CN114178454A - 一种镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，包括(1)真空熔炼制备镁锂合金锭坯，采用高温压缩试验，建立本构方程和加工图，获得镁锂合金铸锭适宜加工的变形条件；(2)采用有限元数值模拟优化多向锻造工艺参数，将镁锂合金锻造成棒；(3)对镁锂合金锻棒分流组合模挤压进行有限元数值模拟，优化模具结构和挤压工艺；(4)在保护气氛电阻炉中对镁锂合金锻棒加热后，选用优化的模具结构和挤压工艺参数进行热挤压，获得成品或近终尺寸的空心材；(5)对近终尺寸的空心材进行固定短芯杆拉拔，清洗和热处理，然后进行矫直，获得成品中空构件。本发明提供一种组织均匀、细小的镁锂合金复杂截面中空构件的制备新方法，可实现构件轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，属于有色金属加工成形领域。
背景技术
镁锂合金是迄今为止密度最小的金属结构材料，以金属镁和金属锂为主要元素的镁锂合金其密度一般为1.35～1.65g/cm3，随着锂元素加入量的增加，合金密度逐渐减小。镁锂合金的密度比普通镁合金轻1/4～1/3，比铝合金轻1/3～1/2。镁锂合金具有较高的比强度和比刚度、弹性模量高、抗压屈服强度高、各向异性不明显、塑性和冲击韧度好、对缺口敏感性低和良好的阻尼性能等特点，是航天、航空、兵器工业、核工业、汽车、3C产业、医疗器械等领域理想的结构材料之一。在航空航天领域，随着轻量化趋势的发展，在相同承载能力条件下，镁锂合金可以替代一些相对质量较大的结构材料，减轻卫星和航天器的质量，从而使航天器发挥更大的功能和作用，进而产生巨大的经济效益和战略意义。
文献“何芯，周佳，李落星，等.镁合金薄壁空心型材挤压壁厚减薄问题的有限元分析及解决方案.塑性工程学报，2010，17(2)：62-67”对镁合金薄壁复杂型材的分流模挤压过程进行分析，提出了控制型材壁厚的改进方案，对型材挤压分流模具结构进行改进，即增加焊合室高度和修改分流孔尺寸。其中修改分流孔尺寸的方案能得到壁厚较均匀的型材，是可行的方案。文献“陈良，赵国群，陈高进，等.LZ91Mg-Li合金分流模挤压成形过程数值模拟与实验研究.金属学报，2018，54(2)：339-346”建立了LZ91 Mg-Li合金铸坯分流模挤压过程的有限元模拟模型，研究了挤压比对型材挤压过程中温度、应变、流动速度等物理场量的影响规律。中国发明专利，申请号201410778818.6公开了一种镁锂合金空心型材的加工方法，采用镁锂合金实心铸棒分流组合模热挤压加工断面积小的镁锂合金空心型材。
分流组合模挤压成形是制备中空镁合金构件的主要加工方法。传统镁合金材料多为密排六方结构，塑性成形难度较大，通过在镁合金中添加一定量的Li元素，能够在减小镁合金密度的同时，将镁合金由密排六方转变为体心立方结构，从而大幅度提高镁合金的塑性成形能力。采用分流组合模挤压更适合于镁锂合金中空构件制备加工，目前主要采用镁锂合金铸锭挤压成形中空构件，铸态中柱状晶和树枝晶组织发达，组织粗大，镁锂合金塑性较差，为了提高合金的挤压成形能力，采用高温度挤压。由于Li的化学活性活泼、熔点低，镁锂合金热加工氧化严重、组织粗化显著，高温挤压时镁锂合金空心构件氧化严重，焊合质量较差，变形热引起的过烧严重，组织粗大，产品缺陷多，成品率极低，粗大的组织严重的劣化了镁锂合金空心构件的综合性能，制约了其推广应用，使得镁锂合金空心构件难以在工业实际中获得大量应用。
发明内容
本发明针对镁锂合金中空构件制备加工的技术不足，提出一种细晶镁锂合金复杂截面中空构件的制备新方法，制备加工高质量、高性能镁锂合金复杂截面中空构件。本发明以Mg-Li-Al、Mg-Li-Zn和Mg-Li-Zr镁锂合金为研究对象，采用真空熔炼技术制备镁锂合金，通过多向锻造破碎柱状晶和树枝晶组织，改善合金的宏观偏析，获得组织细小均匀的组织，提高镁锂合金的成形能力，然后采用分流组合模热挤压镁锂合金，直接挤压产品，或挤压出近终尺寸的中空构件，最后经固定短芯杆拉拔，获得成品。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，包括如下步骤：
(1)真空熔炼制备镁锂合金铸锭，均匀化和机加工铸锭，在Gleeble(热模拟试验机)上进行高温压缩试验，建立镁锂合金的本构方程和加工图，获得镁锂合金适宜加工的变形条件；
