本發(fā)明涉及高強(qiáng)耐熱鎂合金的熱變形領(lǐng)域，特別涉及mg-gd-y-zr系鎂合金多向鍛造變形。

背景技術(shù)：

鎂合金具有儲(chǔ)量大，密度低，比強(qiáng)度、比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色材料”。相比壓鑄件，變形鎂合金以其特殊的優(yōu)勢(shì)獲得越來越多的應(yīng)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(xì)化晶粒，進(jìn)而提高力學(xué)性能。mg-gd-y-zr合金作為一種典型的變形鎂合金，以其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性廣受關(guān)注。目前，mg-gd-y-zr合金的應(yīng)用仍以擠壓型材，軋制板材為主，大規(guī)格自由鍛件的應(yīng)用很少。原因有以下幾點(diǎn)：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(shí)存在難易變形區(qū)，變形不均勻且難以深入，造成組織和力學(xué)性能不均勻；第三，鎂合金具有特殊的密排六方結(jié)構(gòu)，變形過程極易產(chǎn)生織構(gòu)，造成明顯的力學(xué)性能各向異性。這三點(diǎn)原因?qū)е潞茈y制備出組織均勻、性能達(dá)標(biāo)、各向異性小的大規(guī)格mg-gd-y-zr鍛件。

但由于航空航天領(lǐng)域存在迫切的減重需求，大規(guī)格超高強(qiáng)耐熱mg-gd-y-zr合金鍛件無疑會(huì)在上述領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。通過改進(jìn)和創(chuàng)新鍛造工藝來解決以上三個(gè)問題，就成了推廣mg-gd-y-zr合金鍛件應(yīng)用的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種制備各向同性超高強(qiáng)耐熱鎂合金結(jié)構(gòu)件的鍛造工藝，改進(jìn)現(xiàn)有mg-gd-y-zr合金鍛造工藝上的不足。本發(fā)明的方法是：

1.采用半連續(xù)鑄造方法制備鎂合金鑄錠，澆鑄時(shí)在結(jié)晶器內(nèi)施加電磁場(chǎng)，制備出規(guī)格為φ340-630mm，長(zhǎng)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(duì)鑄錠進(jìn)行車皮，探傷，鋸床下料，得到尺寸為φ320-600mm，長(zhǎng)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(xiǎn)，保溫溫度過低，變形時(shí)容易開裂，且不容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化效果不好。在450-530℃的溫度區(qū)間保溫坯料，既避免了過燒危險(xiǎn)，又保證了合金的變形能力，促進(jìn)其發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒。

5.對(duì)上下平砧進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。平砧在250℃-350℃溫度范圍內(nèi)對(duì)鍛件的保溫效果較好，且容易快速實(shí)現(xiàn)。當(dāng)平砧加熱溫度低于此范圍時(shí)，保溫鍛件的效果不好；而平砧的加熱溫度過高時(shí)，則耗時(shí)耗能，增加工序，影響生產(chǎn)效率。

6.在立式液壓機(jī)上進(jìn)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(gè)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(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(gè)方向?yàn)檩S，滾動(dòng)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(duì)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(qū)，變形不均勻；特殊的密排六方結(jié)構(gòu)又使得其極易在變形過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的織構(gòu)，對(duì)最終的力學(xué)性能或后續(xù)的加工變形產(chǎn)生影響。而本發(fā)明中的鍛造方法，除了在z，y，x三個(gè)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(dòng)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(qiáng)烈織構(gòu)，使得鍛件內(nèi)外部分變形均勻，力學(xué)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(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，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(shí)有效弱化了之前大變形帶來的強(qiáng)烈織構(gòu)。

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(gè)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，最后1火次鍛造結(jié)束后空冷。中間退火溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，晶粒容易過分長(zhǎng)大，損害力學(xué)性能；退火溫度過低或時(shí)間過短，對(duì)鍛件的保溫效果不好，變形時(shí)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(diǎn)，每次中間退火適當(dāng)降低溫度，在對(duì)鍛件實(shí)現(xiàn)充分保溫的同時(shí)，避免了因溫度過高導(dǎo)致的晶粒過分長(zhǎng)大的問題。

