铍铝合金结构材料制造研究
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* 基金项目 : 国防科技委员会年度资助项目。
[ 1]
王战宏 , 等 :
铍铝合金结构 材料制造研究
17
核纯级铍珠并提纯 , 铝和镍分别采用高纯铝 ( 纯度 大于 99 . 99 % )和电解镍片。 对试验合金取样加工成金相试样和室温拉伸试 样 , 金相试样经过机械研磨和抛光后 , 采用 MM 6 偏 光金相显微镜观察其显微组织。用 Instron 4505 材 料试验机测量记录拉伸试样的室温拉伸强度 , 加载 速率控制为 0 . 2 mm /m in 。 ( 2) 试验结果及讨论。图 1 为铍铝二元合金金 相示意图。平衡状态下 , 铍原子在铝相中的溶解度 非常低 ( 2 . 4 % at m)
5 .6 6 .8 4 .0
化学成分 ( w t ,% ) Be Si Fe Al 62 . 16 0. 050 0. 189 余量 62 . 16 0. 031 0. 195 余量 63 . 13 0. 039 0. 205 余量
力学性能 ( M Pa) 拉伸强度 屈服强度 延伸率 115 . 5 131 . 3 113 . 2 未屈服断 93 . 3 未屈服断
[ 6]
( 收稿日期 : 2006- 09- 21) 作者简介 : 王 战宏 ( 1968 - ), 男 , 硕 士研 究生 , 高 级 工程 师 , 主要研究领域为有色金属材料的研究和发展及应用 。
的困难, 并造成矿山建设分期的不合理性。因此 , 云 驾岭铁矿的建设方案采用两井筒到底 , 分两次疏干 的分期建设方案, 即从现 有风井向下掘至 - 120 m 水平 , 再由风井向主井掘 - 87 m 疏干中段平巷, 然 后向上反掘和主井贯通。
ISSN 1671- 2900 CN 43- 1347 /TD
采矿技术 第 6 卷 第 4 期 M in ing T echno logy , Vo. l 6, N o . 4
2006 年 12 月 D ec . 2006
铍铝合金结构材料制造研究
王战宏 , 王
1 , 2
*
莉 , 买学锋 , 赵玉林
北京 宁夏 石嘴山市
b
0. 2
, 金相组织中铍和铝独立成相。因此 , 铝相、
铝与铍的截面特性以及铝相中含铍量的多少及状态 都极大地影响合金的性能。前苏联在精密铸造铍铝 合金中加入了微量元素来强化合金, 美国通过粉末 冶金工艺和变形加工来细化晶粒、 改变组织状态, 大 幅度提高力学性能等 综合性能。国 内通过纯化原 料 , 对精密铸造、 粉末冶金、 变形加工以及热处理等 工艺进行了研究 , 有些研究指标接近或达到前苏联 或美国相应工艺制造的铍铝合金的力学性能指标。
Leabharlann Baidu
2
2
2
(1 . 北京科技大学材料科学与工程学院, 2 . 西北稀有金属材料研究院, 摘
10083 ; 753000)
要 : 铍是一种剧毒元素 , 铍铝合金复合材料的研究、 制造和加工必须在严格的防护条
件下进行。 简要介绍了国外铍铝合金的性能以及我国铸造铍铝合金的研究进展 。探讨了 合金元素镍对铸造铍铝合金性能的作用, 介绍了变形加工对精密铸造铍铝合金力学性能 的影响 , 认为添加微合金元素和变形加工能较大幅度地提高合金的力学性能 。 关键词 : 铍铝合金 ; 航空航天 ; 精密铸造; 冷热等静压
S、 i Ag、 Co 等, 使合金的力学性能有了很大提高 , 报 道的拉伸强度达到 430 M Pa 以上 , 接近纯铍的室温 拉伸强度。粉末冶金制备的铍铝合金制品主要应用 于航空和航天等敏感领域。 除了 A lB e M et1 62(洛克合金 ) 外, 布拉什 威尔 曼还开发了 A lB eCastR IC910 合金及其它合金。
[ 6]
, 为了使高温下较高的溶解度
图 2 B e- A l合金铸态组 织
保持到室温 , 浇注时尽量采用较快的冷却速度。表 2 列出了试样的化学成分和力学性能 , 表 2 中的数 据表现出强度较低而延伸率较高的现象。
