CN103774069A - 一种大尺寸高强耐热镁合金厚板的锻造成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸高强耐热镁合金厚板的锻造成形工艺，为制备厚度≥150mm镁合金厚板提供一种锻造成形工艺。具体步骤为：大炉熔炼、半连续铸造、均匀化退火、变温多向锻造、快锻成形和成形后热处理，其中变温多向锻造在油压机上进行，锻造前500-530℃保温锭坯4-6h、压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-50%、拔长道次压下量5-10%，快锻成形在空气锤上进行，快锻前480-500℃保温锭坯2-4h。该工艺充分发挥镁合金高温塑性，显著提高其使用性能。厚板200℃时长向、宽向、高向抗拉强度≥330MPa、伸长率≥8%。

Description

一种大尺寸高强耐热镁合金厚板的锻造成形工艺

技术领域    

本发明涉及镁合金的变形加工领域，特别涉及一种Mg-RE系合金的锻造变形领域。

背景技术

近年来随着航空航天领域的快速发展，材料减重已经成为该领域的重要要求。镁合金密度小、比强度高、抗震减噪性能好，是航空航天领域理想的轻质材料。目前镁合金多以铸件的形式应用于该领域，变形件相对较少。镁合金常温下可开动的滑移系少，对变形速率敏感，变形加工困难。镁合金经变形后可制备形状尺寸多样化的结构件，且显著改善微观组织提高力学性能，大大扩展了镁合金的应用范围。目前研究较为成熟的变形镁合金体系有Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系、Mg-Li系等。但其普遍存在着强度低、耐热性能差等缺点，无法满足航空航天领域的性能要求，特别强度与耐热性的要求。研究发现在镁合金中添加Gd、Nd、Y等稀土元素，可以显著提高室温强度与高温强度。然而稀土元素的加入在提高性能的同时也为变形加工增加了难度。稀土镁合金变形抗力大，变形温度范围窄。这成为制约Mg-Gd-Y系合金变形件制备的技术瓶颈。目前尚未有高性能、大尺寸Mg-Gd-Y系合金变形件制备的报道。特别是本发明制备的厚度≥150mm，三向室温抗拉强度≥360MPa，200℃三向抗拉强度≥330MPa的厚板。本发明针对航空航天领域的实际需求，首次提出厚度≥150mm板材的锻造成形工艺，制备出大规格、高强度、高耐热性能镁合金厚板。

发明内容：

本发明目的是为制备厚度≥150mm高强耐热镁合金厚板提供一种成形工艺。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Ф200-300mm的合金铸锭，其成分为（wt.%）：Gd 7.0-9.0%、Y 2.0-4.0%、Zr 0.4-0.7%、Cu≤0.05%、Si≤0.05%、Fe≤0.01%、Ni≤0.005%，其余为Mg。半连续浇铸的铸锭具有无裂纹、缺陷少及成分偏析小等优点。高质量的铸锭是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，对锭坯进行双级均匀化退火处理。

4、500-530℃保温锭坯4-6h，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30-50%、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480℃-520℃、保温时间2-3h，且每次回炉退火温度相对前一退火温度次降低10-20℃。经3次以上镦拔后将锭坯锻造成方坯，该方坯为低温快锻过程在高向与宽向上预留10-15%的变形量。Mg-Gd-Y系合金锻造温度范围窄，对变形速度敏感。因此合理制定锻造温度、变形速度、变形量等工艺参数是能够锻造变形的关键。同时这些工艺参数对显微组织影响很大，进而影响力学性能。为发挥该合金良好的成形性并保证最终厚板的力学性能，本发明采用变温锻造开坯与低温快锻成形相结合的方式来制备该厚板。镁合金高温锻造过程中发完全生动态再结晶，不仅起到软化作用，还细化了晶粒、改善了铸态组织、显著提高力学性能、改善了后续成形性。

5、480-500℃保温锭坯2-4h，在空气锤上进行快锻成形，锻造出厚度150-200mm、宽度150-300 mm、长度400-600mm的厚板。高温锻造显著改善了合金的成形性，但由于温度高、速度慢，变形过程中发生了完全动态再结晶，晶粒长大明显，起不到细化晶粒的效果，因此力学性能并不高。为解决这一难题本发明利采用低温快锻成形的方式进一步改善合金的显微组织以提高力学性能。

6、对厚板进行热处理，热处理工艺为：450℃保温2h后，220-230℃保温20-30h。

7、 厚板长向、宽向、高向常温屈服强度≥270MPa、抗拉强度≥360MPa、伸长率≥6%；200℃抗拉强度≥330MPa、伸长率≥8%。

本发明胡优点。

1）本发明首次提出厚度≥150mm镁合金厚板的锻造成形工艺。由于厚板的尺寸大，很难通过挤压、轧制等变形方式实现成形。因此本发明提出了锻造成形的方式，并将该成形工艺参数细化，成功制备出厚度≥150mm的大尺寸镁合金厚板。

