一種制備各向同性超高強耐熱鎂合金結構件的鍛造工藝的制作方法

本發明涉及高強耐熱鎂合金的熱變形領域，特別涉及mg-gd-y-zr系鎂合金多向鍛造變形。

背景技術：

鎂合金具有儲量大，密度低，比強度、比剛度高等優點，被譽為“21世紀綠色材料”。相比壓鑄件，變形鎂合金以其特殊的優勢獲得越來越多的應用。變形鎂合金可以通過變形獲得理想的形狀和尺寸，也可以利用變形來消除鑄造缺陷，細化晶粒，進而提高力學性能。mg-gd-y-zr合金作為一種典型的變形鎂合金，以其優異的力學性能和耐熱性廣受關注。目前，mg-gd-y-zr合金的應用仍以擠壓型材，軋制板材為主，大規格自由鍛件的應用很少。原因有以下幾點：第一，gd、y等稀土的加入使得鎂合金變形抗力增加，加工窗口縮小；第二，由于摩擦力等因素，樣件在自由鍛造時存在難易變形區，變形不均勻且難以深入，造成組織和力學性能不均勻；第三，鎂合金具有特殊的密排六方結構，變形過程極易產生織構，造成明顯的力學性能各向異性。這三點原因導致很難制備出組織均勻、性能達標、各向異性小的大規格mg-gd-y-zr鍛件。

但由于航空航天領域存在迫切的減重需求，大規格超高強耐熱mg-gd-y-zr合金鍛件無疑會在上述領域有很好的應用前景。通過改進和創新鍛造工藝來解決以上三個問題，就成了推廣mg-gd-y-zr合金鍛件應用的關鍵。

技術實現要素：

本發明的目的在于開發一種制備各向同性超高強耐熱鎂合金結構件的鍛造工藝，改進現有mg-gd-y-zr合金鍛造工藝上的不足。本發明的方法是：

1.采用半連續鑄造方法制備鎂合金鑄錠，澆鑄時在結晶器內施加電磁場，制備出規格為φ340-630mm，長度≥2000mm的錠坯，鑄錠澆鑄結束后立即在150-300℃保溫12-16h去應力退火；

2.在480-540℃保溫15-25h進行均勻化處理，然后隨爐冷卻至室溫；

3.對鑄錠進行車皮，探傷，鋸床下料，得到尺寸為φ320-600mm，長度800-1200mm的圓柱形錠坯。

4.在450℃-530℃加熱坯料，保溫10-16h；鍛造前坯料保溫溫度過高，有過燒的危險，保溫溫度過低，變形時容易開裂，且不容易發生動態再結晶，晶粒細化效果不好。在450-530℃的溫度區間保溫坯料，既避免了過燒危險，又保證了合金的變形能力，促進其發生動態再結晶，細化晶粒。

5.對上下平砧進行加熱，溫度為250-350℃；自由鍛造過程中，鍛件暴露在空氣中，表面溫度下降得很快，容易開裂，而加熱平砧則有助于在變形過程中保溫鍛件，減少開裂的風險。平砧在250℃-350℃溫度范圍內對鍛件的保溫效果較好，且容易快速實現。當平砧加熱溫度低于此范圍時，保溫鍛件的效果不好；而平砧的加熱溫度過高時，則耗時耗能，增加工序，影響生產效率。

6.在立式液壓機上進行6-10mm/s慢速多道次自由多向鍛造；具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意兩個相互垂直的徑向分別為z，y和x方向。首先沿著z，y和x方向進行3-6道次鐓粗，道次變形量為20-40%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x中一個方向為軸，滾動壓縮棱角2-6道次，道次變形量10-30%,將6面體壓成10-18面體；最后立起鐓粗，壓下量20-40%，將其壓成近似圓柱體；對于鎂合金大型鍛件而言，由于存在摩擦力等因素，鍛件存在難易變形區，變形不均勻；特殊的密排六方結構又使得其極易在變形過程中產生強烈的織構，對最終的力學性能或后續的加工變形產生影響。而本發明中的鍛造方法，除了在z，y，x三個方向進行多道次大變形量鍛造變形，有效細化晶粒以外。還以y或x為軸，滾動壓縮棱角，這種方式既能夠讓鍛件表面獲得一定的變形量，又可以弱化沿z、y和x方向大變形帶來的強烈織構，使得鍛件內外部分變形均勻，力學性能各向異性很小。壓縮棱角道次過少或者道次變形量過小，表面難以獲得充足的變形，弱化織構的效果也不好；壓縮棱角道次過多，鍛件降溫明顯，容易開裂，道次變形量過大，則容易產生新的織構。本發明中，每火次鍛造壓縮棱角2-6道次，單道次變形量10-20%，在保證合金不開裂的前提下，使表面獲得盡可能多的變形量，同時有效弱化了之前大變形帶來的強烈織構。

7.回爐再在440-520℃中間退火保溫0.5-2h，取出后以新的圓柱體的高向，兩個垂直的徑向分別為z，y和x方向重復上述鍛造和中間退火工藝1-2次，最后1火次鍛造結束后空冷。中間退火溫度過高或保溫時間過長，晶粒容易過分長大，損害力學性能；退火溫度過低或時間過短，對鍛件的保溫效果不好，變形時鍛件容易開裂。本發明中的中間退火制度，充分利用每火次鍛造結束后鍛件仍保留一定溫度的特點，每次中間退火適當降低溫度，在對鍛件實現充分保溫的同時，避免了因溫度過高導致的晶粒過分長大的問題。