强度、 屈服强度均增幅很大。由表 3 可知, 加 N i元 素后 ( 约 4 % w t), 与表 2 中的拉伸强度和屈服强度 相比几乎成倍数增加, 延伸率也有所增加, 性能完全 达到俄罗斯供应中国的铍铝合金铸件力学性能指标 (
1 国外 ( 美国 ) 铍铝合金主要性能
铍铝合金中 Be 和 A l的混合比例可以改变其物 理特性如模量和密度等 , 其力学特性也主要取决于 合金中铍 含量 及研制 工艺。美国 最常 见的 A lB e M et162( 洛克合金 ) 含有 62 % 的 Be , 其某些物理特 性和 20 时的力学特性见表 1 。 近几年, 美国布拉什 威尔曼公司的等静压工
, 已成为一种
铍铝合金分为铝基铍合金和铍基铝合金。含铍 量低于 5% 的铝基铍合金一般用于添加材料, 典型 的运用于结构材料的铍基合金为洛克合金 ( 含铍量 为 62 % 左 右 ) 。铍 在 铝 中的 固 溶 度 非 常 低 ( 2 % atm )
[ 6]
极限拉伸强度 M Pa 262 380 380
图 2 中 , Be- A l合金金相组织由黑白两相区组 成 , 黑色区域为金属铍 , 并有微量的 Si 、 M g 元素等 , 未发现 A l元素 , 说明 A l元素不能作为溶质进入 B e 中 ; 白色区域的化学成分为 A l 。 另外, 还有少量的 N、 O、 Si 、 Mg 、 Ca 等元素。由于铍原子序数很低, 白 色区域中未能探测到 B e , 但从图 1 中分析可知 , B e 元素和 A l元素几乎互不共溶。因此, 结构其实是脆 性铍相和韧性铝相相结合的金属基复合材料。 为提高合金力学性能 , 将镍金属加入铍铝合金 中。镍元素的加入, 使得试样的密度略有增加 , 约为 2 . 144 g / cm , 洛氏硬度 HRA 为 24~ 30 , 试样的抗拉
表 4 Be- A l锭的化学成分和挤压后的纵向 力学性能
化学成分 ( w t % ) Be 62. 06 Al 余量 Fe 0. 12 Si Ni Mg 0. 071 0 . 0078 0 . 049 延伸率 7 .2 9 .2 7 .2
4 结
论
( 1) 简述了美国铍铝合金的主要力学性能, 认 为铍铝合金是航空航天领域非常有影响和有前途的 结构材料。 ( 2) 研究了铍铝精密铸造合金的力学性能以及 加入 N i元素的影响, 从而认为, 用于强化铍相的 N i 合金元素对铍铝合金整体力学性能有很大的提高。 ( 3) 精密铸造铍铝合金热挤压变形加工后, 晶 粒细化变长, 力学性能进一步提高。
参考文献 :
[ 1] 刘孝宁 , 马世光 . 铍铝合金的研究与应用 [ J] . 稀有金属 , 2003, 27( 1) : 62. [ 2] [ 3] 高技术新材料要 览编辑 委员会 . 高技 术新 材料 要览 [ M ] . 北 京 : 中国科学技术出版社 , 1993. W illam S. A pp licat ion of alum inum - beryll iu m composite for structu ral aerospace com ponen t [ J] . Engineering Fa ilure A n alysis , 2004 , 11( 6 ): 895 . [ 4] Parsonage T. Beryll iu m m etal m atrix com pos ites for aerospace and comm ercial app licat ions [ J] . M aterials S cience and Techn ology, 2000 , ( 16 ): 733 . [ 5] 张鸿金 . 加强铍 材研 究 贡 献航 天 事业 [ J] . 有 色 金属 工 业 , 2003 , ( 12 ): 30 . 长崎诚三 , 平林真 . 二元合金状态图集 [ M ] . 刘安生 . 北 京: 冶 金工业出版社 , 2004 .
