铍小球制备工艺研究进展

铍小球制备工艺研究进展
凤治华，陈斌科，李晓辉
（西安赛隆金属材料有限责任公司，
陕西西安710016）
摘
要：高品质铍小球一直备受关注，普遍被作为热核聚变反应堆包层的中子倍增材料，
对铍小球制备工艺研究具有重要意义。

主要技术包括气体雾化法、镁还原法、旋转电极法等。

研究表明：旋转电极法制备铍小球性能较好，且工艺简单、
效率高。

关键词：高品质铍小球核聚变旋转电极；
制备工艺；研究进展作者简介：凤治华（1987-），男，陕西宝鸡人，主要研究方向：
金属材料。

Metallurgy and materials
1绪论
法国化学家沃克兰（L.N.Vauquelin ）1798年发现铍的氧化物，1957年这种钢灰色的稀有轻金属被国际纯粹化学和应用化学联合会（IUPAC ）命名为铍（Be ）。

铍属于轻稀有金属元素，内部原子晶体结构决定了铍具有很多优异的物理性能和机械性能，尤其是优异的核性能。

铍的室温和高温下均具有较高的比强度，是钢的四倍，且超过钛合金与铝合金等；室温、高温环境下具有强的抗氧化性；铍的比弹性模量也较大是不锈钢的6倍；比弹性模量超过不锈钢六倍，比刚度、尺寸稳定性及热膨胀相容性性能优异。

铍的一系列优异特性，使它在当代尖端装备、航空航天、军工与国家安全方面成为不可替代的关键材料，
尤其是核工业行业。

据统计，全球的涉及到国防安全、航空航天和军工设备的研发生产均有应用到铍及其加工产品。

全球铍相关产品及原材料最终应用场所几乎全部在：航天器、飞行器、核反应堆、火箭、导弹、潜艇等，也被使用作为导弹、火箭、喷气飞机高能燃料的添加剂，成为不可取代的重要材料。

由于铍的加工性能差，
目前主要采用热等静压的方法制备该材料，
而该技术所需原材料是高品质铍小球、铍小球。

美国核金属公司于20世纪60年代率先采用等离子旋转电极法生产了高质量的球形金属铍小球。

随着国内核工业的快速发展，批量化生产高品质铍小球已成为发展核工业的首要任务。

2铍小球的制备工艺
目前，国内外铍小球的制备工艺包括：
等离子旋转电极雾化法（Plasma Rotating Electrode Process ，PREP ）技术原理如图1、镁还原法（MRM ）和气体雾化法。

镁还原法是在金属铍的生产工艺直接实现球形化，首先用氟化氢铵将BeO 转化为氟铍化铵，氟铍化铵热分解得到BeF 2，再用Mg 将氟化铍还原成金属铍。

由于氟化镁流动性差，导致渣和铍珠难以分离，铍珠纯度较低。

该技术制备的金属铍小球其球径粒度分布宽、球径集中分布在2mm 、铍球杂质含量高、
球形度差。

气体雾化法作为一种普遍的制粉技术，早期也被应用于研究制备铍小球，采用该工艺制备的铍小球粒径为0.1~0.2mm ，球形度差、畸形颗粒比重比较大、球径分布范围较宽、
不易控制。

雾化铍粉呈球形、纯度高，解图1等离子旋转电极制粉技术原理图
Plasma arc
motor
He gas
rotating electrode （Be ）
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第3期
决了之前气流冲击片状铍粉结构造成的铍材各向异性与纯度低的问题。

2005年，乌克兰khar ’kov 物理科学研究院国家科技中心成功制备出球形铍粉，
使用半连续生产设备，使用雾化金属法生产出不同粒度组成的球形铍和铍合金（Be-Al 、Be-Al-Mg ），并称工艺已经步入工业化水平。

20世纪90年代，美国核金属公司用等离子旋转电极法生产了高质量的球形金属铍小球。

等离子旋转电极制粉技术采用等离子火炬作用于电极管材端面熔化成液膜，液膜在高速旋转离心力作用下甩出形成液滴，液滴在雾化室保护气氛中冷却形成球形粉末。

生产的
粉末球形度高、少无缺陷、氧增量低。

满足高品质球形金属粉末的技术要求。

制备铍小球粒径在0.3~1.8mm ，PREP 制粉技术制粉过程中可通过调整转速及熔化电流来控制铍小球粒径范围。

理论情况下，
一定范围内，球径随着电极棒转速的提高而减小。

PREP 制粉设备结构紧凑、工艺参数皆可调可控、制备粉末粒度范围窄、粉末球形度高、杂质含量少、可实现连续生产等优点，目前该技术已被视为生产高品质铍小球的唯一方法。

使用国产PREP 制备的铍小球如图2所示，为了减少含氧量，选用化学方法去掉，可以看出，铍小球的球形度好，表面呈金属光泽，
小球表面光滑。

图2PREP 工艺制备铍小
球
3国内PREP 设备现状
铍小球制备经历了圆盘磨、
球磨、气流冲击和雾化四代制粉技术发展。

其中，
第四代雾化制粉是制备高品质铍小球的重要手段。

国内目前仅较少机构具PREP 装备研发与生产能力，其中，西安赛隆金属材料有限责任公司是西北有色金属研究院控股的高新技术企业。

通过技术不断升级，可生产镍基高温合金粉末、钛合金粉末、不锈钢粉末、钽、钨等难熔金属粉末（铍的熔点1285℃）。

具有以下显著特点：
（1）等离子发生器的功率大于300kW ；
（2）动密封结构稳定可靠，可实现工作转速20000转/分下稳定运行；
（3）生产能力＞100kg/8h （高温合金）；（4）粉末形貌：球形，球形率≥95%；（5）粉末收得率：≥85%；
（6）粉末粒度分布：钛合金≤150μm 收率≥85%；高温合金≤150滋m 收率≥90%；
（7）粉末氧增量：≤100ppm （高温合金），≤150ppm （钛合金）。

金属铍作为一种特殊的有色金属，由于其粉体和
蒸汽具有毒性，而该设备具备高转速动密封可保证在棒料高转速进给过程中不出现明显泄漏，且雾化室气体压力处于正压；开发整体系统的数字化集成控制、自动化程度高，可避免生产过程的出现泄漏等安全隐患。

4结语
由于生产高品质铍小球的特殊防护措施和技术要求高，且研发投入高短期收益不明显，对研发机构设置了较高的门槛，使我国目前铍小球的研发处于落后于发达国家的状态。

而铍的优异性能成为国防安全、航空航天及核工业极为珍贵的关键材料。

目前制备技术中，PREP 技术制备的铍小球性能优异、
工艺简单、效率高，可满足目前关键领域对高品质铍小球的使用，但随着国防、核安全的不断升级，制备技术领域还需不断深耕。

参考文献
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凤治华等：铍小球制备工艺研究进展
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