Способ получения вакуумноплотной фольги из бериллия
METHOD OF PRODUCING VACUUM-TIGHT FOIL FROM BERYLLIUM

Изобретение относится к области металлургии, а именно к области изготовления фольги из бериллия, которая используется в различных отраслях техники, в частности, для устройств, пропускающих рентгеновские лучи и радиационные пучки, причем в настоящее время бериллий незаменим и используется в качестве выходных окон рентгеновских трубок, входных окон детекторов частиц и пропорциональных счетчиков.
Отличительная особенность бериллия - его низкая пластичность и технологичность при наличии химических примесей в нормальных условиях. Механические свойства бериллия определяются в основном чистотой металла, равномерностью распределения примесей, текстурой и величиной зерна. Качество фольги из бериллия оценивается по следующим характеристикам: равномерная толщина, вакуумная плотность, содержание примесей, шероховатость поверхности.
Основные способы получения тонкой фольги из бериллия, определяющие ее качество, следующие:
- прокатка бериллиевых заготовок, полученных из слитков или порошковых заготовок;
- вакуумное напыление бериллия на подложку с последующим ее удалением;
- вакуумное напыление в сочетании с прокаткой напиленного материала.
Известен способ получения фольги из бериллия, включающий заключение бериллиевой заготовки в металлический чехол, герметизацию, прокатку при температуре 600-800°С и удаление чехла, причем перед заключением бериллиевой заготовки в чехол ее помещают в раствор для пассивации с последующим нагревом на воздухе при температуре 550-600°С в течение времени, достаточного для образования модифицированной пассивной пленки толщиной до 10 мкм, а раствор для пассивации содержит (г/л): бихромат калия - 150-200, фтористоводородная кислота - 9,5-9,8, фторид натрия - 5-10, бериллий - 0,2-0,4, вода до 1 л. Технический результат: исключение сваривания бериллиевой заготовки с металлом чехла при прокатке и загрязнение бериллия легирующими элементами из металла чехла (патент РФ №2299102).
Недостатком этого способа является большая трудоемкость способа, малая эффективность пассивной пленки при многопроходной прокатке.
Известен способ изготовления тонкой бериллиевой фольги, включающий многостадийное осаждение паров бериллия на подложку, отделение конденсата и последующую термообработку, в котором после осаждения паров бериллия толщиной 0,5-5 мкм проводят осаждение слоя оксида бериллия толщиной 2-10 нм с последующим многократным повторением этого цикла при количестве слоев бериллия не менее пяти (патент РФ №2036244).
Недостатками этого способа являются низкие механические свойства и вакуумная плотность фольги, присутствие в фольге оксида бериллия снижает прочностные характеристики и тем самым качество фольги в целом.
-3
Известен способ получения бериллиевой фольги, включающий нанесение на подготовленную поверхность подложки подслоя, препятствующего диффузии материала фольги в подложку, последующее осаждение слоев материала фольги и отделение полученной фольги от подложки. В фольгу после отделения от подложки имплантируют алюминий путем осуществления контакта фольги с материалом на основе оксида алюминия и термообработки при температуре 900-1050°С при суммарном парциальном давлении активных газов менее 1⋅10 Па. Способ позволяет снизить хрупкость фольги при сохранении практически постоянной прозрачности окон при регистрации низкоэнергетических излучений (патент №2199606).
Недостатками этого способа являются ограниченные размеры, хрупкость фольги и снижение ее прозрачности при имплантации алюминия.
Известен способ изготовления бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, в котором для повышения качества фольги используют подложку, исключающую диффузию материала фольги в подложку, многослойное напыление слоев материала фольги на подложку и отделение фольги от подложки. Слои формируются при нанесении материала, полученного магнетронным распылением мишени при повторяющемся движении поверхности подложки (патент РФ №2188876).
Недостатком способа являются ограниченные размеры получаемой фольги, отсутствие гарантированных свойств и вакуумной плотности.