表 1 A lB e M et162 的物理特性和 20 时的力学特性
物理特性 工艺 热等静压锭 工艺 热等静压锭 轧制材 挤压锭 弹性模量 密 度 ( GPa) ( g/ cm 3 ) 200 2 . 1 热导率 ( w /mK - 1 ) 210 力学特性 屈服强度 M Pa 193 275 310 热膨胀系数 ( 10- 6 mK - 1 ) 13. 9 延伸率 % 2 7 5
铍铝合金 ( 高铍合金 ) 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, 在航空、 航 天工业、 计算机制造业、 汽车工业及高精、 高速度电 焊机器制造工业中得到了大量应用 [ 1~ 5] 越来越重要的新型材料 。
[ 1]
艺制造的铍铝合金由于添加了不同的合金元素, 如
3
图 3 合金扫描金相
图 4 镍成分相的分布状态
18
采
矿
技
术
2006 , 6( 4)
( 3) 精密铸造铍铝合金产品。通过熔模失蜡铸 造法得到精密铸造的合金产品。国外这种 Be- A l 精密铸件得到大量使用 , 国内通过努力已基本达到 技术要求。 3 . 2 铸态铍铝合金挤压 ( 1) 试验。将真空熔铸锭在 400 预热 2 h 后 快速移至挤压机 上进行温挤 , 挤压速 度为 15 ~ 25 mm / s, 挤压比大于 8 。金相试样经过机械研磨和抛 光后, 采用 MM 6 金相显微镜观察其显微组织。 ( 2) 试验结果及讨论。不同的挤压速度和挤压 比对样品的挤压表面和是否出现挤断现象等的影响 是不同的。表 4 例出了铸造 Be - A l锭的化学成分 和挤压后的力学性能。
0 . 16 < 0 . 01 < 0. 01 < 0. 01 余量 力学性能 ( M Pa) 屈服强度 158. 9 164. 6 160. 5 延伸率 ( % ) 11. 2 8. 8 10. 8
图 1 铍铝合金的二元合金金相图 表 2 铍铝试样的化学成分和力学性能
试 样
# 1 # 2 # 3
成分分析显示, 合金化元素镍在铍区和铝区均 有分布 (见图 3)。图 3 中的白区和黑区分别表示铝 相和铍相。在同一微区域进行成分分析发现, N i元 素主要分布在铍区中, 但 铝相中也有少量分布 ( 见 图 4), 即铍铝合金试样是由铍镍相镶嵌在铝合金相 基体中组成的。另外, 从镍铍二元相图可以知道 , 在 选择的镍添加量 ( 4 % w t) 范围内, 镍元素固溶于铍 相中 , 不会形成第二相。
样品 04- 10 - 1 样品 04- 10 - 1 04- 10 - 2 04- 10 - 3
挤压后纵向力学性能 ( M Pa) 拉伸强度 屈服强度 弹性模量 356. 2 372. 0 333. 6 277 . 1 288 . 2 267 . 5 219800 194100 186300
铍铝合金经挤压后力学性能整体提升很多 , 性 能水平接近美国 A lB e M et162挤压锭的水平 , 超过等 静压坯料水平, 接近美国 Be- A l合金挤压工艺水平 ( 见表 1)。值得注意的是 , 本试验的铸态合金和挤 压后坯料的力学性能与美国相应工艺制备出的合金 的相应性能仍有一定的差距。 (上接第 11页 )
b
180M Pa, %
1 . 5 % )。
化学成分 ( w t % )
表 3 加 N i元素样品 的化学成分和力学性能
锭号 L- 5 - 1 锭号 L- 5 - 1 L- 5 - 2 L- 5 - 3 Be Ni Fe Si Mg Mn Al
62 . 68 3 . 93 拉伸强度 234 . 1 227 . 6 224 . 4
2 国内铸态铍铝合金的研究
国内铍铝合金的研究集中在西北稀有金属材料 研究院, 主要开展合金精密铸造工艺研究、 合金冷热 等静压工艺研究和挤压工艺研究。 2 . 1 铍铝精密铸造 ( 1) 试验。利用自行设计并委托制造的 50 kg 半连续三室真空熔炼浇注设备和一些辅助装备, 通 过压型设计制造、 蜡模和陶瓷模壳制造及真空熔炼 制造得到样品。制备合金的铍原料为湖南水口山产
