本發(fā)明涉及鎂合金的變形領(lǐng)域，特別涉及mg-gd-y-zr稀土鎂合金的鍛造變形與環(huán)軋變形領(lǐng)域。

技術(shù)背景

作為航空航天領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)件，大直徑殼體件一般由鋁合金制備。但鑒于上述領(lǐng)域存在迫切的減重需求，用密度更小的鎂合金來替代部分鋁制殼體件，對于減少燃料消耗，提升飛行器的速度和飛行距離，意義重大。但是，利用鎂合金制備性能合格的殼體件有一定的難度。飛行器特殊的工作環(huán)境要求結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，耐熱性好。但是開發(fā)較為成熟的傳統(tǒng)鎂合金，如mg-al-zn系、mg-zn-zr系等，普遍存在力學(xué)性能偏低，耐熱性能差等缺點，很難利用上述鎂合金制備性能合格的殼體件。研究表明，向鎂合金中添加稀土元素如gd,y,nd，設(shè)計出的mg-gd-y-zr等合金系，可以使鎂合金獲得很高甚至是超高的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐熱性。但是稀土在提高鎂合金強度和耐熱性能的同時，也提高了其變形抗力，縮小了適合變形的溫度和速度窗口。而且，鎂合金特殊的密排六方結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其很容易在變形中產(chǎn)生強烈的織構(gòu)，這會限制其繼續(xù)變形的能力。這些因素使得難以制備出具有超高強度、高耐熱性能的鎂合金殼體件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為具有大直徑超高強度高耐熱性能的mg-gd-y-zr殼體件提供切實可行的成型工藝，以滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Ω邚娔蜔徭V合金殼體件的需求。本發(fā)明提出的工藝如下：

1.采用半連續(xù)電磁鑄造方法制備鎂合金鑄錠，規(guī)格為φ340-630mm，長度≥2000mm的錠坯，鑄錠澆鑄結(jié)束后立即在150-300℃保溫12-16h去應(yīng)力退火。

2.在480-540℃保溫15-25h進(jìn)行均勻化處理，然后隨爐冷卻至室溫。

3.對鑄錠進(jìn)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.鍛造前在450℃-530℃溫度范圍對坯料進(jìn)行10-16h保溫，并對上下平砧在250-350℃溫度范圍進(jìn)行加熱；坯料保溫溫度過高，有過燒的危險，保溫溫度過低，容易導(dǎo)致開裂，且不容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。選擇450-530℃對坯料保溫的原因在于，此溫度區(qū)間既避免了過燒危險，又保證了合金的變形能力，促進(jìn)其發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒。而由于是自由鍛造，鍛件暴露在空氣中，溫度不斷降低，所以需要加熱砧板來保溫鍛件。砧板溫度過低，不能起到很好的保溫效果，而將砧板加熱到很高的溫度則耗時耗能，增加工序。將砧板加熱至250-350℃，既可以起到較好的保溫效果，又容易快速實現(xiàn)，提高了生產(chǎn)效率。

5.在立式液壓機上進(jìn)行6-10mm/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(jìn)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，單道次變形量10-20%,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；回爐440-520℃退火保溫0.5-2h，取出后以新的圓柱體的高向，兩個任意垂直的徑向分別為z，y和x方向重復(fù)上述鍛造和中間退火工藝1-2次，最終鐓粗得到高度300-700mm的近似圓柱體坯料，空冷。本發(fā)明中的鍛造方法，除了在z，y，x三個方向進(jìn)行多道次大變形量鍛造變形，有效細(xì)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足夠的變形量，又可以有效弱化之前大變形量帶來的強烈織構(gòu)，使得鍛件內(nèi)外部分變形均勻，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(gòu)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(chǎn)生新的織構(gòu)。本發(fā)明中壓縮棱角2-6次，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，同時又弱化了之前大變形量導(dǎo)致的強烈織構(gòu)。當(dāng)鍛件溫度過低時，需要對其進(jìn)行中間退火。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(xué)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(fā)明中的中間退火制度，充分利用每火次鍛造結(jié)束后鍛件仍保留一定溫度的特點，每次中間退火適當(dāng)降低溫度，在對鍛件實現(xiàn)充分保溫的同時，避免了因溫度過高導(dǎo)致的晶粒過分長大的問題。

