扎和镀层得到最终的环形件，采用本实施方式有以下几个优点在于：
①、原料及制备成本低，本实施方式可使用纯铍珠(99.5%)作为原材料，相较于传统轧制复合法中的原料变形高纯铍板(99.9%)，其原料成本低廉，同时，由于离心铸造本身具有净化溶体作用，因此得到的铍铜空心铸锭中铍的纯度可以达到99.9%；
②、采用离心铸造与轧制变形方法制备的铍铜变形环，其铜与铍结合处存在机械和冶金结合两种方式，界面结合性好，可做到近各向同性；
③、利用铜和铍的密度差异制备得到的铍铜变形环，可根据铍与铜的重量配比不同，在复合过程中可实现，同时，该铍铜变形环的尺寸大小仅受制于离心铸造机大小，因此可得到宽幅和大直径的铍铜复合等离子体面壁环形件，且铍与铜厚度尺寸的调控，生产通用性强；
④、本实施方式制备的铍铜复合等离子体面壁环形件的抗拉强度750MPa ~900MPa，屈服强度为600MPa~700MPa，伸长率为9%~15%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一①中所述的铍珠的纯度为99.5%。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中所述的机械搅拌速度为100r/min~200r/min，机械搅拌时间为10min~30min。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的离心的速度为400r/min~2000r/min，离心铸造的时间为30min~60min。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三中所述的表面为铍铜空心铸锭的内表面、外表面或内表面和外表面。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤五中所述的固溶处理的温度为750℃~820℃，固溶处理的时间为10min~30min。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤五中所述的时效热处理的温度为300℃~350℃，时效热处理的时间为2h~4h。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为(10~20):100。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为(80~90):100。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：将步骤二中将物质A和铜水一起加入到温度为1300℃~1350℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入1.5~1.7MPa氩气，再在氩气气氛下机械搅拌，得到温度为1300℃~1350℃的铍铜混合物；将温度为1300℃~1350℃铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，再在温度为900℃~950℃下进行铸造，得到外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，是按以下步骤制备的：
一、熔化：
①、将铍珠加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1100℃下熔炼，得到物质A；
步骤一①中所述的铍珠的纯度为99.5%；
②、将紫铜加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1300℃下熔炼，得到铜水；
二、离心铸造：
将物质A和铜水一起加入到温度为1350℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入1.5MPa氩气，再在氩气气氛和搅拌速度为100r/min下搅拌10min，得到温度为1350℃的铍铜混合物；将温度为1350℃的铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，离心速度为400r/min，离心时间为30min，再在温度为950℃下进行铸造，得到外径为100mm、壁厚为50mm的铍铜空心铸锭；
步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为20:100；
三、车削：
对外径为100mm、壁厚为50mm的铍铜空心铸锭的内表面进行车削5mm，得到外径为100mm、壁厚为45mm的车削后的铍铜空心铸锭；
四、环轧：
在温度为700℃下对车削后的铍铜空心铸锭进行轧制，轧制变形量为10%，得到外径为90mm、壁厚为45mm的铍铜变形环；
五、热处理
首先对外径为90mm、壁厚为45mm的铍铜变形环进行固溶处理，固溶处理的温度为800℃，固溶处理的时间为10min，再进行时效热处理，时效热处理的温度为320℃，时效热处理的时间为2h，得到热处理后的铍铜变形环；
六、镀层：
将热处理后的铍铜变形环的内孔表面镀镍，得到铍铜复合等离子体面壁环形件。
实施例一制备的铍铜复合等离子体面壁环形件的抗拉强度850MPa，屈服强度653MPa，伸长率10%。
实施例二：一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，是按以下步骤制备的：
一、熔化：
①、将铍珠加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1150℃下熔炼，得到物质A；
步骤一①中所述的铍珠的纯度为99.5%；
②、将紫铜加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1350℃下熔炼，得到铜水；
二、离心铸造：
将物质A和铜水一起加入到温度为1350℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入1.7MPa氩气，再在氩气气氛和搅拌速度为150r/min下搅拌20min，得到温度为1350℃的铍铜混合物；将温度为1350℃的铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，离心速度为1000r/min，离心时间为45min，再在温度为950℃下进行铸造，得到外径为200mm、壁厚为50mm的铍铜空心铸锭；
步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为20:100；
三、车削：
对外径为200mm、壁厚为50mm的铍铜空心铸锭的内表面进行车削5mm，得到外径为200mm、壁厚为45mm的车削后的铍铜空心铸锭；
四、环轧：