Известен способ получения тонких бериллиевых пластин с большой механической прочностью для блока выпрямления рентгеновских лучей, используемых для передачи шаблона в литографическом процессе. Бериллий или бериллиевый сплав осаждают вакуумным напылением на подготовленную базовую структуру, базовая структура затем удаляется, оставляя тонкую бериллиевую пленку. Однако на стадии осаждения в тонкой бериллиевой пленке формируются пузыри и полости. Тонкая пленка затем окончательно формируется использованием горячей прокатки, чтобы улучшить ее плотность и, соответственно, механическую прочность (патент США №5017245).
Недостатком этого способа является то, что при горячей прокатке происходит взаимодействие бериллиевой пленки с контактирующими материалами и средами, приводящее к загрязнению фольги и появлению дефектов.
Известен способ изготовления фольги из бериллия толщиной до 63,5 мкм или менее, включающий заключение бериллиевого листа в чехол из материала, имеющего соотношение обжатия, такое же, как и у бериллия, например из стали, герметизацию чехла, прокатку до требуемой толщины при температуре приблизительно 600-800°С, нагрев до температуры приблизительно 600-800°С и быстрое охлаждение, чтобы отделить фольгу бериллия от материала чехла (патент США №3354538).
Недостатком этого способа является то, что при прокатке происходит взаимное загрязнение бериллия и чехла легирующими элементами из-за их диффузии. В связи с этим фольга становится хрупкой. Кроме того, быстрое охлаждение способствует возникновению остаточных напряжений в фольге, которые могут привести к ее разрушению.
Наиболее близким является способ изготовления тонкой бериллиевой фольги из нанокристаллического бериллия толщиной до 100 мкм или менее, включающий заключение бериллиевой заготовки толщиной от 1…10 мм в металлический чехол, изготовленный из стали 20, его герметизацию, многопроходную прокатку с промежуточными подогревами при температурах 650-900°С, после каждого промежуточного подогрева выдерживают заготовку в печи не менее 5 мин, после завершения прокатки осуществляют охлаждение заготовки со скоростью не менее 10°С/мин и удаление чехла путем стравливания с последующим травлением или шлифованием поверхности фольги (патент РФ №2497611).
Недостатком этого способа является то, что для получения фольги используется нетехнологичный материал, содержащий газовые включения, что приводит к разрушению и коррозии фольги.
2
Задачей изобретения является разработка способа получения вакуумноплотной фольги из бериллия толщиной от 300 мкм до 100 мкм и площадью до 600 см, при этом не изменяется химический состав бериллия в сравнении с исходной заготовкой, соответственно бериллиевой фольге обеспечиваются требуемые характеристики рентгеновской прозрачности и вакуумной плотности.
Технический результат получение вакуумноплотной фольги из бериллия с требуемыми характеристики рентгеновской прозрачности, химической чистоты и вакуумной плотности.
Технический результат достигается в способе получения вакуумноплотной фольги из бериллия, включающем заключение заготовки бериллия в металлический чехол, его герметизацию, нагрев до температуры прокатки, многопроходную прокатку заготовки из бериллия в металлическом чехле с промежуточными выдержками и подогревами, охлаждение, удаление чехла и шлифование поверхности полученной фольги, причем в качестве заготовки бериллия используют дистиллированный бериллий, заготовку бериллия в металлическом чехле нагревают до температуры 910-950°С и осуществляют многопроходную прокатку с относительным обжатием от 1% до 10% за проход, причем после каждого прохода проводят промежуточные выдержки в течение 3-5 минут и изменяют направление прокатки сначала на 90° до достижения суммарной степени деформации 60%, а затем на 180° до достижения суммарной степени деформации 97%.
Охлаждение катаной бериллиевой заготовки в металлическом чехле проводят в термостате до комнатной температуры в течение 48 часов.
В качестве заготовки используют дистиллированный бериллий марок ДВ-56, ДВР-56, ДИП-56, ДС-30, ДГП-56, ДШГ-56 и ТГП-56ПС.
В качестве металлического чехла используют стали марок Ст10, Ст30 или никель.