8.對(duì)鍛件進(jìn)行t6處理，固溶處理制度為380-450℃保溫30-120min，時(shí)效制度為200-250℃保溫10-72h。采用本發(fā)明中的固溶處理制度，在消除加工硬化的同時(shí)，也使材料發(fā)生一定程度的靜態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)一步弱化織構(gòu)。固溶處理溫度過高時(shí)，再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大明顯，影響力學(xué)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(shí)效溫度過高或者時(shí)間過長(zhǎng)，時(shí)效分解相尺寸過大，強(qiáng)化效果不好，時(shí)效溫度過低或者時(shí)間過短，溶質(zhì)原子擴(kuò)散緩慢，到達(dá)峰值時(shí)效的時(shí)間過長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。而采用本發(fā)明中的時(shí)效制度，到達(dá)峰值時(shí)效時(shí)間較短，強(qiáng)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(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方向?yàn)檩S，滾動(dòng)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(shí)效制度為210-230℃保溫10-20h。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1.對(duì)鑄錠進(jìn)行多向鍛造時(shí)，首次采用滾動(dòng)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(dǎo)致的強(qiáng)烈織構(gòu)，使得制備的大規(guī)格mg-gd-y-zr鍛件各個(gè)部位變形均勻，各向異性很小。

2.利用每火次鍛造結(jié)束后鍛件仍保留一定溫度的特點(diǎn)，采取每次中間退火溫度比前一次低10℃的方式，既實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)大的問題，使得鍛件擁有很高的力學(xué)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(shí)，利用靜態(tài)再結(jié)晶進(jìn)一步弱化變形織構(gòu)，使得鍛件力學(xué)性能各向異性非常小。其t6態(tài)室溫高向，徑向抗拉強(qiáng)度均≥460mpa，屈服強(qiáng)度≥400mpa，延伸率≥4%，高向，徑向強(qiáng)度差別≤10mpa,延伸率≤0.5%；200℃時(shí)，高向，徑向抗拉強(qiáng)度均≥350mpa，延伸率≥6%。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所使用的機(jī)加后直徑φ420mm鑄錠錠坯圖；

圖2為本發(fā)明制備的高度450-700mm的多向鍛造鍛件圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

采用半連續(xù)電磁鑄造方法制備直徑φ400mm，長(zhǎng)度2500mm，成份為mg-8.65gd-2.43y-0.28ag-0.16er-0.38zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結(jié)束后在250℃保溫12h去應(yīng)力退火，機(jī)械加工出直徑φ380mm，長(zhǎng)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(jī)上進(jìn)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(gè)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(dòng)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(jié)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(gè)徑向?yàn)閦，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。對(duì)鍛件進(jìn)行t6處理，固溶處理制度為420℃保溫90min,時(shí)效制度為210℃保溫48h。具體力學(xué)性能列于表1。

實(shí)施例2

采用半連續(xù)電磁鑄造制備出直徑φ450mm，長(zhǎng)度2300mm，成分為mg-8.72gd-2.84y-0.22ag-0.11er-0.31zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結(jié)束后在225℃保溫14h去應(yīng)力退火，機(jī)械加工出直徑φ420mm，長(zhǎng)度930mm的錠坯，具體實(shí)物見圖1。在520℃均勻化退火保溫18h，結(jié)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(jī)上進(jìn)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(gè)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(dòng)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?；貭t480℃保溫1h。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個(gè)徑向?yàn)閦，y和x方向重復(fù)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(gè)徑向?yàn)閦，y和x方向重復(fù)上述鍛造工藝，最后壓成高度為490mm的近似圓柱，鍛造結(jié)束后空冷至室溫，具體實(shí)物見圖2。對(duì)鍛件進(jìn)行t6處理，固溶處理制度為430℃保溫60min,時(shí)效制度為225℃保溫18h。具體力學(xué)性能見表1。

實(shí)施例3

采用半連續(xù)電磁鑄造制備出直徑φ450mm，長(zhǎng)度2300mm，成份為mg-8.94gd-2.94y-0.18ag-0.10er-0.45zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結(jié)束后在240℃保溫14h去應(yīng)力退火，機(jī)械加工出直徑φ420mm，長(zhǎng)度1020mm的錠坯，具體實(shí)物見圖1。在500℃均勻化退火保溫20h，結(jié)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(jī)上進(jìn)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(gè)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25%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x為軸，滾動(dòng)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?；貭t510℃保溫45min。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個(gè)徑向?yàn)閦，y和x方向重復(fù)上述鍛造工藝。鍛造結(jié)束后繼續(xù)回爐500℃保溫60min。出爐后再次重復(fù)上述鍛造工藝，最后壓成高度為500mm的近似圓柱，鍛造結(jié)束后空冷至室溫，具體實(shí)物見圖2。對(duì)鍛件進(jìn)行t6處理，固溶處理制度為440℃保溫45min,時(shí)效制度為230℃保溫12h。具體力學(xué)性能見表1。

表1實(shí)施例中鍛件的力學(xué)性能