在温度为750℃下对车削后的铍铜空心铸锭进行轧制，轧制变形量为10%，得到外径为180mm、壁厚为45mm的铍铜变形环；
五、热处理
首先对外径为180mm、壁厚为45mm的铍铜变形环进行固溶处理，固溶处理的温度为820℃，固溶处理的时间为10min，再进行时效热处理，时效热处理的温度为340℃，时效热处理的时间为3h，得到热处理后的铍铜变形环；
六、镀层：
将热处理后的铍铜变形环的内孔表面镀镍，得到铍铜复合等离子体面壁环形件。
实施例二制备的铍铜复合等离子体面壁环形件的抗拉强度810MPa，屈服强度611MPa，伸长率12%。
实施例三：一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，是按以下步骤制备的：
一、熔化：
①、将铍珠加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1200℃下熔炼，得到物质A；
步骤一①中所述的铍珠的纯度为99.5%；
②、将紫铜加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1400℃下熔炼，得到铜水；
二、离心铸造：
将物质A和铜水一起加入到温度为1350℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入2MPa氩气，再在氩气气氛和搅拌速度为200r/min下搅拌30min，得到温度为1350℃的铍铜混合物；将温度为1350℃的铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，离心速度为2000r/min，离心时间为60min，再在温度为950℃下进行铸造，得到外径为1000mm、壁厚为50mm的铍铜空心铸锭；
步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为80:100；
三、车削：
对外径为1000mm、壁厚为50mm的铍铜空心铸锭的内表面进行车削5mm，得到外径为1000mm、壁厚为45mm的车削后的铍铜空心铸锭；
四、环轧：
在温度为750℃下对外径为1000mm、壁厚为45mm的车削后的铍铜空心铸锭进行轧制，轧制变形量为10%，得到外径为900mm、壁厚为45mm的铍铜变形环；
五、热处理
首先对外径为900mm、壁厚为45mm的铍铜变形环进行固溶处理，固溶处理的温度为780℃，固溶处理的时间为20min，再进行时效热处理，时效热处理的温度为300℃，时效热处理的时间为2h，得到热处理后的铍铜变形环；
六、镀层：
将热处理后的铍铜变形环的内孔表面镀镍，得到铍铜复合等离子体面壁环形件。
实施例三制备的铍铜复合等离子体面壁环形件的抗拉强度745MPa，屈服强度609MPa，伸长率11%。
Claims (7)
1.一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，其特征在于一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法是按以下步骤制备的：
一、熔化：
①、将铍珠加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1100℃~1200℃下熔炼，得到物质A；
步骤一①中所述的铍珠的纯度为99.5%；
②、将紫铜加入到感应式中频真空炉中，再在温度为1300℃~1400℃下熔炼，得到铜水；二、离心铸造：
将物质A和铜水一起加入到温度为1300℃~1400℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入1.5~2MPa氩气，再在氩气气氛下机械搅拌，得到温度为1300℃~1400℃的铍铜混合物；将温度为1300℃~1400℃铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，再在温度为900℃~1000℃下进行铸造，得到外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭；
步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为(1~99):100；
三、车削：
对外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭的表面进行车削0.1mm~5mm，得到车削后的铍铜空心铸锭；
四、环轧：
在温度为650℃~750℃下对车削后的铍铜空心铸锭进行轧制，轧制变形量为5%~10%，得到铍铜变形环；
五、热处理
首先对铍铜变形环进行固溶处理，再进行时效热处理，得到热处理后的铍铜变形环；
步骤五中所述的固溶处理的温度为750℃~820℃，固溶处理的时间为10min~30min；
步骤五中所述的时效热处理的温度为300℃~350℃，时效热处理的时间为2h~4h；
六、镀层：
将热处理后的铍铜变形环的内孔表面镀镍，得到铍铜复合等离子体面壁环形件。
2.根据权利要求1所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的机械搅拌速度为100r/min~200r/min，机械搅拌时间为10min~30min。
3.根据权利要求1所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的离心的速度为400r/min~2000r/min，离心铸造的时间为30min~60min。
4.根据权利要求1所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，其特征在于步骤三中所述的表面为铍铜空心铸锭的内表面、外表面或内表面和外表面。
5.根据权利要求1所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为(10~20):100。
6.根据权利要求1所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的物质A与铜水的质量比为(80~90):100。
7.根据权利要求1所述的一种铍铜复合等离子体面壁环形件的制备方法，其特征在于将步骤二中将物质A和铜水一起加入到温度为1300℃~1350℃的感应式中频真空炉中，再向感应式中频真空炉中通入1.5~1.7MPa氩气，再在氩气气氛下机械搅拌，得到温度为1300℃~1350℃的铍铜混合物；将温度为1300℃~1350℃铍铜混合物注入到离心铸造机中进行离心，再在温度为900℃~950℃下进行铸造，得到外径为100mm~1000mm、壁厚为20mm~100mm的铍铜空心铸锭。
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