2
Использование в качестве заготовки дистиллированного бериллия марок ДВ-56, ДВР-56, ДИП-56, ДС-30, ДГП-56, ДШГ-56 и ТГП-56ПС позволяет получить вакуумплотные фольги из бериллия толщиной от 300 мкм до 100 мкм и площадью до 600 см с требуемыми характеристики рентгеновской прозрачности и химической чистоты.
Использование металлического чехла из Ст10, Ст30 или никеля и проведение прокатки при выбранных параметрах позволяет исключить разрушение бериллиевой заготовки, что позволяет сохранить химический состав исходного бериллия, получить вакуумплотный и рентгеновски прозрачный прокат.
При осуществлении многопроходной прокатки с относительным обжатием от 1% до 10% за проход, с изменением направления прокатки на 90° после каждого прохода до суммарной степени деформации 60%, а затем с изменением направления прокатки на 180° после каждого прохода, до суммарной степени деформации 97% и относительным обжатием меньше 1% увеличивается время прокатки, а при относительным обжатием более 10% за проход повышается вероятность разрушения чехла.
После завершения прокатки заготовку помещают в термостат для охлаждения до комнатной температуры в течение 48 часов, при больших скоростях охлаждения происходит деформация и разрушение проката.
2
Предлагаемым способом были изготовлены вакуумноплотные бериллиевые фольги толщиной от 300 мкм до 100 мкм и площадью до 600 см.
Способ осуществляется следующим образом:
Заключают заготовку из дистиллированного бериллия толщиной от 1 мм и более, в металлический чехол, изготовленный из стали марок Ст10, Ст30 или никеля. Чехол подвергают герметизации путем заваривания аргонодуговой сваркой, нагреву до заданной температуры, многопроходной прокаткой при температуре 910-950°С, с относительным обжатием от 1% до 10% за проход, с изменением направления прокатки на 90° после каждого прохода до суммарной степени деформации 60%, а затем с изменением направления прокатки на 180° после каждого прохода, до суммарной степени деформации 97%, с промежуточными выдержками после каждой прокатки при температуре 910-950°С, в течение от 3 до 5 минут. После завершения прокатки заготовку помещают в термостат для охлаждения до комнатной температуры в течение 48 часов. Удаление чехла осуществляется путем стравливания в 5-10% растворе азотной кислоты и последующим шлифованием поверхности фольги, для удаления остаточного поверхностного слоя, насыщенного компонентами чехла.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующим примерами:
Пример 1. Заготовка из дистиллированного бериллия толщиной 5 мм, диаметром 50 мм была заключена в стальной чехол из Ст10 и подвергнута многопроходной прокатке при температуре 910°C с относительным обжатием 5% за проход, с изменением направления прокатки на 90° после каждого прохода до суммарной степени деформации 60%, а затем с изменением направления прокатки на 180° после каждого прохода, до суммарной степени деформации 94% с промежуточными выдержками после каждой прокатки при температуре 910°С, в течение 5 минут. После завершения прокатки заготовку помещали в термостат для охлаждения до комнатной температуры в течение 48 часов. Удаление чехла осуществляли путем стравливания в 10% растворе азотной кислоты.
2
В результате была получена катаная заготовка бериллия толщиной 300 мкм и площадью 600 см. После шлифовки была получена качественная вакуумноплотная фольга из бериллия толщиной 200 мкм.
Пример 2. Заготовка из дистиллированного бериллия толщиной 5 мм, диаметром 50 мм была заключена в стальной чехол из Ст30 и подвергнута многопроходной прокатке при температуре 950°С с относительным обжатием 10% за проход, с изменением направления прокатки на 90° после каждого прохода до суммарной степени деформации 60%, а затем с изменением направления прокатки на 180° после каждого прохода, до суммарной степени деформации 96% с промежуточными выдержками после каждой прокатки при температуре 950°С, в течение 3 минут. После завершения прокатки заготовку помещали в термостат для охлаждения до комнатной температуры в течение 48 часов. Удаление чехла осуществляли путем стравливания в 5% растворе азотной кислоты.