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王战宏 , 等 :
铍铝合金结构 材料制造研究
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核纯级铍珠并提纯 , 铝和镍分别采用高纯铝 ( 纯度 大于 99 . 99 % )和电解镍片。 对试验合金取样加工成金相试样和室温拉伸试 样 , 金相试样经过机械研磨和抛光后 , 采用 MM 6 偏 光金相显微镜观察其显微组织。用 Instron 4505 材 料试验机测量记录拉伸试样的室温拉伸强度 , 加载 速率控制为 0 . 2 mm /m in 。 ( 2) 试验结果及讨论。图 1 为铍铝二元合金金 相示意图。平衡状态下 , 铍原子在铝相中的溶解度 非常低 ( 2 . 4 % at m)
5 .6 6 .8 4 .0
化学成分 ( w t ,% ) Be Si Fe Al 62 . 16 0. 050 0. 189 余量 62 . 16 0. 031 0. 195 余量 63 . 13 0. 039 0. 205 余量
力学性能 ( M Pa) 拉伸强度 屈服强度 延伸率 115 . 5 131 . 3 113 . 2 未屈服断 93 . 3 未屈服断
[ 6]
( 收稿日期 : 2006- 09- 21) 作者简介 : 王 战宏 ( 1968 - ), 男 , 硕 士研 究生 , 高 级 工程 师 , 主要研究领域为有色金属材料的研究和发展及应用 。
的困难, 并造成矿山建设分期的不合理性。因此 , 云 驾岭铁矿的建设方案采用两井筒到底 , 分两次疏干 的分期建设方案, 即从现 有风井向下掘至 - 120 m 水平 , 再由风井向主井掘 - 87 m 疏干中段平巷, 然 后向上反掘和主井贯通。
ISSN 1671- 2900 CN 43- 1347 /TD
采矿技术 第 6 卷 第 4 期 M in ing T echno logy , Vo. l 6, N o . 4
2006 年 12 月 D ec . 2006
铍铝合金结构材料制造研究
王战宏 , 王
1 , 2
*
莉 , 买学锋 , 赵玉林
北京 宁夏 石嘴山市
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, 金相组织中铍和铝独立成相。因此 , 铝相、
铝与铍的截面特性以及铝相中含铍量的多少及状态 都极大地影响合金的性能。前苏联在精密铸造铍铝 合金中加入了微量元素来强化合金, 美国通过粉末 冶金工艺和变形加工来细化晶粒、 改变组织状态, 大 幅度提高力学性能等 综合性能。国 内通过纯化原 料 , 对精密铸造、 粉末冶金、 变形加工以及热处理等 工艺进行了研究 , 有些研究指标接近或达到前苏联 或美国相应工艺制造的铍铝合金的力学性能指标。
Leabharlann Baidu
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(1 . 北京科技大学材料科学与工程学院, 2 . 西北稀有金属材料研究院, 摘
10083 ; 753000)
要 : 铍是一种剧毒元素 , 铍铝合金复合材料的研究、 制造和加工必须在严格的防护条
件下进行。 简要介绍了国外铍铝合金的性能以及我国铸造铍铝合金的研究进展 。探讨了 合金元素镍对铸造铍铝合金性能的作用, 介绍了变形加工对精密铸造铍铝合金力学性能 的影响 , 认为添加微合金元素和变形加工能较大幅度地提高合金的力学性能 。 关键词 : 铍铝合金 ; 航空航天 ; 精密铸造; 冷热等静压
S、 i Ag、 Co 等, 使合金的力学性能有了很大提高 , 报 道的拉伸强度达到 430 M Pa 以上 , 接近纯铍的室温 拉伸强度。粉末冶金制备的铍铝合金制品主要应用 于航空和航天等敏感领域。 除了 A lB e M et1 62(洛克合金 ) 外, 布拉什 威尔 曼还开发了 A lB eCastR IC910 合金及其它合金。
[ 6]
, 为了使高温下较高的溶解度
图 2 B e- A l合金铸态组 织