6.在錠坯中心處機械穿孔，孔尺寸φ200-280mm。

7.在環(huán)軋機上對錠坯進(jìn)行一火次或多火次環(huán)軋成形，環(huán)軋前460-530℃保溫錠坯4-6h,預(yù)熱主動輥、芯輥、抱輥和上下錐輥。軋制時主動輥轉(zhuǎn)速為8-30r/min，芯輥直線給進(jìn)速度0.2-2.0mm/s，上錐輥沿軋件高向施加2-10mm變形量，軋輥溫度250-300℃；每火次軋制變形量20%-60%、軋制結(jié)束后回爐450-520℃保溫0.5-2h；利用不同火次的環(huán)軋變形，制備出外徑φ600-1700mm、壁厚35-100mm、高度300-700mm的鎂合金殼體件，空冷至室溫。制備大直徑殼體件所需變形量大，變形時間長，利用一火次環(huán)軋很難成型，利用多火次環(huán)軋，均衡分配每火次變形量，容易實現(xiàn)成型，但中間退火導(dǎo)致晶粒長大，對性能會有所損害。采用450-520℃保溫0.5-2h的中間退火工藝，且每次保溫比前一次低10℃，既確保了熱透性，使軋件不容易開裂，又抑制晶粒的過分長大，保證了力學(xué)性能。環(huán)軋時利用錐輥施加高向變形量可以避免產(chǎn)生“魚尾”等缺陷，但高向變形量過大也會導(dǎo)致軋件應(yīng)力狀態(tài)變得復(fù)雜，鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)很容易導(dǎo)致其開裂，在高向施加2-10mm的小變形量既可以消除“魚尾”缺陷，又避免因應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜使軋件開裂。

8.成形后對殼體件進(jìn)行t6處理，固溶處理工藝為350-450℃保溫30-120min，采用本發(fā)明中的固溶制度，t4態(tài)材料強度變化不大，延伸率卻大幅度提高。高于此工藝范圍則容易引起晶粒過分長大，損害強度，低于此范圍則導(dǎo)致消除加工硬化的效果不好，延伸率提升不明顯。時效制度為200-250℃保溫10-72h，時效溫度過高或時間過長，分解相尺寸過大，強化效果不好，時效溫度過低或時間過短，達(dá)到峰值時效所需時間過長，影響生產(chǎn)效率，強化效果亦受限制。采用本發(fā)明的時效制度，達(dá)到峰值時效所需時間較短，強化效果也十分顯著。綜合利用本發(fā)明中固溶處理+時效的t6熱處理制度，使得殼體件具備超高的強度和高延展性。

所述步驟4中在多向鍛造前480-520℃保溫坯料10-14h，在300-350℃加熱砧板。

所述步驟5中首先沿著z，y和x方向進(jìn)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；中間退火工藝為470-510℃保溫0.5-1.5h，且每次中間退火溫度比前一次低10℃。

所述步驟7中在環(huán)形軋制前在480-520℃保溫錠坯4-6h，軋制時錐輥沿軋件高向施加2-4mm壓下量，中間退火工藝為470-510℃保溫0.5-2h，且每次保溫比前一次溫度降低10℃,最終制備出最大直徑為φ1700mm的殼體件。

所述步驟8中固溶處理制度為410-430℃保溫45-90min，時效制度為210-230℃保溫10-20h。

本發(fā)明主要優(yōu)點

1.對鑄錠進(jìn)行鍛造開坯時，首次采用滾動壓縮棱角的變形方式，既使得錠坯表面獲得足夠的變形量，又有效消除了沿z，y和x方向大變形帶來的強烈織構(gòu)，為后續(xù)的環(huán)軋變形提供了各部位變形均勻，各向異性小的優(yōu)質(zhì)鍛坯，有力保證了環(huán)軋的成功。

2.環(huán)軋時通過精確控制錐輥沿高向的壓下量，既消除了“魚尾”缺陷，又避免了因軋件應(yīng)力復(fù)雜化導(dǎo)致的開裂問題；而通過采用多火次環(huán)軋，均衡分配每火次的變形量、以及每次中間退火比前一次降低10℃的方式，首次成功制備出最大外徑φ1700mm，力學(xué)性能優(yōu)異的環(huán)形件。

3.通過對軋件進(jìn)行t6熱處理工藝，使其獲得了室溫切向、高向抗拉強度≥470mpa,伸長率≥5%,200℃時切向、高向抗拉強度≥350mpa,伸長率≥7%的優(yōu)異力學(xué)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所使用的φ450mm半連續(xù)鑄錠圖；