(2)在镁锂合金适宜加工的变形条件下，选择多向锻造工艺试验点，采用有限元数值模拟优化多向锻造工艺参数，并锻造成棒；
(3)在Gleeble(热模拟试验机)上对锻棒进行高温压缩试验，建立锻态镁锂合金的本构方程和加工图，获得锻态镁锂合金适宜加工的变形条件；
(4)根据产品尺寸规格，初步设计分流组合模；然后采用有限元数值模拟优化设计分流组合模结构和挤压工艺；
(5)将镁锂合金锻棒在惰性气体保护气氛电阻炉中加热，采用步骤(4)优化的分流组合模和挤压工艺进行挤压，获得复杂截面中空构件成品或近终尺寸的半成品；
(6)将步骤(5)所得的复杂截面半成品进行固定短芯杆拉拔，清洗和热处理，然后进行矫直，获得成品复杂截面中空构件。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的镁锂合金为Mg-Li-Al、Mg-Li-Zn或Mg-Li-Zr系列镁锂合金。Mg-Li-A1系列镁锂合金中Li的含量为6～14wt.％，Al的含量为1.5～4wt.％，Zn的含量为1～3wt.％，Si的含量为0.1～0.3wt.％，Ca的含量为0.1～0.3wt.％，余量为Mg。Mg-Li-Zn系列镁锂合金中Li的含量为5～14wt.％，Zn的含量为2～5wt.％，Y的含量为0.1～2.5wt.％，Ca的含量为0.1～0.3wt.％，余量为Mg。Mg-Li-Zr系列镁锂合金中Li的含量为5～14wt.％，Zr的含量为1～3wt.％，Gd的含量为0.1～2.5wt.％，Sr的含量为0.1～1wt.％，余量为Mg。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)中所述的铸态镁锂合金高温压缩试验中，高温压缩的温度范围为150～450℃，温度间隔为50℃，应变速率范围为0.001～10s-1；所述的适宜加工的变形条件为热加工温度范围为250～380℃，应变速率范围为0.01～1.5s-1。
步骤(2)中采用有限元数值模拟优化设计多向锻造工艺，为分析锻造工艺参数对镁锂合金多向温度场、应力场以及应变速率场等相关场量分布的影响，以及对变形均匀性影响，优化锻造工艺。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)中优化的锻造工艺为：镁锂合金锻造温度为300～360℃，终锻温度高于250℃，火次变形量为50％，总变形量为80％以上。
步骤(4)中采用有限元数值模拟优化设计分流组合模结构和挤压工艺，为分析挤压工艺参数和模具结构对镁锂合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量梯度分布的影响，以及对变形均匀性和挤压出口温度的影响规律，在此基础上确定合理的挤压工艺参数和模具结构。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)中所述的分流组合模的分流孔数为三孔、四孔或六孔，分流桥结构以固定式分流桥为主，分流桥截面形状以矩形和水滴形为主。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)中优化的挤压工艺为：镁锂合金中空构件挤压比范围为20～60，挤压温度为220～290℃，挤压速度为0.5mm/s～4mm/s，模具预热温度为220～290℃。
步骤(4)中挤压模具材料为优质H13钢或优质GH4169等耐高温模具材料。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(6)中所述的固定短芯杆拉拔，退火间变形量为30％～50％，道次加工率为5％～20％。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(6)中所述的清洗为常规清洗，清除油腻；根据客户要求，热处理为退火或固溶时效处理。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(6)中所述的矫直为张力矫直。
本发明的优点在于：
本发明提供了一种细晶镁锂合金复杂截面中空构件高质量制备加工新方法，实现了镁锂合金复杂截面中空构件直接或近终成形分流组合挤压，通过固定短芯杆拉减壁和精整，获得高质量产品。
