CN114717458B - 一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法，包括如下步骤：S1：提供稀土镁合金铸棒，稀土镁合金铸棒，按质量百分比计，成分为：钆Gd：8.0～12.0％，钇Y：2.5～4.5％，锌Zn：0.5～2.5％，锆Zr：0.3～0.8％，其他单个杂质元素：≦0.1％，其他杂质元素合计：≦0.2％，余量为镁Mg，稀土镁合金铸棒直径为150～170mm；S3：锻造成形；S4：挤压成形；S5：拉拔成形；S6：扒皮处理。通过均匀化处理、锻造成形、挤压成形、拉拔成形、退火热处理及扒皮等工序，制备的稀土镁合金丝材等径细长，组织均匀，表面质量好，送丝性能稳定。

Description

一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，尤其涉及一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材及其制备方法。
背景技术
镁合金密度小、比刚度高、比弹性模量大、散热性好、易于切削加工，并且具备很好的电磁屏蔽性能、阻尼减振性能以及加工成本低等优点，是航空航天、武器装备、汽车、3C产品等元器件的理想选材。目前镁合金应用零部件的制造主要采用铸造工艺，但对大型复杂镁合金铸件，其制造一直存在着严重的局限性，主要包括：(1)大型复杂构件铸造成形质量控制困难，产品合格率低：薄壁结构极易出现局部冷隔现象而造成孔洞缺陷；厚大结构极易出现严重偏析等问题。(2)大型复杂构件铸造产品各部位力学性能一致性差：铸造缺陷控制是保证产品质量的关键，但大型构件铸造其成分严重宏观偏析难以有效控制，造成产品各部位力学性能偏差较大，产品整体性能偏低。(3)成形零件尺寸受限，目前我国常用低压和差压铸造设备生产镁合金构件尺度最大约2m，更大的零件需要更大的设备，制造柔性差，且熔体越大，安全风险越大。
电弧增材制造，作为一种新兴的制造方法，具有成形工艺灵活、材料利用率高、成本低、堆积体力学性能优良等优点，尤其实用于制造复杂度交底的大中型零部件。
使用电弧增材制造工艺，需先将镁合金加工成丝材，但镁合金属于密排六方晶体(hcp)结构，其滑移系相对较少，室温下其塑性变形能力差，难以塑性成形，故现需要提供一种丝材的制备工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材及其制备方法，通过该制备方法制备得来的稀土镁合金丝材等径细长，组织均匀，表面质量好，送丝性能稳定。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供稀土镁合金铸棒，所述稀土镁合金铸棒，按质量百分比计，成分为：钆Gd：8.0～12.0％，钇Y：2.5～4.5％，锌Zn：0.5～2.5％，锆Zr：0.3～0.8％，其他单个杂质元素：≦0.1％，其他杂质元素合计：≦0.2％，余量为镁Mg，所述稀土镁合金铸棒直径为150～170mm；
S3：锻造成形：将稀土镁合金铸棒进行锻造处理，预热温度400～480℃，保温时间6～12h，锻造温度400～480℃，锻造后的稀土镁合金棒直径为90～110mm；
S4：挤压成形：挤压模具预热温度400～520℃，保温1～6h，稀土镁合金棒预热温度400～500℃，保温1～12h，挤压速度0.05～10mm/s，将经锻造处理后的稀土镁合金棒挤压为直径为4～6mm的稀土镁合金丝材；
S5：拉拔成形：先将挤压过的稀土镁合金丝材进行退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间0.1～2h，然后将经过退火处理的稀土镁合金丝材进行拉拔处理，拉拔温度为320～420℃，保温时间0～1h，拉拔道次为20～60道次，并且每进行3-12道次后进行退火，然后继续进行拉拔，直至稀土镁合金丝材的直径为1-1.5mm；
S6：扒皮处理：待加工的镁合金丝缠绕在放线组件上，经过第一压轮组辊压后进入直径1～1.5mm扒皮模具中进行扒皮，扒皮之后通过拉丝机滚筒收回。
优选地，所述提供稀土镁合金铸棒具体为：
按照预定的成分配比，将原料混合熔炼；
使用半连续铸造生产线生产稀土镁合金铸棒。
优选地，所述步骤S1和所述步骤S3之间还包括步骤S2，步骤S2具体为：将稀土镁合金进行均匀化处理，保温温度460～540℃，保温时间6～24h。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材，采用上述的适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法制备而来，所述稀土镁合金丝材，按质量百分比计，成分为：钆Gd：8.0～12.0％，钇Y：2.5～4.5％，锌Zn：0.5～2.5％，锆Zr：0.3～0.8％，其他单个杂质元素：≦0.1％，其他杂质元素合计：≦0.2％，余量为镁Mg，稀土镁合金丝材的直径为1～1.5mm。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明提供了一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法，通过锻造成形、挤压成形、拉拔成形、退火热处理及扒皮等工序，制备的稀土镁合金丝材等径细长，组织均匀，表面质量好，送丝性能稳定。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的金相组织；
