CN114367611B - 一种镁合金回转体结构件及其制备工艺 - Google Patents

一种镁合金回转体结构件及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镁合金回转体结构件及其制备工艺，包括如下步骤：S1、将镁锂合金铸锭经车皮、下料，得到锻坯；S2、将锻坯加热并保温后，进行多向锻造开坯，锻后空冷至室温，得到长径比为3.5‑7.0的锻件；S3、将锻件锯切得到多件锭坯，锭坯加热并保温后，进行模锻成形，模锻压下速度为2‑10mm/s，模锻成形得到呈回转体结构的模锻件，将所述模锻件脱模，脱模后空冷至室温；S4、将所述脱模后的模锻件进行时效热处理，并冷却至室温。本发明的制备工艺中多向锻造和模锻复合工艺使合金剧烈塑性变形，组织中位错密度高，形变强化效果显著；同时，采用短时间时效处理和快速冷却，使形变强化和第二相强化相结合，大幅提高模锻件力学性能，有效提高成品率。

Description

一种镁合金回转体结构件及其制备工艺
技术领域
本发明属于镁合金领域，特别涉及一种镁合金回转体结构件及其制备工艺。
背景技术
镁锂合金是实际应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为1.35-1.65g/cm3，比常见的Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr和Mg-RE系合金轻1/4-1/3，比铝合金轻1/3-1/2，被称为超轻合金。同时，镁锂合金具有比强度比刚度高、加工塑性好、电磁屏蔽效果优异等优势，已成为航空航天、国防军工及3C等领域理想的轻量化结构材料。随着我国航天技术的飞速发展，装备超轻量化成为重要趋势，减轻装备结构质量，从而增加燃料量和有效载荷，将带来巨大的性能提升和经济效益。
镁锂合金回转体结构件常用于导弹、火箭、卫星等航空航天飞行器的舱壳体类零部件，如仪器舱、制导控制舱等。基于批量化生产要求，镁锂合金回转体结构近净成形则显得尤为重要。铸造成形是镁合金近净成形的一种方法，常用于传统ZM5、ZM6等镁合金成形；然而，镁锂合金铸造易形成晶粒粗大、偏析、孔洞、夹杂等缺陷，铸件力学性能差，难以满足飞行器舱体性能指标要求。因此，镁锂合金需通过合理的塑性变形和热处理工艺减少铸造缺陷、改善组织，进而提高综合力学性能。针对回转体结构，若采用常规自由锻造、锤锻、挤压等工艺仅能制备实心坯料，机械加工成最终零部件余量大、耗时长，材料利用率低，导致生产成本极高。模锻工艺是利用模具使坯料近净成形，模锻件尺寸精度高、加工余量小，且模锻时坯料处于三向压应力状态，有利于塑性发挥、不易开裂；同时模锻生产效率高，符合工业化生产要求。然而镁合金采用单一模锻成形，金属流动不均匀，锻件组织均匀性较差，局部力学性能较低。此外，镁锂合金对热处理工艺参数十分敏感，组织中强化相不稳定，锻件易出现过时效现象，导致强度衰减。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种镁锂合金近净成形及性能强化的新制备工艺，有效提高材料利用率及成品率，降低生产成本，制备得到强度高、组织均匀的超轻镁合金回转体结构件。
本发明提供的技术方案为：一种镁合金回转体结构件的制备工艺，包括如下步骤：
S1、将镁锂合金铸锭经车皮、下料，得到锻坯；
S2、将锻坯加热并保温后，进行多向锻造开坯，锻后空冷至室温，得到长径比为3.5-7.0的锻件；
S3、将锻件锯切得到多件锭坯，锭坯加热并保温后，进行模锻成形，模锻压下速度为2-10mm/s，模锻成形得到呈回转体结构的模锻件，将所述模锻件脱模，脱模后空冷至室温；
S4、将所述脱模后的模锻件进行时效热处理，并冷却至室温。
进一步地，所述镁锂合金中包含元素的质量百分比为Li：9.0-11.5％、Al：2.0-5.0％、Zn：0.5-4.0％、Mg：76.0-88.5％，除此之外还可能含有较少的Ca、Gd、Y等元素。
进一步地，所述步骤S1中，锻坯长径比为1.25-2.4，优选锻坯直径为250-320mm，长度为400-600mm,更优选锻坯直径为280-320mm，长度为450-550mm。