2）镁合金高温塑性好，易于变形。但高温下材料软化明显，强度降低。为解决这一技术难题，本发明提出了变温多向锻造与快速锻造相结合，不仅发挥了镁合金高温塑性，并保证了板材的最终性能。

具体实施方式

实施例1 ：利用大炉熔融原料，半连续铸造，机械加工出直径Ф200mm、长度480 mm的Mg-8Gd-3Y-0.6Zr（wt.%）合金锭坯，并对铸锭进行均匀化退火。520℃保温锭坯4h，在油压机上进行镦拔式锻造开坯，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-50%、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510℃、保温时间2h，每次回炉退火温度相对前一次退火温度降低10℃。退火后重复镦拔过程，经3次镦拔后将铸锭锻造成近终尺寸的方坯。该方坯为低温快锻过程在高向与宽向预留10-15%的变形量。将方坯在500℃保温2h后，在空气锤上进行快速锻造成形，锻造出厚度150 mm、宽200 mm长、500mm的厚板。对厚板进行热处理，热处理工艺为450℃保温2h再200℃保温30h。经热处理后厚板三向拉伸性能列于表1。

实施例2：首先利用大熔炼炉熔融原料，半连续铸造后机械加工出直径Ф300mm、长度400 mm的Mg-9Gd-4Y-0.6Zr（wt.%）（wt.%）合金锭坯，并对铸锭进行均匀化退火处理。530℃保温坯料6h后在液压机上进行镦拔式锻造开坯，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-50%、拔长道次压下量5-10%。当锭坯表面温度低于430℃时回炉退火，退火温度510℃、保温时间2h，每次回炉退火温度相对前一次退火温度降低20℃。退火后重复镦拔过程，经3次镦拔后将锭坯锻造成方坯。该方坯为低温快锻过程在高向与宽向上预留10-15%的变形量。方坯在480℃保温4h后，在空气锤上进行快锻成形，锻造出厚度200 mm、宽300mm长、470mm的厚板。对厚板进行热处理，热处理工艺为450℃保温2h再230℃保温20h。热处理后厚板拉伸性能列于表1。

实施例3：利用大熔炼炉熔融原料，半连续铸造，机械加工出直径Ф300mm、长度500 mm的Mg-9Gd-2Y-0.6Zr（wt.%）合金锭坯，并对铸锭进行均匀化退火。500℃保温坯料8h后在油压机上进行镦拔式锻造开坯，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-50%、拔长道次压下量5-10%。当锭坯表面温度低于430℃时回炉退火，退火温度490℃、保温时间4h，每次回炉退火温度相对前一次退火温度降低10℃。退火后重复镦拔过程，经3次镦拔后将锭坯锻造成方坯。该方坯为低温快锻过程在高向与宽向上预留10-15%的变形量。方坯在490℃保温3h后，在空气锤上进行快锻成形，锻造出厚度200 mm、宽300 mm长、580mm的厚板。对厚板进行热处理，热处理工艺为450℃保温2h再200℃保温30h。经热处理后厚板拉伸性能列于表1。

 

表1实施例中镁合金厚板力学性能

Claims (3)

1.一种大尺寸高强耐热镁合金厚板的锻造成形工艺，合金质量百分比成分为Gd 7.0-9.0%、Y 2.0-4.0%、Zr 0.4-0.7%、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步骤为：

A. 大炉熔炼；

B. 半连续铸造，机械加工出直径Ф200-300mm的锭坯；

C．对锭坯进行均匀化退火；

D．500-530℃保温锭坯4-6h后，在液压机上对锭坯进行镦拔式多向锻造，下压速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-50%、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2-3h，经至少3次锻镦拔后将锭坯锻造成方坯，该方坯为快锻成形过程在宽向与高向上预留10-15%的变形量；

E．480-500℃保温锭坯2-4h后在空气锤上进行一次快锻成形，最终锻造出厚度150-200mm、宽度150-300mm、长度400-600mm的厚板；

F．对厚板进行热处理，热处理工艺为450℃保温2h后，再220-230℃保温20-30h。

2.根据权利要求1所述的大尺寸高强耐热镁合金厚板的锻造成形工艺，其特征在于：D步骤每次回炉退火温度相对前一退火温度次降低10-20℃。

3.根据权利要求1所述的大尺寸高强耐热镁合金厚板的锻造成形工艺，其特征在于：热处理后厚板长向、宽向、高向室温屈服强度≥270MPa、抗拉强度≥360MPa、伸长率≥6.0；200℃时抗拉强度≥330MPa、伸长率≥8.0。