CN103769817B - 一种大直径高强耐热镁合金厚壁筒形件的成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大直径高强耐热镁合金厚壁筒形件的成形工艺。工艺路线为：大炉熔炼、半连续铸造、均匀化退火、变温多向锻造、机械穿孔、环轧成形和时效处理，其中变温多向锻造在油压机上进行，锻造前500-530℃保温锭坯6-10h、压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%，环轧成形前480-500℃保温锭坯3-5h，轧制变形量60-80%，轧制出外径Ф700-1100mm、壁厚50-100mm、高度300-700mm的厚壁筒形件。本发明制备出具有高强度、高耐热性能的厚壁筒形件，其200℃时高向、切向抗拉强度≥330MPa、伸长率≥8%。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金的变形领域，特别涉及一种稀土镁合金的锻造变形与环轧变形领域。
技术背景
厚壁筒形件作为航空航天领域重要的结构件，一直以来都是用铝合金制备的。目前材料减重已成为航空航天领域的迫切需求，如果将这些结构件用镁合金制备，相对于铝合金可减重1/3。这对提高飞行器的飞行距离与飞行速度，减少燃料消耗具有实际意义。同时镁合金的防电磁干扰、减震降噪效果好，有利于提高飞行器的平稳程度与精确程度。但利用镁合金制备厚壁筒形件的难度较大。一方面镁合金常温塑性差，变形温度与变形速度范围窄。同时目前缺少可参考的厚壁筒形件成形工艺的报道。目前开发的较为成熟的传统镁合金有Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系等，但其强度低、耐热性能差，不能用于厚壁筒形件的制备。研究表明在镁合金中添加某些稀土元素如Gd、Nd、Y等，可显著提高镁合金的强度及耐热性能。但稀土元素的添加在提高合金强度与耐热性能的同时，也给变形加工带来了很大的困难。稀土元素的添加增加了镁合金的变形抗力，同时缩小了镁合金的变形温度与变形速度范围。这些因素使得具有高强度、高耐热性能的厚壁筒形件加工成形很难实现。
本发明针对这一技术难题与工艺空白，选用Mg-Gd-Y系镁合金，设计出该合金厚壁筒形件的成形工艺，利用变温多向锻造开坯与环轧成形相结合的技术路线，不仅保证了厚壁筒形件的顺利成形，同时提高了该合金的使用性能。对航空航天领域的减重降耗具有重大的实际意义。
发明内容
本发明的目的是为具有高强度高耐热性能的镁合金厚壁筒形件提供一种切实可行的成形工艺，以满足航空航天领域对高强耐热镁合金厚壁筒形件的需求。本发明提出的成形工艺如下。
1、采用大容量熔炼炉熔化原料，半连续铸造，机械加工出直径Ф450-480mm的镁合金铸锭，成份（wt.%）为：Gd7.0-9.0%，Y2.0-4.0%，Zr0.4-0.7%，Cu≤0.05%，Si≤0.05%，Fe≤0.01%，Ni≤0.005%，其余为Mg。半连续铸造浇铸的铸锭具有尺寸大、无裂纹、缺陷少及成分偏析小等优点。高质量的铸锭是后续变形加工顺利进行的有力保障。
2、为减少或消除非平衡凝固过程中产生的枝晶偏析，对锭坯进行均匀化退火处理。
3、500-530℃保温锭坯6-10h，在油压机上对锭坯进行镦拔式多向锻造，压下速度为200-400mm/min，镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%。当锭坯温度低于430℃时回炉退火，退火温度480-520℃、保温3-5h。每次回炉退火温度相对前一次退火温度降低10-20℃。锭坯经至少3次镦拔后压扁至高度250-450mm。Mg-Gd-Y系镁合金锻造温度范围窄，对变形速度敏感，因此合理制定该合金的锻造温度与变形速度等参数是能够顺利进行锻造变形的关键，同时镁合金的变形温度与变形速度对变形后的显微组织影响很大，进而影响合金的力学性能。
4、在中锭坯心处机械穿孔，孔尺寸Ф200-260mm。
5、480-500℃保温锭坯3-5h在环轧机上进行环轧成形。环轧成形在一道次内完成，轧制变形量60-80%、轧辊温度200-250℃，轧制出外径Ф700-1100mm、壁厚50-100mm、高度300-700mm的厚壁筒形件。
6、成形后对厚壁筒形件时效处理，其工艺为：200-230℃保温30-72h。
时效后该厚壁筒形件高向、切向室温屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥380MPa，伸长率≥4.5%；200℃时抗拉强度≥330MPa，伸长率≥8%。
本发明主要优点。
1）本发明首次提出镁合金厚壁筒形件成形工艺。从熔铸、锻造、环轧到成形后时效处理，各工艺步骤有机结合。
2）制备的厚壁筒形件尺寸大、强度高、耐热性能好。
3）该工艺生产效率高。在变形过程中只需加热2-3次，提高了生产效率降低了生产成本，同时减少重复加热有利于提高镁合金的力学性能。
4）Mg-Gd-Y系镁合金热变形温度范围窄且对变形速度敏感，其变形参数的设计及控制难度大。本发明通过大量的实验，成功优化了该合金的热变形参数，使其成形性与最终力学性能相结合。