圖2為本發(fā)明所制備的高度330-500mm的近似圓柱體鍛坯圖；

圖3為本發(fā)明制備出的大直徑超高強耐高溫鎂合金殼體件圖。

具體實施方式

實施例1

首先利用半連續(xù)電磁鑄造制備直徑φ400mm，長2500mm,成份為mg-9.20gd-2.90y-0.20ag-0.05er-0.39zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結(jié)束后在225℃保溫14h去應(yīng)力退火，機械加工出直徑φ380mm、長度800mm的錠坯，520℃保溫15h進(jìn)行均勻化退火。對鑄錠進(jìn)行鍛造開坯，鍛造前490℃保溫錠坯10h，將上下平砧加熱至350℃，在立式油壓機上對錠坯進(jìn)行10mm/s慢速多道次鍛造變形，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(jìn)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4道次，道次變形量20%,將6面體壓成14面體；最后立起鐓粗，壓下量25%，將其壓成近似圓柱體?；貭t480℃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(fù)上述鍛造工藝，最后壓成高度為330mm的近似圓柱，鍛造結(jié)束后空冷至室溫。在坯料中心處機械穿孔，孔尺寸φ260mm。480℃保溫6h后，在軋機上對錠坯進(jìn)行一火次環(huán)軋成形，軋制時主動輥轉(zhuǎn)速為10r/min，芯輥直線給進(jìn)速度0.4mm/s，錐輥沿高向壓下量為2mm,軋制變形量54%，軋輥溫度250℃，軋制出外徑φ941mm，高度328mm，壁厚74mm的殼體件，空冷至室溫。對殼體件進(jìn)行t6處理，固溶處理制度為430℃保溫1h,然后在210℃進(jìn)行48h時效保溫。t6態(tài)拉伸力學(xué)性能列于表1。

實施例2

首先利用半連續(xù)電磁鑄造制備直徑φ450mm，長2500mm,成份為mg-8.92gd-2.23y-0.28ag-0.12er-0.36zr(wt.%)鑄錠，如圖1所示，在200℃保溫16h去應(yīng)力退火，機械加工出直徑φ420mm,長度為1075mm的錠坯，對錠坯進(jìn)行490℃保溫20h的均勻化退火。對鑄錠進(jìn)行鍛造開坯，鍛造前520℃保溫錠坯10h，上下平砧加熱至325℃，在立式油壓機上進(jìn)行6mm/s的慢速多道次鍛造變形，具體流程如下：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(jìn)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20%，將其壓成近似圓柱體。回爐510℃保溫0.5h。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(fù)上述鍛造工藝。鍛造結(jié)束后回爐500℃保溫1h，出爐后重復(fù)上述鍛造工藝，最后壓成高度為490mm的近似圓柱體，空冷至室溫。在錠坯中心處機械穿孔，孔尺寸φ265mm。510℃保溫錠坯6h后，在環(huán)軋機上對錠坯進(jìn)行兩次環(huán)軋成形。軋制時主動輥轉(zhuǎn)速為12r/min，芯輥直線給進(jìn)速度0.2mm/s。第一次環(huán)軋變形量為20%,錐輥沿高向壓下量為3mm，軋輥溫度為250℃。第一次環(huán)軋結(jié)束后進(jìn)爐500℃保溫1h，第二次環(huán)軋變形量為55%,錐輥沿高向壓下量為3mm，軋輥溫度為280℃，軋制出外徑φ1200mm,高度484mm，壁厚60mm的殼體件，空冷至室溫。具體實物參見圖3左。對殼體件進(jìn)行t6處理，固溶處理制度為410℃保溫2h，時效制度為225℃保溫12h。t6態(tài)拉伸力學(xué)性能列于表1。

實施例3

首先利用半連續(xù)電磁鑄造制備直徑φ450mm，長2500mm,成份為mg-8.71gd-2.64y-0.25ag-0.12er-0.35zr(wt.%)鑄錠，在250℃保溫14h去應(yīng)力退火，機械加工出直徑φ420mm,長度為1075mm的錠坯，500℃保溫15h均勻化退火。對鑄錠進(jìn)行鍛造開坯，鍛造前將錠坯在510℃保溫12h，加熱上下平砧到300℃，然后在立式油壓機上進(jìn)行8mm/s的慢速多向鍛造，具體流程如下：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(jìn)行4道次鐓粗，道次變形量為35%，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4道次，道次變形量15%,將6面體壓成14面體；最后立起鐓粗，壓下量20%，將其壓成近似圓柱體?；貭t510℃保溫1.5h。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(fù)上述鍛造和退火工藝2次，最后壓成高度為500mm的近似圓柱體，鍛造結(jié)束后空冷至室溫，具體實物見圖2中7#。在坯料中心處機械穿孔，孔尺寸為φ270mm。490℃保溫錠坯6h后，在環(huán)軋機上對錠坯進(jìn)行3次環(huán)軋成形。軋制時主動輥轉(zhuǎn)速為16r/min，芯輥直線給進(jìn)速度0.2mm/s。第一次軋制變形量為20%,錐輥沿高向壓下量為2mm，軋輥溫度為270℃，第一次環(huán)軋結(jié)束回爐480℃保溫1h。第二次軋制變形量為42%，錐輥沿高向壓下量為3mm，軋輥溫度290℃，第二次環(huán)軋結(jié)束回爐470℃保溫1.5h。第三次軋制變形量為42%，錐輥沿高向壓下量為3mm，軋輥溫度300℃，軋制出外徑φ1700mm,壁厚35mm，高度492mm的殼體件，空冷至室溫。具體實物參見圖3右。對殼體件進(jìn)行t6處理，固溶處理制度為410℃保溫1.5h,時效工藝為230℃保溫12h。t6態(tài)拉伸力學(xué)性能列于表1。

表1實施例中鎂合金殼體件力學(xué)性能