CN109022847B - 一种高性能稀土镁合金的复合制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能稀土镁合金的复合制备方法，包括合金熔炼→高压控速冷凝→保温→等温挤压→等径角挤压→人工时效；该方法首先按成分熔炼含微量稀土元素Yb的镁合金，随后浇注入提前预热的模具型腔中加压保温，待压力稳定后关闭模具加热系统，并在模具的冷却系统中通入冷却介质，控制金属液按预设速度冷却，待坯料温度降低到挤压温度后停止冷却并保温，随后在挤压温度下直接进行大挤压比等温变形，挤压出的金属紧接着进入与其贯通的等径角挤压型腔后出模人工时效。本发明采用自主研发的复合加工模具，实现合金成分设计和多种加工工艺联合作用，制备出具有超细晶粒和高强韧性配合的高性能镁合金，具有流程短，效率高，质量好的优点。

Description

一种高性能稀土镁合金的复合制备方法

技术领域

本发明属于镁合金的加工技术领域，特别是涉及一种高性能变形镁合金的加工方法，具体是一种含稀土元素Yb的高性能变形镁合金的复合制备方法。

背景技术

镁合金作为现有最轻的金属结构材料，其具有较高的比刚度、比强度和良好的减震性能、电磁屏蔽性能及可回收利用等优点，是理想的轻量化材料，在21世纪具有广阔的发展应用前景。

然而，由于镁合金属于高轴比密排六方结构，塑性加工滑移系较少，可成形加工性能较差，同时其室温和高温强度低，极大限制其作为高性能结构材料的广泛应用。如何开发有效的制备加工方法，在镁合金获得“改形”的同时充分实现强韧化“改性”，已成为当前高性能变形镁合金开发应用中的主要技术瓶颈，是行业内正致力于攻克的技术难题。

当前国内外对高强度变形镁合金的开发基本围绕合金化和变形加工技术展开。合金化主要是基于现有变形镁合金体系（如Mg-Al系和Mg-Zn系）添加一种或多种微量合金化元素，如金属元素Cu、Ag、Ca、Li等，以及稀土元素Er、Y、Sc、Gd、Nd进行基体改性。而主流的变形加工技术主要包括大塑性变形（SPD技术，如等径角挤压工艺、连续剪切工艺、累积叠轧工艺、高压扭转工艺、多向锻造工艺、循环挤压压缩工艺等）、往复挤压、静液挤压和低温挤压技术。这些方法存在以下几个方面的不足：

1）合金化方法虽然通过第二相强化效应获得了一定的强化效果，但由于尚未发现满意的弥散沉淀相，难以充分发挥合金化潜力，且有报道发现合金化对镁合金塑性变形能力的提升并不显著；

2）变形加工技术通过细化组织，获得塑性和强度的同步提升，然而该技术获得的细密再结晶组织不宜进行热处理进一步强化，技术思路的局限性决定很难获得有效的沉淀强化效果；

3）现有的热处理和变形强化技术大多基于常规铸态锭坯，初始凝固组织中的合金化元素溶解程度对合金化沉淀相的形态和分布以及热变形组织细化能力有极其重要的影响，凝固组织的遗传性很大程度决定了最终加工合金的可强韧化程度。

鉴于此，本发明旨在探索一种高性能变形镁合金的制备和加工方法，该方法利用合理的成分设计和制备手段从源头上获得高质量锭坯的同时，充分发挥多种强韧化方法共同作用的积极效果，获得高强韧性配合的变形镁合金材料，具有流程短，效率高，质量好的优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足而提供一种短流程、低成本、加工质量好的变形镁合金复合制备方法，集稀土镁合金熔炼、高比压控速冷凝、等温挤压、等径角挤压和热处理于一体，可实现全制备周期工艺参数的精确控制，最终获得高性能的变形镁合金材料。

该方法首先优选稀土合金化元素，并利用熔炼和高压控速冷凝最大化提升强化相合金元素的溶解度并细化组织，从源头上改善初始锭坯的质量；利用高质量初始锭坯直接等温挤压使强化相在变形过程中最大程度弥散析出；随后通过等径角挤压进一步细化变形组织后利用人工时效去除变形应力并稳定析出相，保持高强度的同时获得韧性的提升。该方法立足于析出相的控制，结合强化相成分设计、固溶强化、沉淀强化、变形强化、细晶强化和时效强化方法，实现高强度变形镁合金的制备。