进一步地，所述步骤S2中，所述锻坯加热至260-320℃，保温4-10h后进行多向锻造开坯，优选加热温度为260-300℃，且当锻造过程中锻件温度低于140℃，立即回炉退火1-3h，再锻造至最终尺寸，中间退火不超过1次。
进一步地，所述步骤S2中，得到的锻件直径为180-220mm，长度为800-1300mm；优选锻件直径为180-210mm、长度1000-1300mm，优选长径比大于4，长径比过低的话，锻造变形量较小，锻件强度、韧性较低，模锻后难以得到高力学性能。
进一步地，所述步骤S2中，所述多向锻造过程中换向1次，使锻前锻坯的轴向和径向分别成为锻后锻坯的径向和轴向。若锻坯经多次换向，生产效率低，操作难度大，且易导致材料开裂，因此本发明选择1次换向，能更好提高生产效率以及更好保证锻件有3.5以上的长径比。
进一步地，多向锻造过程中采用分步式拔长，拔长总道次30-40次，拔长道次压下量8-25％，压下速度6-20mm/s，首先将锻坯拔长至长径比2-3，沿长度方向镦粗10-16％，压平两端面后，再拔长至长径比3.5-7.0，可有效避免锻件两端面的凹陷缺陷，降低开裂风险。若直接拔长至3.5及以上的大长径比，由于拔长量大，锭坯靠外圆区域的长度增加量明显大于靠心部区域，两端面中心向内凹陷，这种不均匀变形易导致端面开裂。
进一步地，所述步骤S3中，将所述锭坯加热至220-300℃，并保温4-8h，优选加热至240-280℃，保温4-6h；模锻成形所用的模具预热至160-300℃，模锻压下量94％-98％；
优选的，所述步骤S3中，模锻压下速度为4-10mm/s，压下速度过慢，晶粒易长大，且温度降低甚至需要回炉保温进行多火次模锻，会大幅削弱形变强化及细晶强化效果，导致模锻件力学性能降低；压下速度过快，金属流动不均匀，模锻件表面易开裂。
进一步地，所述步骤S4中，所述时效热处理为在200-280℃保温0.5-5h，随后快速冷却至室温，优选空冷。
本发明还提供一种镁合金回转体结构件，其特征在于，是由上述的制备工艺所制得。
进一步地，所述镁合金回转体结构件可应用于导弹、火箭、卫星及深空探测器等航空航天及武器装备。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的镁锂合金多向锻造、模锻及热处理复合制备工艺，解决了镁锂合金回转体结构件强度低、近净成形难、生产成本高等难题，显著提高成品率，适用于批量生产。本发明的制备工艺中多向锻造和模锻复合工艺使合金剧烈塑性变形，组织中位错密度高，形变强化效果显著；同时，采用短时间时效处理和快速冷却，强化相均匀弥散分布，避免过时效现象，使形变强化和第二相强化相结合，大幅提高模锻件力学性能。
本发明采用多向大变形锻造进行铸锭开坯，锻造过程中锻坯轴向变换，并进行多道次大变形量拔长，制得长径比3.5以上的锻件，拔长总道次大于30次，多道次拔长可消除表层难变形区域，使整个锻坯发生充分塑性变形，材料内部反复发生动态再结晶，最终实现细晶组织，强韧性提高，为后续模锻提供晶粒细小、塑性优良、近各向同性的锻件坯料，保证模锻金属塑性流动均匀及模锻件的高性能，充满模具内腔；且采用分步式拔长可有效避免锻件两端面的凹陷缺陷，降低开裂风险。
本发明采用一火次模锻快速成形，有效抑制动态再结晶及晶粒长大，有利于发挥形变强化及细晶强化效果，进一步提高合金强韧性。本发明通过大量实验确定模锻压下速度2-10mm/s，压下速度过慢，晶粒易长大，且温度降低甚至需要回炉保温进行多火次模锻，大幅削弱形变强化及细晶强化效果，导致模锻件力学性能降低；压下速度过快，金属流动不均匀，模锻件表面易开裂。
附图说明
图1为本发明实施例1多向锻造开坯制备的锻件。
图2为本发明实施例1制备的回转体模锻件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下述实施例所制备产品的抗拉强度、屈服强度、伸长率测试均参照GB/T228.1-2010标准执行。
实施例1
Mg-10.2Li-3.1Al-2.8Zn(wt.％)镁锂合金真空熔炼铸锭经车皮、下料，得到锻坯直径290mm、长度500mm；