本发明的镁锂合金复杂截面中空构件加工方法的材料利用率高、成本低、附加值高，适合于大规模生产，制备的镁锂合金复杂截面中空构件能够替代部分铝合金、镁合金等材料的同类产品，实现轻量化，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为实施例1中所得Mg-10Li-3Al-2.7Zn-0.2Si-0.2Ca镁锂合金空心构件截面图。
图2为实施例2中所得Mg-9.5Li-2Zn-1.5Y-0.2Ca镁锂合金空心构件截面图。
图3为实施例3中所得Mg-14Li-2Zr-1Gd-0.2Sr镁锂合金空心构件截面图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
实施例1
镁锂合金为Mg-10Li-3Al-2.7Zn-0.2Si-0.2Ca。采用真空电阻熔炼制备合金锭坯，然后进行均匀化处理，机加工成高温压缩试样，进行高温压缩，高温压缩的温度范围为200～400℃，温度间隔为50℃，应变速率范围为0.001～10s-1。建立该合金的本构方程和加工图，确定该合金适宜热加工的温度范围为250～350℃，应变速率的范围为0.1～0.5s-1。采用氩气保护气氛的电阻加热炉将合金铸锭加热到340℃，保温5小时，在压力机上进行五火次墩拔多向锻造，每火次的变形量大于50％，并滚圆成棒材，将锻棒下料后进行机加工。采用商用有限元软件，建立空心构件挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对变形均匀性和挤压出口温度的影响，确定镁锂合金空心构件分流组合模为孔道式分流组合模，分流孔的数目为四孔，挤压比为30，挤压速度为0.5mm/s，挤压温度为270℃。采用氩气保护气氛的电阻加热炉将锻棒加热到260℃，模具和挤压筒的预热温度为260℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用优化的工艺参数进行挤压。采用固定短芯杆拉拔减壁和精整，道次加工率为16％，退火间变形量为50％，中间退火温度为350℃，保温2h；对获得的复杂截面中空构件进行常规清洗，清除油腻；然后进行热处理，退火温度为300℃，保温1h。获得截面的结构如图1所示的Mg-10Li-3A1-2.7Zn-0.2Si-0.2Ca合金复杂截面空心构件。
实施例2
镁锂合金为Mg-9.5Li-2Zn-1.5Y-0.2Ca。采用真空电阻熔炼制备合金锭坯，然后进行均匀化处理，机加工成高温压缩试样，进行高温压缩，高温压缩的温度范围为250～450℃，温度间隔为50℃，应变速率范围为0.001～10s-1。建立该合金的本构方程和加工图，确定该合金适宜热加工的温度范围为300～380℃，应变速率的范围为0.5～1.2s-1。采用氩气保护气氛的电阻加热炉将合金铸锭加热到380℃，保温4小时，在压力机上进行四火次墩拔多向锻造，每火次的变形量大于50％，并滚圆成棒材，将锻棒下料后进行机加工。采用商用有限元软件，建立空心构件挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对变形均匀性和挤压出口温度的影响，确定分流孔的数目为四孔，挤压比为35，挤压速度为1mm/s，挤压温度为290℃。采用氩气保护气氛的电阻加热炉将锻棒加热到290℃，模具和挤压筒的预热温度为290℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用优化的工艺参数进行挤压。获得截面的结构如图2所示的Mg-9.5Li-2Zn-1.5Y-0.2Ca合金复杂截面空心构件。
实施例3
镁锂合金为Mg-14Li-2Zr-1Gd-0.2Sr。采用真空电阻熔炼制备合金锭坯，然后进行均匀化处理，机加工成高温压缩试样，进行高温压缩，高温压缩的温度范围为200～400℃，温度间隔为50℃，应变速率范围为0.001～10s-1。建立该合金的本构方程和加工图，确定该合金适宜热加工的温度范围为250～350℃，应变速率的范围为0.8～1.5s-1。采用氩气保护气氛的电阻加热炉将合金铸锭加热到340℃，保温4小时，在压力机上进行三火次墩拔多向锻造，每火次的变形量大于50％，并滚圆成棒材，将锻棒下料后进行机加工。采用商用有限元软件，建立空心构件挤压有限元模型，分析挤压工艺参数和模具结构对变形均匀性和挤压出口温度的影响，确定分流孔的数目为四孔，挤压比为60，挤压速度为1.5mm/s，挤压温度为260℃。采用氩气保护气氛的电阻加热炉将锻棒加热到260℃，模具和挤压筒的预热温度为260℃，将加热的坯料放入挤压筒中，采用优化的工艺参数进行挤压。获得截面的结构如图3所示的Mg-14Li-2Zr-1Gd-0.2Sr合金复杂截面空心构件。