8.對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為380-450℃保溫30-120min，時效制度為200-250℃保溫10-72h。采用本發明中的固溶處理制度，在消除加工硬化的同時，也使材料發生一定程度的靜態再結晶，進一步弱化織構。固溶處理溫度過高時，再結晶晶粒長大明顯，影響力學性能，固溶處理溫度過低，加工硬化消除的不好，影響延伸率。而時效溫度過高或者時間過長，時效分解相尺寸過大，強化效果不好，時效溫度過低或者時間過短，溶質原子擴散緩慢，到達峰值時效的時間過長，影響生產效率。而采用本發明中的時效制度，到達峰值時效時間較短，強化效果也很顯著。

所述的步驟4中在多向鍛造前480-520℃保溫坯料10-14h。

所述的步驟5中的加熱溫度為300-350℃。

所述的步驟6中首先沿著z，y和x方向進行3-6道次鐓粗，道次變形量為30-40%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x方向為軸，滾動壓縮棱角4-6道次，道次變形量15-20%,將6面體壓成14-18面體。

所述的步驟7中在470-510℃回爐退火0.5-1.5h，且每次退火溫度比前一次低10℃。

所述的步驟8中固溶處理制度為420-440℃保溫45-90min，時效制度為210-230℃保溫10-20h。

本發明的優點：

1.對鑄錠進行多向鍛造時，首次采用滾動壓縮棱角的方式，既使得鍛件表面獲得了足夠的變形量，又有效消除了沿z，y和x方向大變形導致的強烈織構，使得制備的大規格mg-gd-y-zr鍛件各個部位變形均勻，各向異性很小。

2.利用每火次鍛造結束后鍛件仍保留一定溫度的特點，采取每次中間退火溫度比前一次低10℃的方式，既實現了鍛件的充分保溫，又避免了保溫溫度過高帶來的晶粒過分長大的問題，使得鍛件擁有很高的力學性能。

3.采用t6熱處理制度，在消除加工硬化、提高延伸率的同時，利用靜態再結晶進一步弱化變形織構，使得鍛件力學性能各向異性非常小。其t6態室溫高向，徑向抗拉強度均≥460mpa，屈服強度≥400mpa，延伸率≥4%，高向，徑向強度差別≤10mpa,延伸率≤0.5%；200℃時，高向，徑向抗拉強度均≥350mpa，延伸率≥6%。

附圖說明

圖1為本發明所使用的機加后直徑φ420mm鑄錠錠坯圖；

圖2為本發明制備的高度450-700mm的多向鍛造鍛件圖。

具體實施方式

實施例1

采用半連續電磁鑄造方法制備直徑φ400mm，長度2500mm，成份為mg-8.65gd-2.43y-0.28ag-0.16er-0.38zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結束后在250℃保溫12h去應力退火，機械加工出直徑φ380mm，長度830mm錠坯。在490℃均勻化退火20h后隨爐冷卻至室溫。鍛造前510℃加熱保溫錠坯10h，加熱上下平砧至325℃，在立式液壓機上進行10mm/s慢速多道次多向鍛造，具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意垂直的兩個徑向分別為z，y和x方向；首先沿著z，y和x方向進行3道次鐓粗，道次變形量為40%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x為軸，滾動壓縮棱角5道次，道次變形量30%,將6面體壓成16面體；最后立起鐓粗，壓下量20%，將其壓成近似圓柱體。鍛造結束后回爐500℃保溫1h。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝，最后壓成高度為330mm的近似圓柱，鍛造結束后空冷至室溫。對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為420℃保溫90min,時效制度為210℃保溫48h。具體力學性能列于表1。

實施例2

采用半連續電磁鑄造制備出直徑φ450mm，長度2300mm，成分為mg-8.72gd-2.84y-0.22ag-0.11er-0.31zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結束后在225℃保溫14h去應力退火，機械加工出直徑φ420mm，長度930mm的錠坯，具體實物見圖1。在520℃均勻化退火保溫18h，結束后隨爐冷卻至室溫。鍛造前490℃保溫錠坯16h，加熱平砧至350℃，在立式液壓機上進行8mm/s慢速多道次多向鍛造，具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意垂直的兩個徑向分別為z，y和x方向；首先沿著z，y和x方向進行6道次鐓粗，道次變形量為30%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x為軸，滾動壓縮棱角6道次，道次變形量20%,將6面體壓成18面體；最后立起鐓粗，壓下量25%，將其壓成近似圓柱體。回爐480℃保溫1h。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝，然后回爐470℃保溫1.5h。出爐后再次以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝，最后壓成高度為490mm的近似圓柱，鍛造結束后空冷至室溫，具體實物見圖2。對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為430℃保溫60min,時效制度為225℃保溫18h。具體力學性能見表1。

實施例3

采用半連續電磁鑄造制備出直徑φ450mm，長度2300mm，成份為mg-8.94gd-2.94y-0.18ag-0.10er-0.45zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結束后在240℃保溫14h去應力退火，機械加工出直徑φ420mm，長度1020mm的錠坯，具體實物見圖1。在500℃均勻化退火保溫20h，結束后隨爐冷卻至室溫。鍛造前520℃保溫錠坯10h，加熱平砧至300℃，出爐后在立式液壓機上進行8mm/s慢速多道次多向鍛造，具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意垂直的兩個徑向分別為z，y和x方向；首先沿著z，y和x方向進行6道次鐓粗，道次變形量為25%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x為軸，滾動壓縮棱角6道次，道次變形量15%,將6面體壓成18面體；最后立起鐓粗，壓下量30%，將其壓成近似圓柱體。回爐510℃保溫45min。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝。鍛造結束后繼續回爐500℃保溫60min。出爐后再次重復上述鍛造工藝，最后壓成高度為500mm的近似圓柱，鍛造結束后空冷至室溫，具體實物見圖2。對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為440℃保溫45min,時效制度為230℃保溫12h。具體力學性能見表1。

表1實施例中鍛件的力學性能