保持到室温 , 浇注时尽量采用较快的冷却速度。表 2 列出了试样的化学成分和力学性能 , 表 2 中的数 据表现出强度较低而延伸率较高的现象。
强度、 屈服强度均增幅很大。由表 3 可知, 加 N i元 素后 ( 约 4 % w t), 与表 2 中的拉伸强度和屈服强度 相比几乎成倍数增加, 延伸率也有所增加, 性能完全 达到俄罗斯供应中国的铍铝合金铸件力学性能指标 (
1 国外 ( 美国 ) 铍铝合金主要性能
铍铝合金中 Be 和 A l的混合比例可以改变其物 理特性如模量和密度等 , 其力学特性也主要取决于 合金中铍 含量 及研制 工艺。美国 最常 见的 A lB e M et162( 洛克合金 ) 含有 62 % 的 Be , 其某些物理特 性和 20 时的力学特性见表 1 。 近几年, 美国布拉什 威尔曼公司的等静压工
, 已成为一种
铍铝合金分为铝基铍合金和铍基铝合金。含铍 量低于 5% 的铝基铍合金一般用于添加材料, 典型 的运用于结构材料的铍基合金为洛克合金 ( 含铍量 为 62 % 左 右 ) 。铍 在 铝 中的 固 溶 度 非 常 低 ( 2 % atm )
[ 6]
极限拉伸强度 M Pa 262 380 380
图 2 中 , Be- A l合金金相组织由黑白两相区组 成 , 黑色区域为金属铍 , 并有微量的 Si 、 M g 元素等 , 未发现 A l元素 , 说明 A l元素不能作为溶质进入 B e 中 ; 白色区域的化学成分为 A l 。 另外, 还有少量的 N、 O、 Si 、 Mg 、 Ca 等元素。由于铍原子序数很低, 白 色区域中未能探测到 B e , 但从图 1 中分析可知 , B e 元素和 A l元素几乎互不共溶。因此, 结构其实是脆 性铍相和韧性铝相相结合的金属基复合材料。 为提高合金力学性能 , 将镍金属加入铍铝合金 中。镍元素的加入, 使得试样的密度略有增加 , 约为 2 . 144 g / cm , 洛氏硬度 HRA 为 24~ 30 , 试样的抗拉
表 4 Be- A l锭的化学成分和挤压后的纵向 力学性能
化学成分 ( w t % ) Be 62. 06 Al 余量 Fe 0. 12 Si Ni Mg 0. 071 0 . 0078 0 . 049 延伸率 7 .2 9 .2 7 .2
4 结
论
( 1) 简述了美国铍铝合金的主要力学性能, 认 为铍铝合金是航空航天领域非常有影响和有前途的 结构材料。 ( 2) 研究了铍铝精密铸造合金的力学性能以及 加入 N i元素的影响, 从而认为, 用于强化铍相的 N i 合金元素对铍铝合金整体力学性能有很大的提高。 ( 3) 精密铸造铍铝合金热挤压变形加工后, 晶 粒细化变长, 力学性能进一步提高。
参考文献 :
[ 1] 刘孝宁 , 马世光 . 铍铝合金的研究与应用 [ J] . 稀有金属 , 2003, 27( 1) : 62. [ 2] [ 3] 高技术新材料要 览编辑 委员会 . 高技 术新 材料 要览 [ M ] . 北 京 : 中国科学技术出版社 , 1993. W illam S. A pp licat ion of alum inum - beryll iu m composite for structu ral aerospace com ponen t [ J] . Engineering Fa ilure A n alysis , 2004 , 11( 6 ): 895 . [ 4] Parsonage T. Beryll iu m m etal m atrix com pos ites for aerospace and comm ercial app licat ions [ J] . M aterials S cience and Techn ology, 2000 , ( 16 ): 733 . [ 5] 张鸿金 . 加强铍 材研 究 贡 献航 天 事业 [ J] . 有 色 金属 工 业 , 2003 , ( 12 ): 30 . 长崎诚三 , 平林真 . 二元合金状态图集 [ M ] . 刘安生 . 北 京: 冶 金工业出版社 , 2004 .