为实现上述技术目的，本发明的高性能稀土镁合金的复合制备方法包括熔炼→高压控速冷凝→保温→等温挤压→等径角挤压→人工时效；

a、所述熔炼为：首先将纯镁锭在加热炉内熔化，然后在气体或溶剂保护的条件下于770~780 ºC加入含Yb量为最终熔炼合金设计质量百分比含量0.5~3.0 %的Mg-Yb合金，搅拌8~10 min后静置5~10 min，随后按正常熔炼工艺顺序加入其他合金配料，待各组分的中间合金熔化完全后于700~730 ºC静置保温15~20 min除渣；

b、所述高压控速冷凝为：将熔炼好的镁合金熔液在3~5 s内平稳浇注入预先已通过加热系统预热到680~700 ºC的型腔，控制已预热到同样温度的凸模快速下行进入型腔，并在与金属液面接触后施加80~160 MPa的恒定纵向压力，待压力稳定后关闭模具加热系统，并同时在模具的冷却系统中通入一定流量的冷却介质，控制金属液按预设速度冷却凝固；

c、所述保温为：坯料冷却到最佳挤压温度时，凸模卸载但保持型腔封闭，关闭模具冷却系统并打开加热和温度控制系统，保温10~15 min；所述最佳挤压温度需综合考虑制备材料再结晶晶粒细化和动态析出效果；

d、所述等温挤压为：温度均匀后打开模具下端可动插板，使型腔与下端匹配的挤压型腔贯通，同时控制凸模重新施加压力并以恒定的应变速率0.001~0.1s^-1将坯料压入挤压比为30~50的首次挤压型腔和总挤压比为80~150的缩径挤压型腔，在挤压过程中控制模具与坯料温差为±5 ºC；通过一次挤压后连续实施二次缩颈再挤压的方式，在获得较大挤压比的同时，有效避免了材料一次大挤压比变形中普遍出现的热裂、挤压力过大等问题，有效提升了加工稳定性，同时显著提升高比压冷凝后合金的动态析出效果；

e、所述等径角挤压为：从挤压型腔挤出的坯料直接进入与之相连接并预热到挤压温度的等径角挤压型腔，坯料挤出后喷水激冷，其中所述等径角挤压型腔轴线与竖直方向成60~120°；

f、所述人工时效为：出模的坯料随即在150~250 ºC温度下人工时效12~72小时。

作为上述方法的进一步优化，所述高压控速冷凝，保温，等温挤压和等径角挤压复合加工过程在自主研发的复合加工模具内不换模连续制备完成，该模具由加热系统、冷却系统、控制系统和型腔，挤压型腔，缩径挤压带和等径角挤压型腔组成。

进一步，所述复合加工过程通过可加载恒定压力和速度的液压机实施。

值得指出的是，本方法中所采用的加工模具，也属于申请人自己付出大量创造性劳动后自主设计的新型复合模具，功能上集合金熔化、高比压控速冷凝、热挤压和等径角挤压于一体，在开展合金熔化、冷却和压力加工不换模连续生产的同时，可实现全制备周期工艺参数的精确控制，能完整、精准实现本申请的设计意图，此复合模具同样还可以适用于其他中低熔点合金采用本申请的复合制备方法的实现，故申请人另外专门就复合制备模具也单独申请了专利对其进行保护。

本发明的有益效果为：本发明公开的高性能稀土镁合金的制备方法采用合金熔炼→高压控速冷凝→保温→等温挤压→等径角挤压→人工时效的工艺流程，该方法首先按成分熔炼含微量Yb的镁合金，随后控制金属液按预设速度冷却到挤压温度均温后直接进行大挤压比变形，挤压出的金属紧接着进入与其贯通的等径角挤压型腔后出模人工时效，与传统制备方法相比，具有以下优点和特点：

1）通过成分设计和复合制备方法联合获得了高密度弥散析出的纳米级Mg-Zn-Yb与Mg-Zn共生强化相，沉淀强化效果较常规Mg-Zn单一沉淀相更为显著；

2）高压下控速冷凝有效提升合金化元素固溶度，获得了常压下固溶或均匀化热处理中不能达到的高比例固溶效果，结合后续余热直接高挤压比变形使得沉淀强化相动态析出效果更加显著；