2
В результате была получена катаная заготовка бериллия толщиной 200 мкм и площадью 650 см. После шлифовки была получена качественная вакуумноплотная фольга из бериллия толщиной 150 мкм.
Пример 3. Заготовка из дистиллированного бериллия толщиной 5 мм, диаметром 50 мм была заключена в никелевый чехол и подвергнута многопроходной прокатке при температуре 920°C с относительным обжатием 3% за проход, с изменением направления прокатки на 90° после каждого прохода до суммарной степени деформации 50%, а затем с изменением направления прокатки на 180° после каждого прохода до суммарной степени деформации 97%, с промежуточными выдержками после каждой прокатки при температуре 920°С, в течение 4 минут. После завершения прокатки заготовку помещали в термостат для охлаждения до комнатной температуры в течение 48 часов. Удаление чехла осуществляется путем стравливания в 7% растворе азотной кислоты.
2
В результате была получена катаная заготовка бериллия толщиной 150 мкм и площадью 450 см. После шлифовки была получена качественная вакуумноплотная фольга из бериллия толщиной 100 мкм.
Пример 4. Заготовка из дистиллированного бериллия толщиной 5,5 мм, диаметром 50 мм была заключена в никелевый чехол и подвергнута многопроходной прокатке при температуре 920°C с относительным обжатием 1% за проход, с изменением направления прокатки на 90° после каждого прохода до суммарной степени деформации 50%, а затем с изменением направления прокатки на 180° после каждого прохода до суммарной степени деформации 97%, с промежуточными выдержками после каждой прокатки при температуре 920°С, в течение 4 минут. После завершения прокатки заготовку помещали в термостат для охлаждения до комнатной температуры в течение 48 часов. Удаление чехла осуществляется путем стравливания в 7% растворе азотной кислоты.
2
В результате была получена катаная заготовка бериллия толщиной 150 мкм и площадью 550 см. После шлифовки была получена качественная вакуумноплотная фольга из бериллия толщиной 100 мкм.
Пример 5. Заготовка из дистиллированного бериллия толщиной 7 мм, диаметром 50 мм была заключена в никелевый чехол и подвергнута многопроходной прокатке при температуре 940°C с относительным обжатием 2% за проход, с изменением направления прокатки на 90° после каждого прохода до суммарной степени деформации 60%, а затем с изменением направления прокатки на 180° после каждого прохода до суммарной степени деформации 97%, с промежуточными выдержками после каждой прокатки при температуре 920°С, в течение 4 минут. После завершения прокатки заготовку помещали в термостат для охлаждения до комнатной температуры в течение 48 часов. Удаление чехла осуществляется путем стравливания в 7% растворе азотной кислоты.
2
В результате была получена катаная заготовка бериллия толщиной 200 мкм и площадью 530 см. После шлифовки была получена качественная вакуумноплотная фольга из бериллия толщиной 150 мкм.
-9
Химический состав и содержание примесей определялись на рентгенофлуоресцентном спектрометре ARL Advant'X. Вакуумная плотность определялась на образцах фольги диаметром 8, 10, 15 и 20 мм в приспособлении с помощью гелиевого течеискателя Shimadzu MSE - 2000R, скорость натекания < 1×10 Па⋅м3/сек.
Шероховатость поверхности Ra ≤ 0.20 мкм, измерялась на вакуумплотных образцах фольги на приборе TR 100.
В таблице представлен химический состав заготовок и фольги из бериллия, полученной по предлагаемому способу.
Как видно из таблицы, в процессе многопроходной прокатки химический состав бериллия не изменился. Высокая химическая чистота материала фольг обуславливает низкий коэффициент поглощения рентгеновского излучения.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления фольги из бериллия является более технологичным, позволяет сохранить химический состав исходного бериллия, что обуславливает низкий коэффициент поглощения рентгеновского излучения и обеспечивает рентгеновскую прозрачность и вакуумную плотность фольги.