Claims (10)
1.一种镁锂合金复杂截面中空的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)真空熔炼制备镁锂合金铸锭，均匀化和机加工铸锭，在热模拟试验机上进行高温压缩试验，建立镁锂合金的本构方程和加工图，获得铸锭镁锂合金适宜加工的变形条件；
(2)在镁锂合金适宜加工的变形条件下，选择多向锻造工艺试验点，采用有限元数值模拟优化多向锻造工艺参数，并锻造成棒；
(3)在热模拟试验机上对锻棒进行高温压缩试验，建立锻态镁锂合金的本构方程和加工图，获得锻态镁锂合金适宜加工的变形条件；
(4)根据产品尺寸规格，初步设计分流组合模；然后采用有限元数值模拟优化设计分流组合模结构和挤压工艺；
(5)将镁锂合金锻棒在惰性气体保护气氛电阻炉中加热，采用步骤(4)优化的分流组合模结构和挤压工艺进行挤压，获得复杂截面中空构件成品或近终尺寸的半成品；
(6)将步骤(5)所得的复杂截面半成品进行固定短芯杆拉拔，清洗和热处理，然后进行矫直，获得成品复杂截面中空构件。
2.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：所述的镁锂合金为Mg-Li-Al、Mg-Li-Zn或Mg-Li-Zr系列镁锂合金；Mg-Li-Al系列镁锂合金中Li的含量为6～14wt.％，Al的含量为1.5～4wt.％，Zn的含量为1～3wt.％，Si的含量为0.1～0.3wt.％，Ca的含量为0.1～0.3wt.％，余量为Mg；Mg-Li-Zn系列镁锂合金中Li的含量为5～14wt.％，Zn的含量为2～5wt.％，Y的含量为0.1～2.5wt.％，Ca的含量为0.1～0.3wt.％，余量为Mg；Mg-Li-Zr系列镁锂合金中Li的含量为5～l4wt.％，Zr的含量为1～3wt.％，Gd的含量为0.1～2.5wt.％，Sr的含量为0.1～1wt.％，余量为Mg。
3.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铸态镁锂合金高温压缩试验中，高温压缩的温度范围为150～450℃，温度间隔为50℃，应变速率范围为0.001～10s-1；所述的适宜加工的变形条件为热加工温度范围为250～380℃，应变速率范围为0.01～1.5s-1。
4.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(2)中优化的锻造工艺为：镁锂合金锻造温度为300～360℃，终锻温度高于250℃，火次变形量为50％，总变形量为80％以上。
5.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(4)中优化的挤压工艺为：镁锂合金中空构件挤压比范围为20～60，挤压温度为220～290℃，挤压速度为0.5mm/s～4mm/s，模具预热温度为220～290℃。
6.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的分流组合模的分流孔数为三孔、四孔或六孔，分流桥结构以固定式分流桥为主，分流桥截面形状以矩形和水滴形为主。
7.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(4)中挤压模具材料为优质H13钢或优质GH4169。
8.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述的固定短芯杆拉拔，退火间变形量为30％～50％，道次加工率为5％～20％。
9.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述的清洗为常规清洗，清除油腻；热处理为退火或固溶时效处理。
10.根据权利要求1所述的镁锂合金复杂截面中空构件的制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述的矫直为张力矫直。
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