锻坯随炉加热至270℃，保温6h后，进行多向大变形锻造开坯，拔长道次压下量8，压下速度20mm/s，先拔长至长径比2.2，沿长度方向镦粗10％，压平两端面后，再拔长，过程中锻坯换向1次，锻后空冷至室温，得到锻件直径195mm、长度1060mm，如图1所示；
锻件按长度200mm锯切得到多件锭坯，锭坯随炉加热至220℃保温5h，模具预热至220℃，进行模锻一次成形，模锻压下速度4mm/s，压下量95％，模锻件随后立即脱模，空冷至室温；
模锻件进行时效热处理，在210℃保温3h，随后空冷至室温。最终制备出最大直径为340mm、高度290mm的回转体模锻件，如图2所示，测试其室温拉伸力学性能如表1所示。
实施例2
Mg-9.8Li-3.3Al-2.6Zn(wt.％)镁锂合金真空熔炼铸锭经车皮、下料，得到锻坯直径260mm、长度480mm；
锻坯随炉加热至270℃，保温6h后，进行多向大变形锻造开坯，拔长道次压下量12，压下速度14mm/s，先拔长至长径比2.8，沿长度方向镦粗13％，压平两端面后，再拔长，过程中锻坯换向1次，锻后空冷至室温，得到锻件直径190mm、长度870mm；
锻件按长度195mm锯切得到多件锭坯，锭坯随炉加热至240℃保温5h，模具预热至200℃，进行模锻一次成形，模锻压下速度6mm/s、压下量94.9％，模锻件随后立即脱模，空冷至室温；
模锻件进行时效热处理，在210℃保温3h，随后空冷至室温。最终制备出最大直径320mm、高度290mm的回转体模锻件，其室温拉伸力学性能如表1所示。
实施例3
Mg-11.3Li-2.8Al-3.5Zn(wt.％)镁锂合金真空熔炼铸锭经车皮、下料，得到锻坯直径255mm、长度520mm；
锻坯随炉加热至300℃，保温6h后，进行多向大变形锻造开坯，拔长道次压下量25，压下速度6mm/s，先拔长至长径比3，沿长度方向镦粗16％，压平两端面后，再拔长，过程中锻坯换向1次，锻后空冷至室温，得到锻件直径180mm、长度1010mm；
锻件按长度240mm锯切得到多件锭坯，锭坯随炉加热至290℃保温5h，模具预热至220℃，进行模锻一次成形，模锻压下速度9mm/s、压下量95.8％，模锻件随后立即脱模，空冷至室温；
模锻件进行时效热处理，在250℃保温2h，随后空冷至室温。最终制备出最大直径335mm、高度300mm的回转体模锻件，其室温拉伸力学性能如表1所示。
上述实施例1-3中，提前在模具腔内表面涂抹含石墨混合脱模剂并采用下模顶出的方式进行模锻件快速脱模。
对比例1
Mg-9.8Li-3.3Al-2.6Zn(wt.％)镁锂合金真空熔炼铸锭经车皮、下料，得到锻坯直径250mm、长度480mm；
锻坯随炉加热至270℃，保温6h后，进行多向锻造开坯，锻坯换向1次，锻后空冷至室温，得到锻件直径220mm、长度450mm，长径比仅为2.05；
锻件按长度160mm锯切得到多件锭坯，锭坯随炉加热至240℃保温5h，模具预热至200℃，进行模锻一次成形，模锻压下速度6mm/s、压下量94.9％，模锻件随后立即脱模，空冷至室温；
模锻件进行时效热处理，在210℃保温3h，随后空冷至室温。最终制备出最大直径330mm、高度290mm的回转体模锻件，其室温拉伸力学性能如表1所示。由表可知，对比例1中模锻件抗拉强度、屈服强度和伸长率均明显低于实施例1-3，因其锻造变形量较小，锻件强度、韧性较低，模锻后难以得到高力学性能。
对比例2
Mg-9.8Li-3.3Al-2.6Zn(wt.％)镁锂合金真空熔炼铸锭经车皮、下料，得到锻坯直径260mm、长度480mm；
锻坯随炉加热至270℃，保温6h后，进行多向大变形锻造开坯，拔长道次压下量12，压下速度14mm/s，先拔长至长径比2.8，沿长度方向镦粗13％，压平两端面后，再拔长，过程中锻坯换向1次，锻后空冷至室温，得到锻件直径190mm、长度870mm；
锻件按长度195mm锯切得到多件锭坯，锭坯随炉加热至240℃保温5h，模具预热至200℃，进行模锻一次成形，模锻压下速度1mm/s、压下量94.9％，模锻件随后立即脱模，空冷至室温；
模锻件进行时效热处理，在210℃保温3h，随后空冷至室温。最终制备出最大直径320mm、高度290mm的回转体模锻件，其室温拉伸力学性能如表1所示。由表可知，对比例2中模锻件抗拉强度、屈服强度和伸长率均低于实施例1-3。
对比例3