3）等径角挤压直接作用于热挤压坯料，通过大剪切变形和高密度位错进一步促使变形组织再结晶细化，在已经获得的固溶强化和沉淀强化效果的基础上进一步叠加细晶强化效果，借助后续自然时效热处理一定程度提升材料韧性；

4）利用高压控速冷凝，有效提高了凝固熔体的过冷度，从源头上制备获得了偏析少，致密度高，晶粒细小均匀的初始锭坯，解决了传统热处理和加工坯料初始凝固组织质量低下的问题。

因此，本发明公开的高性能稀土镁合金的制备方法有效提高现有体系变形镁合金强 韧性配合，有助于丰富当前高性能变形镁合金制备技术原型，具有巨大的发展潜力和广阔的 推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的含Yb的变形镁合金复合制备工艺流程图。

图2为本发明所采用的复合制备模具的结构示意图，图中可动插板调整到挤压型腔贯 通状态。

具体实施方式

下面采用ZK60-1Yb变形镁合金作为示例用材料，并结合附图和具体实施方式对本发 明作进一步详细说明。

本方法在具体实施时，通过如图1所示的工艺流程和图2所示的模具结构实现ZK60- 1Yb高性能镁合金的复合制备，其功能集合金熔化、高比压控速冷凝、缩径挤压和等径角挤 压加工于一体；包括模具底座6；依次连接的型腔12，挤压型腔9，缩径挤压带8和等径角 挤压型腔7；其中所述型腔12上端布置有带弹性密封环14的凸模1，下端挤压型腔9区域 内设置有可动插板10，与插孔11过渡配合实现条件开闭挤压型腔9，分别实施高压冷凝和 等温挤压；型腔12外周设置有内套2及包覆内套的镶拼式加热套3，所述镶拼式加热套3内 沿周向均匀布置有发热管4，外周布置有循环冷却室5；所述循环冷却室5设置有冷却介质 入口和出口，其内部分隔为上下两层，利用通道13连通；所述镶拼式加热套3外侧与循环冷却室5配合的表面设置有斜度，使加热套3呈上小下大的锥形；所述型腔12，加热套3和 循环冷却室5内均预埋有热电偶，与发热管4和循环冷却室5共同受控于闭环控制系统，实 现模具温度的实时采集和调整；同时在复合模具外侧散热面包覆有快换式保温材料。具体实施时，凸模上布置2～4个弹性密封环，其材质选用弹簧钢；镶拼式加热套由等弧度的2～3块拼合为一整体；加热套外侧与循环冷却室配合的表面设置有3～7°的斜度；等径角挤压型腔7轴线与竖直方向成60～120°；所述冷却介质为高压气体、液氮、液态二氧化碳、冷却油和水中的一种或多种；所述模具总挤压比为80～150；所述保温材料为岩棉、耐火布和耐高温保温涂料中的一种或多种，当结构中各参数作上述取值范围后，可使制备效果最优。

制备示例所用的ZK60-1Yb镁合金时，具体可采用下述步骤：

a、将纯镁锭在加热炉内熔化，然后在气体或溶剂保护的条件下于770℃加入含Yb量为最 终熔炼合金设计质量百分比含量1.0％的Mg-Yb合金，搅拌8min后静置5min，随后再加入 含Zr量为本步骤所加物料总质量1.5％的Mg-Zr合金，在溶剂保护下搅拌8min助熔，最后 于720℃加入本步骤所加物料总质量6.0％的纯Zn，搅拌3min助熔，然后在720℃静置 保温15～20min除渣；

b、将熔炼好的ZK60-1Yb镁合金熔液在3～5s内平稳浇注入已预先调节可动插板10位置使 挤压型腔9封闭的型腔12，型腔12已通过发热管4预热到700℃；随后控制已预热到同样 温度并装配好的凸模1快速下行进入型腔12，并在与金属液面接触后施加120MPa的恒定纵 向压力，待压力稳定后关闭发热管4，并同时在循环冷却室5中通入一定流量的高压气体， 控制金属液按预设速度冷却凝固；