5）为了提高效率，减少重复加热次数对性能的损害，轧制时采用一次环轧成形。这要求轧制速度及变形量较大（变形量≥60%），不利于发挥镁合金塑形，环轧成形十分困难。为解决这一技术难题，本发明采用多向锻造+环轧结合的工艺路线。用大变形量的多向锻造来改善铸态组织细化晶粒，从而提高其在环轧时的变形能力。
具体实施方式
实施例1：首先利用大炉熔炼熔融原料，半连续铸造，机械加工出直径Ф480mm、长度700mm的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr（wt.%）镁合金锭坯，并对锭坯均匀化退火。530℃保温锭坯8h后，在油压机上对锭坯进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%、上下砧板温度200-250℃。锻造过程中当锭坯表面温度低于430℃时回炉退火，退火工艺520℃保温4h。每次回炉退火温度相对前一次退火降低10℃。经3次镦拔后将坯料压扁至高度450mm。在坯料在中轴处机械穿孔,孔尺寸Ф250mm。500℃保温锭坯4h后，在轧环机上对锭坯进行一次环轧成形，轧制变形量65%，轧辊温度200-250℃,轧制出外径Ф700mm、高度500mm、壁厚100mm的厚壁筒形件。对厚壁筒形件进行时效处理，工艺为220℃保温40h。时效后拉伸性能列于表1。
实施例2：首先利用大炉熔炼熔融原料，半连续铸造，机械加工出直径Ф450mm，长度630mm的Mg-8Gd-3Y-0.6Zr（wt.%）合金锭坯，并对锭坯均匀化退火。520℃保温锭坯10h后，在油压机上进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%、上下砧板温度200-250℃。锻造过程中当锭坯表面温度低于430℃时回炉退火，退火温度500℃、保温时间5h。每次回炉退火温度相对前一次退火温度降低20℃。经4镦拔后将坯料压扁至高度500mm。在锭坯在中轴处机械穿孔,孔尺寸Ф250mm。480℃保温锭坯4h后，在轧环机上对锭坯进行一次环轧成形，轧制变形量78%，轧辊温度200-250℃,轧制出外径Ф700mm、高度700mm、壁厚50mm的厚壁筒形件。对厚壁筒形件进行时效处理，时效工艺200℃保温70h。时效后拉伸性能列于表1。
实施例3：首先利用大炉熔炼熔融原料，半连续铸造，机械加工出直径Ф450mm，长度550mm的Mg-8Gd-2Y-0.6Zr（wt.%）镁合金锭坯，并对锭坯均匀化退火。520℃保温锭坯8h后，在油压机上进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%、上下砧板温度200-250℃。锻造过程中当锭坯表面温度低于430℃时回炉退火，退火温度500℃、保温时间4h。每次回炉退火温度相对前一次退火温度降低20℃。经3次镦拔后将坯料压扁至高度350mm。在坯料在中轴处机械穿孔,孔尺寸Ф250mm。490℃保温锭坯4h后，在轧环机上对锭坯进行一次环轧成形，轧制变形量75%，轧辊温度200-250℃,轧制出外径Ф1100mm、高度400mm、壁厚50mm的厚壁筒形件。对厚壁筒形件进行时效处理，时效工艺230℃保温30h。时效后力学性能列于表1。
表1实施例中镁合金厚壁筒形件力学性能
Claims (3)
1.一种高强耐热镁合金厚壁筒形件的成形工艺，合金质量百分比成分：Gd7.0-9.0%，Y2.0-4.0%，Zr0.4-0.7%，Cu≤0.05%，Si≤0.05%，Fe≤0.01%，Ni≤0.005%，其余为Mg，其特征在于具体工艺路线：
A、大炉熔炼；
B、半连续铸造，机械加工出直径Ф450-480mm的锭坯；
C、对锭坯进行均匀化退火；
D、均匀化退火后的锭坯经500-530℃保温6-10h，在油压机上进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%、上下砧板温度200-250℃，当锭坯表面温度低于430℃时回炉退火，退火温度480-520℃、保温时间3-5h，锭坯经至少3次镦拔后压扁至高度250-450mm；
E、在锭坯中心处机械穿孔，孔尺寸Ф200-260mm；
F、在环轧机上对锭坯进行一次环轧成形，环轧前480-500℃保温锭坯3-5h，轧制变形量60-80%、轧辊温度200-250℃，轧制出外径Ф700-1100mm、壁厚50-100mm、高度300-700mm的厚壁筒形件；
G、对厚壁筒形件时效处理。
2.根据权利要求1所述高强耐热镁合金厚壁筒形件的成形工艺，其特征在于：D步骤每次回炉退火温度相对前一次退火温度降低10-20℃。
3.根据权利要求1所述高强耐热镁合金厚壁筒形件的成形工艺，其特征在于：时效后该厚壁筒形件高向、切向室温屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥380MPa，伸长率≥4.5%；200℃抗拉强度≥330MPa，伸长率≥8%。
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