CN112831738B - 通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于：镁合金的质量百分比成分为，Al：8.5％～9.5％、Zn：0.45％～0.90％、Mn：0.15％～0.4％、Y：0.3％～0.8％，其余为镁和不可去除杂质元素；该加工方法包括如下步骤：1)、对镁合金进行固溶处理；2)、对固溶态的镁合金进行挤压，挤压温度为350～450℃，挤压速率为15‑20mm/min，挤压比为8：1～25:1；3)、对挤压态的镁合金进行空气锤锤击，锤击方向平行于挤压方向，锤击温度为室温，锤击次数为1‑4次，累积锤击应变为1‑3％，锤头接触到镁合金前的速度为1m/s～40m/s。本发明通过对镁合金组织的调控，使得镁合金在高温蠕变过程中发生蠕变动态析出，蠕变动态析出相使材料的热稳定性提高，提升了高温蠕变性能，对该镁合金的应用推广有着重要的意义。

Description

通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法
技术领域
本发明涉及通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，属于镁合金加工技术领域。
背景技术
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小(1.8g/cm3左右)，强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。AZ91镁合金是商业应用最广泛的镁合金之一，其主要的使用状态为铸态和时效态。铸态组织由α-Mg和Mg17Al12组成，其中Mg17Al12绝大部分呈粗大的网状分布在晶界，只有少量的颗粒状Mg17Al12分布在晶内。变形过程中，晶界处粗大的Mg17Al12容易形成裂纹源，产生裂纹，对合金的性能造成不利的影响。该合金中的时效强化析出相为Mg17Al12相，时效过程中主要为粗大层片状不连续析出相，层片状不连续析出相容易成为裂纹源，对合金的高温蠕变性能影响非常大，限制了该合金的应用场景。
挤压是镁合金塑性变形的常规方法，有利于细化晶粒，提高镁合金的室温力学性能和高温蠕变性能。利用空气锤锤击镁合金通常是用来对镁合金进行开坯的，如公开号为CN105441840B的专利公开了一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法，锤击锻造过程中通过孪晶逐步分割原始晶粒、大量孪晶相互交截，辅以少量孪晶诱发动态再结晶，促使铸态组织迅速细化，坯料的高温塑性和加工成形性能显著提高，与初始固溶态铸造锭坯相比，应用本发明方法制备的高强耐热镁合金坯料，高温下、相同测试条件下的断裂伸长率可提高100％～1000％，且成品率高于80％，达到良好开坯效果。然而如何通过传统镁合金加工工艺提高镁合金高温蠕变性能是现有文献中未见报道的，也是扩大镁合金应用范围需要解决的技术问题。
发明内容
为了提升AZ91镁合金的高温蠕变性能，本发明提供一种通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，具体技术方案如下。
通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于：镁合金的质量百分比成分为，Al：8.5％～9.5％、Zn：0.45％～0.90％、Mn：0.15％～0.4％、Y：0.3％～0.8％，其余为镁和不可去除杂质元素；该加工方法包括如下步骤：
1)、对镁合金进行固溶处理；
2)、对固溶态的镁合金进行挤压，挤压温度为350～450℃，挤压速率为15-20mm/min，挤压比为8：1～25:1；
3)、对挤压态的镁合金进行空气锤锤击，锤击方向平行于挤压方向，锤击温度为室温，锤击次数为1-4次，累积锤击应变为1-3％，锤头接触到镁合金前的速度为1m/s～40m/s。
进一步地，固溶处理工艺的温度为380-420℃，保温时间为4-12h。优选地，固溶处理工艺的温度为380℃，保温时间为12h。
进一步地，所述挤压温度为400℃，挤压速率为17mm/min，挤压比为16：1。