c、待坯料冷却到350℃时，凸模1卸载但保持型腔12封闭，关闭高压气体并打开发热管4 和控制系统，使材料在挤压温度保温15min；

d、保温结束后调整可动插板10位置使挤压型腔9贯通，控制凸模1重新施加压力并以恒定 的应变速率0.01s^-1将坯料依次压入通过首次挤压比为40的缩径挤压带8和总挤压比为100 的挤压型腔9，在挤压过程中控制模具与坯料温差为±5℃；

e、从缩径挤压带8挤出的坯料直接进入与之相连接并预热到挤压温度的等径角挤压型腔7， 材料挤出模具后随即喷水激冷；其中所述等径角挤压型腔轴线与竖直方向成60°；

f、出模的坯料随即在200℃温度下人工时效24小时。

采用本发明提出的复合制备方法，并按照权利要求限定的参数合理取值，所得ZK60- 1Yb变形镁合金与传统分步挤压所得的材料性能相比，有益效果十分显著。具体结果如下：

注：表中比例数据均以传统挤压成形方式制备的ZK60-1Yb镁合金材料为对比基准。

最后说明的是，以上实施例仅用于更清楚地说明本发明的工作原理和过程，并不对 本发明产生限制。本发明还可以适用于加工其他类型的镁合金，其加工原理和加工步骤与上 述实例并无不同，故不需重复举例。本发明对现有技术做出创造性贡献的地方，在于提出了 一种含稀土元素Yb的高性能变形镁合金的新型复合制备方法及其可实施的模具结构，有效 串联传统技术中从合金成分设计、熔炼、冷凝到压力加工相对独立的各阶段，从源头上改善 初始锭坯的质量，并复合多种强化方法，具有流程短，效率高，质量好的优点，有益效果非 常显著。

Claims (3)

1.一种高性能稀土镁合金的复合制备方法，其特征在于包括：合金熔炼→高压控速冷凝→保温→等温挤压→等径角挤压→人工时效；

a、所述合金熔炼为：将纯镁锭在加热炉内熔化，然后在气体或溶剂保护的条件下于770～780℃加入含Yb量为最终熔炼合金设计质量百分比含量0.5～3.0％的Mg-Yb合金，搅拌8～10min后静置5～10min，随后按正常熔炼工艺顺序加入其他合金配料，待各组分的中间合金熔化完全后于700～730℃静置保温15～20min除渣；

b、所述高压控速冷凝为：将熔炼好的镁合金熔液在3～5s内平稳浇注入预先已通过加热系统预热到680～700℃的模具型腔，控制已预热到同样温度的凸模快速下行进入型腔，并在与金属液面接触后施加80～160MPa的恒定纵向压力，待压力稳定后关闭模具加热系统，并同时在模具的冷却系统中通入一定流量的冷却介质，控制金属液按预设速度冷却凝固；

c、所述保温为：坯料冷却到挤压温度时，凸模卸载但保持型腔封闭，关闭模具冷却系统并打开加热和温度控制系统，保温10～15min；所述挤压温度需综合考虑所制备材料的再结晶晶粒细化和动态析出效果；

d、所述等温挤压为：温度均匀后打开模具下端可动插板，使型腔与下端匹配的挤压型腔贯通，同时控制凸模重新施加压力并以恒定的应变速率0.001～0.1s^-1将坯料压入挤压比为30～50的首次挤压型腔和总挤压比为80～150的缩径挤压型腔，在挤压过程中控制模具与坯料温差为±5℃；

e、所述等径角挤压为：从挤压型腔挤出的坯料直接进入与之相连接并预热到挤压温度的等径角挤压型腔，坯料挤出后喷水激冷，其中所述等径角挤压型腔轴线与竖直方向成60～120°；

f、所述人工时效为：出模的坯料随即在150～250℃温度下人工时效12～72小时。

2.根据权利要求1所述的一种高性能稀土镁合金的复合制备方法，其特征在于所述高压控速冷凝，保温，等温挤压和等径角挤压复合加工过程在模具内不换模连续制备完成，该模具由加热系统、冷却系统、控制系统和型腔，挤压型腔，缩径挤压带和等径角挤压型腔组成。

3.根据权利要求1所述的一种高性能稀土镁合金的复合制备方法，其特征在于所述复合加工过程通过可加载恒定压力和速度的液压机实施。

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