表 1 A lB e M et162 的物理特性和 20 时的力学特性
物理特性 工艺 热等静压锭 工艺 热等静压锭 轧制材 挤压锭 弹性模量 密 度 ( GPa) ( g/ cm 3 ) 200 2 . 1 热导率 ( w /mK - 1 ) 210 力学特性 屈服强度 M Pa 193 275 310 热膨胀系数 ( 10- 6 mK - 1 ) 13. 9 延伸率 % 2 7 5
铍铝合金 ( 高铍合金 ) 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, 在航空、 航 天工业、 计算机制造业、 汽车工业及高精、 高速度电 焊机器制造工业中得到了大量应用 [ 1~ 5] 越来越重要的新型材料 。
[ 1]
艺制造的铍铝合金由于添加了不同的合金元素, 如
3
图 3 合金扫描金相
图 4 镍成分相的分布状态
18
采
矿
技
术
2006 , 6( 4)
( 3) 精密铸造铍铝合金产品。通过熔模失蜡铸 造法得到精密铸造的合金产品。国外这种 Be- A l 精密铸件得到大量使用 , 国内通过努力已基本达到 技术要求。 3 . 2 铸态铍铝合金挤压 ( 1) 试验。将真空熔铸锭在 400 预热 2 h 后 快速移至挤压机 上进行温挤 , 挤压速 度为 15 ~ 25 mm / s, 挤压比大于 8 。金相试样经过机械研磨和抛 光后, 采用 MM 6 金相显微镜观察其显微组织。 ( 2) 试验结果及讨论。不同的挤压速度和挤压 比对样品的挤压表面和是否出现挤断现象等的影响 是不同的。表 4 例出了铸造 Be - A l锭的化学成分 和挤压后的力学性能。
0 . 16 < 0 . 01 < 0. 01 < 0. 01 余量 力学性能 ( M Pa) 屈服强度 158. 9 164. 6 160. 5 延伸率 ( % ) 11. 2 8. 8 10. 8
图 1 铍铝合金的二元合金金相图 表 2 铍铝试样的化学成分和力学性能
试 样
# 1 # 2 # 3
成分分析显示, 合金化元素镍在铍区和铝区均 有分布 (见图 3)。图 3 中的白区和黑区分别表示铝 相和铍相。在同一微区域进行成分分析发现, N i元 素主要分布在铍区中, 但 铝相中也有少量分布 ( 见 图 4), 即铍铝合金试样是由铍镍相镶嵌在铝合金相 基体中组成的。另外, 从镍铍二元相图可以知道 , 在 选择的镍添加量 ( 4 % w t) 范围内, 镍元素固溶于铍 相中 , 不会形成第二相。
样品 04- 10 - 1 样品 04- 10 - 1 04- 10 - 2 04- 10 - 3
挤压后纵向力学性能 ( M Pa) 拉伸强度 屈服强度 弹性模量 356. 2 372. 0 333. 6 277 . 1 288 . 2 267 . 5 219800 194100 186300
铍铝合金经挤压后力学性能整体提升很多 , 性 能水平接近美国 A lB e M et162挤压锭的水平 , 超过等 静压坯料水平, 接近美国 Be- A l合金挤压工艺水平 ( 见表 1)。值得注意的是 , 本试验的铸态合金和挤 压后坯料的力学性能与美国相应工艺制备出的合金 的相应性能仍有一定的差距。 (上接第 11页 )
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180M Pa, %
1 . 5 % )。
化学成分 ( w t % )
表 3 加 N i元素样品 的化学成分和力学性能
锭号 L- 5 - 1 锭号 L- 5 - 1 L- 5 - 2 L- 5 - 3 Be Ni Fe Si Mg Mn Al
62 . 68 3 . 93 拉伸强度 234 . 1 227 . 6 224 . 4
2 国内铸态铍铝合金的研究
国内铍铝合金的研究集中在西北稀有金属材料 研究院, 主要开展合金精密铸造工艺研究、 合金冷热 等静压工艺研究和挤压工艺研究。 2 . 1 铍铝精密铸造 ( 1) 试验。利用自行设计并委托制造的 50 kg 半连续三室真空熔炼浇注设备和一些辅助装备, 通 过压型设计制造、 蜡模和陶瓷模壳制造及真空熔炼 制造得到样品。制备合金的铍原料为湖南水口山产