进一步地，镁合金的质量百分比成分为，Al：8.5％～9.5％、Zn：0.45％～0.90％、Mn：0.15％～0.4％、Y：0.8％，其余为镁和不可去除杂质元素。
进一步地，锤击次数为2次，累积锤击应变为2％应变，锤头接触到镁合金前的速度为10m/s。
采用上述的技术方案，通过固溶处理工艺将Mg17Al12相尽可能的溶入到镁合金的基体中，然后通过对挤压工艺的控制使得镁合金的组织呈现出择优取向(即出现明显的织构)，然后利用择优取向组织，对镁合金进行小变形量的锤击加工就可以在镁合金中得到大量的孪晶；具有大量孪晶的未析出Mg17Al12相的AZ系镁合金在高温蠕变过程中发生动态析出，动态析出集中在孪晶周围，而且该动态析出相呈弥散的球形，从而明显提升了该镁合金高温蠕变性能，高温抗蠕变性能是指在150-250℃温度范围内的抗蠕变性能。
本发明的加工方法的关键在于通过挤压获得具有择优取向的组织，然后采用小变形量的锤击变形获得大量的孪晶，锤击温度选择室温，防止锤击变形过程中产生时效的效果，这样可以为高温蠕变提供较为理想的显微组织准备。
本发明获得的预变形镁合金相比于现有技术具有以下有益效果。
1、利用了镁合金容易形成织构的特点，通过挤压工艺参数的控制获得织构(择优取向)组织，只需要进行小变形量的锤击预变形就可以获得大量的孪晶，小变形量不容易在镁合金组织内部产生裂纹，不会对高温蠕变性能参数不利影响。
2、Y元素的加入可以提高AZ系列Mg合金在150℃以上的蠕变性能，同时可以抑制大块的析出相的形成同时Y元素弥散分布可以使得析出相更加细小。
3、采用本发明的方案，不需要对镁合金进行时效处理，有利于缩短镁合金的加工流程，有利于对镁合金组织的精准调控。
4、本发明的镁合金加工采用了传统加工工艺，工艺简单、设备要求低、操作简便、成本较低、生产效率高。
5、本发明通过简单的工艺方法，明显地提升了镁合金的高温蠕变性能，对于该镁合金的应用推广有着重要的意义。
附图说明
图1是实施例1的镁合金挤压态的EBSD显微组织；(a)EBSD照片，(b)通过HKL-CHANNEL5软件导出的0001基面织构分析图；
图2是实施例1的镁合金锤击态的金相显微组织；
图3是各实施例的镁合金的蠕变性能曲线图；
图4实施例1的镁合金的扫描组织图；
图5是实施例2的镁合金挤压态的EBSD显微组织；(a)EBSD照片，(b)通过HKL-CHANNEL5软件导出的0001基面织构分析图；
图6是实施例2的镁合金锤击态的金相显微组织；
图7是实施例3的镁合金挤压态的EBSD显微组织；(a)EBSD照片，(b)通过HKL-CHANNEL5软件导出的0001基面织构分析图；
图8是实施例3的镁合金锤击态的金相显微组织。
具体实施方式
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
采用水冷半连铸法制备镁合金，将纯镁锭(Mg 99.9％)、纯铝锭(Al 99.9％)、纯锌锭(Zn99.9％)、Al-Mn中间合金和Mg-Y中间合金熔炼，浇注得到镁合金铸态组织，镁合金的质量百分比成分为，Al：8.5％、Zn：0.90％、Mn：0.3％、Y：0.5％，其余为镁和不可去除杂质元素。
对铸态组织进行380℃×12h的固溶处理；然后对固溶态组织进行挤压，挤压温度为400℃，挤压比为16:1，挤压速度为17mm/s，挤压后的镁合金表观质量较好，挤压后的镁合金EBSD显微组织如图1所示，可以看出其具有明显的择优取向，其0001基面的织构强度为6.35；然后对挤压态组织进行小变形量的锤击，使用空气锤锤击，锤击方向平行于挤压方向，锤击温度为室温(20℃左右)，锤击次数为4次，累积锤击应变为1％，锤头接触到镁合金前的速度为1.0m/s。锤击后的镁合金金相组织如图2所示，显微组织中出现了大量的孪晶。
对锤击态的镁合金在180℃、60MPa下进行蠕变拉伸性能测试，其结果如图3所示。
实施例1的镁合金在蠕变性能测试后进行扫描电镜观察，其扫描组织如图4所示。可见，实施例1的镁合金在孪晶附近发生了蠕变动态析出，动态析出相呈球形，球形的动态析出相可以有效抑制蠕变过程中位错运动的扩散与迁移，使材料的热稳定性提高，提高高温蠕变性能。而且球形的动态析出相相比于普通时效产生的层片状不连续析出相，不容易成为裂纹扩展的核心，这对于提升蠕变性能尤其关键。