Mg-9.8Li-3.3Al-2.6Zn(wt.％)镁锂合金真空熔炼铸锭经车皮、下料，得到锻坯直径260mm、长度480mm；
锻坯随炉加热至270℃，保温6h后，进行多向大变形锻造开坯，拔长道次压下量12，压下速度14mm/s，先拔长至长径比2.8，沿长度方向镦粗13％，压平两端面后，再拔长，过程中锻坯换向1次，锻后空冷至室温，得到锻件直径190mm、长度870mm；
锻件按长度195mm锯切得到多件锭坯，锭坯随炉加热至240℃保温5h，模具预热至200℃，进行模锻一次成形，模锻压下速度6mm/s、压下量94.9％，模锻件随后立即脱模，空冷至室温；
模锻件进行时效热处理，在190℃保温3h，随后空冷至室温。最终制备出最大直径320mm、高度290mm的回转体模锻件，其室温拉伸力学性能如表1所示。由表可知，对比例3中模锻件抗拉强度、屈服强度和伸长率均低于实施例1-3。
对比例4
Mg-9.8Li-3.3Al-2.6Zn(wt.％)镁锂合金真空熔炼铸锭经车皮、下料，得到锻坯直径260mm、长度480mm；
锻坯随炉加热至270℃，保温6h后，进行大变形锻造开坯，拔长道次压下量12，压下速度14mm/s，先拔长至长径比2.8，沿长度方向镦粗13％，压平两端面后，再拔长，过程中锻坯不换向(锻造前后锻坯轴向保持一致)，锻后空冷至室温，得到锻件直径190mm、长度870mm；
锻件按长度195mm锯切得到多件锭坯，锭坯随炉加热至240℃保温5h，模具预热至200℃，进行模锻一次成形，模锻压下速度6mm/s、压下量94.9％，模锻件随后立即脱模，空冷至室温；
模锻件进行时效热处理，在210℃保温3h，随后空冷至室温。最终制备出最大直径320mm、高度290mm的回转体模锻件，其室温拉伸力学性能如表1所示。由表可知，对比例4中模锻件抗拉强度、屈服强度和伸长率均低于实施例1-3。
表1
Figure GDA0004157057560000071
Figure GDA0004157057560000081
由上述实施例和对比例可以看出，本发明采用多向锻造制备大长径比的锻件，配合合适的模锻压下速度以及后续时效热处理工艺，可有效提高所制模锻件的抗拉强度、屈服强度和伸长率，使模锻件室温抗拉强度≥205MPa、屈服强度≥180MPa、伸长率≥25％；本发明的制备工艺简单，对设备要求低，能以较低的成本生产出强度高、组织均匀的超轻镁合金回转体结构件，适合高效率工业化生产，以此促进镁合金在航空航天及国防军工领域的工程化应用，提升我国高端装备轻量化水平。

Claims (2)

1.一种镁锂合金回转体结构件的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将镁锂合金铸锭经车皮、下料，得到锻坯；
S2、将锻坯加热并保温后，进行多向锻造开坯，锻后空冷至室温，得到长径比为3.5-7.0的锻件；
S3、将锻件锯切得到多件锭坯，锭坯加热并保温后，进行模锻成形，模锻压下速度为2-10mm/s，模锻成形得到呈回转体结构的模锻件，将所述模锻件脱模，脱模后空冷至室温；
S4、将所述脱模后的模锻件进行时效热处理，并冷却至室温；
所述镁锂合金中包含的元素的质量百分比为Li：9.0-11.5％、Al：2.0-5.0％、Zn：0.5-4.0％、Mg：76.0-88.5％；
所述步骤S1中，锻坯长径比为1.25-2.4；
所述步骤S2中，所述锻坯加热至260-320℃，保温4-10h后进行多向锻造开坯；所述多向锻造过程中换向1次，使锻前锻坯的轴向和径向分别成为锻后锻坯的径向和轴向，多向锻造过程中首先将锻坯拔长至长径比2-3，沿长度方向镦粗，再进行拔长，拔长总道次30-40次；
所述步骤S2中，得到的锻件直径为180-220mm，长度为800-1300mm；
所述步骤S3中，将所述锭坯加热至220-300℃，并保温4-8h；模锻成形所用的模具预热至160-300℃，模锻压下量为94％-98％；
所述步骤S4中，时效热处理为在200-280℃保温0.5-5h。
2.一种镁锂合金回转体结构件，其特征在于，是由权利要求1所述的制备工艺所制得。
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