实施例2
采用水冷半连铸法制备镁合金，将纯镁锭(Mg 99.9％)、纯铝锭(Al 99.9％)、纯锌锭(Zn99.9％)、Al-Mn中间合金和Mg-Y中间合金熔炼，浇注得到镁合金铸态组织，镁合金的质量百分比成分为，Al：9.5％、Zn：0.45％、Mn：0.4％、Y：0.8％，其余为镁和不可去除杂质元素。
对铸态组织进行400℃×8h的固溶处理；然后对固溶态组织进行挤压，挤压温度为350℃，挤压比为8:1，挤压速度为20mm/s，挤压后的镁合金EBSD显微组织如图5所示，可以看出其具有明显的择优取向，其0001基面的织构强度为7.44；然后对挤压态组织进行小变形量的锤击，锤击方向平行于挤压方向，锤击温度为室温(20℃左右)，锤击次数为2次，累积锤击应变为2％，锤头接触到镁合金前的速度为10m/s。锤击后的镁合金金相显微组织如图6所示，其中显示出存在大量的孪晶。
对锤击态的镁合金在180℃、60MPa下进行蠕变拉伸性能测试，其结果如图3所示。
实施例3
采用水冷半连铸法制备镁合金，将纯镁锭(Mg 99.9％)、纯铝锭(Al 99.9％)、纯锌锭(Zn99.9％)、Al-Mn中间合金和Mg-Y中间合金熔炼，浇注得到镁合金铸态组织，镁合金的质量百分比成分为，Al：0.91％、Zn：0.61％、Mn：0.15％、Y：0.3％，其余为镁和不可去除杂质元素。
对铸态组织进行420℃×4h的固溶处理；然后对固溶态组织进行挤压，挤压温度为450℃，挤压比为25:1，挤压速度为15mm/s，挤压后的镁合金EBSD显微组织如图7所示，挤压后的组织具有明显的择优取向，其0001基面的织构强度为6.82；然后对挤压态组织进行小变形量的锤击，锤击方向平行于挤压方向，锤击温度为室温(20℃左右)，锤击次数为1次，锤击应变为3％，锤头接触到镁合金前的速度为40m/s。锤击后的镁合金显微组织如图8所示，其中显示出存在大量的孪晶。
对锤击态的镁合金在180℃、60MPa下进行蠕变拉伸性能测试，其结果如图3所示。可见，实施例1-3的镁合金都具有较好的高温蠕变性能。

Claims (6)

1.通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于：镁合金的质量百分比成分为，Al：8.5％～9.5％、Zn：0.45％～0.90％、Mn：0.15％～0.4％、Y：0.3％～0.8％，其余为镁和不可去除杂质元素；该加工方法包括如下步骤：
1)、对镁合金进行固溶处理；
2)、对固溶态的镁合金进行挤压，挤压温度为350～450℃，挤压速率为15-20mm/min，挤压比为8：1～25:1；
3)、对挤压态的镁合金进行空气锤锤击，锤击方向平行于挤压方向，锤击温度为室温，锤击次数为1-4次，累积锤击应变为1-3％，锤头接触到镁合金前的速度为1m/s～40m/s。
2.根据权利要求1所述的通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于，固溶处理工艺的温度为380-420℃，保温时间为4-12h。
3.根据权利要求1所述的通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于，固溶处理工艺的温度为380℃，保温时间为12h。
4.根据权利要求1所述的通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于，所述挤压温度为400℃，挤压速率为17mm/min，挤压比为16：1。
5.根据权利要求1所述的通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于，镁合金的质量百分比成分为，Al：8.5％～9.5％、Zn：0.45％～0.90％、Mn：0.15％～0.4％、Y：0.8％，其余为镁和不可去除杂质元素。
6.根据权利要求1所述的通过挤压和锤击提高镁合金高温蠕变性能的加工方法，其特征在于，锤击次数为2次，累积锤击应变为2％应变，锤头接触到镁合金前的速度为10m/s。
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