图3为堆积体沉积态的金相组织。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供稀土镁合金铸棒，稀土镁合金铸棒，按质量百分比计，成分为：钆Gd：8.0～12.0％，钇Y：2.5～4.5％，锌Zn：0.5～2.5％，锆Zr：0.3～0.8％，其他单个杂质元素：≦0.1％，其他杂质元素合计：≦0.2％，余量为镁Mg，稀土镁合金铸棒直径为150～170mm；
本实施例为提高现有镁合金的性能，如抗拉强度、屈服强度及延伸率，加入稀土元素改善镁合金的性能。
钆Gd、钇Y等稀土元素能呈现出显著的固溶强化和时效析出强化效果，从而提高镁合金的强度。同时稀土元素钆Gd和钇Y能有效弱化基面织构，降低非基面滑移与基面滑移的CRSS比值，促进非基面位错的滑移，大大改善镁合金的塑性，降低镁合金挤压和拉拔的难度，有利于在后续的拉拔过程中获得更长的镁合金丝材。
通过添加高质量分数、原子扩散能力差的稀土元素含量，可以显著增加镁合金熔点，降低镁合金的挥发系数，有利于在增材等工艺过程中降低合金元素的损耗，促进熔滴平顺过渡，使得沉积过程稳定、无飞溅；同时还可以提高镁合金再结晶温度和减缓再结晶过程，增加增材构件的固溶强化和析出强化效果。
通过添加适当质量分数的Zn，引入大体积分数的共格界面析出相结构，协调塑性变形能力增强，显著增加镁合金强度和韧性；同时分布在晶界上的共格界面析出相结构，在循环热输入过程中可以抑制晶粒长大，提高沉积态镁合金的强度和韧性。
通过合金成分优化，调控Zn元素与稀土元素含量比例以及降温速率，控制两种不同共格界面析出相(分布在晶界上的微米级的块状长程有序结构相、分布在晶内的纳米级的层片状长程有序结构相)比例，改善高强韧镁合金协调变形能力，降低高强韧镁合金丝材拉拔等成形难度，有利于实现组织均匀、晶粒细小的组织调控。
通过添加适当质量分数Zr，在增材过程中促进凝固形核，减小晶粒尺寸。
S3：锻造成形：将稀土镁合金铸棒进行锻造处理，预热温度400～480℃，保温时间6～12h，锻造温度400～480℃，锻造后的稀土镁合金棒直径为90～110mm；锻造成形可以细化晶粒，改善微结构形貌，显著增加塑性。
S4：挤压成形：挤压模具预热温度400～520℃，保温1～6h，镁合金棒预热温度400～500℃，保温1～12h，挤压速度0.05～10mm/s，将经锻造处理后的稀土镁合金棒挤压为直径为4～6mm的稀土镁合金丝材；
S5：拉拔成形：先将挤压过的稀土镁合金丝材进行退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间0.1～2h，然后将经过退火处理的稀土镁合金丝材进行拉拔处理，拉拔温度为320～420℃，保温时间0～1h，拉拔道次为20～60道次，并且每进行3-12道次后进行退火，然后继续进行拉拔，直至稀土镁合金丝材的直径为1-1.5mm；
S6：扒皮处理：待加工的镁合金丝缠绕在放线组件上，经过第一压轮组辊压后进入直径1～1.5mm扒皮模具中进行扒皮，扒皮之后通过拉丝机滚筒收回。
优选地，所述提供稀土镁合金铸棒具体为：
按照预定的成分配比，将原料混合熔炼；
使用半连续铸造生产线生产稀土镁合金铸棒。
优选地，所述步骤S1和所述步骤S3之间还包括步骤S2，步骤S2具体为：将稀土镁合金进行均匀化处理，保温温度460～540℃，保温时间6～24h。
参看图2及图3所示，通过本实施例提供的一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法制备而来的稀土镁合金丝材，其组织均匀、晶粒细小。将该稀土镁合金丝材采用电弧增材制造工艺获得的堆积体晶粒细小，结构致密。
制备三组稀土镁合金，并将该三组稀土镁合金采用实施例一的制备方法拉拔成丝材进行拉伸性能测试。
第一组：配料成份(烧损后)为：钆Gd：8.0％，钇Y：4.0％，锌Zn：1.5％，锆Zr：0.4％，首先，将原料熔炼之后使用半连续铸造工艺制备稀土镁合金铸棒，稀土镁合金铸棒直径为160mm；然后将稀土镁合金进行均匀化处理，保温温度520℃，保温时间12h；然后将稀土镁合金进行锻造处理，预热温度450℃，保温时间10h，锻造温度450℃，锻造后的稀土镁合金棒直径为100mm，接着挤压成形，挤压模具预热温度490℃，保温1h，镁合金棒预热温度470℃，保温6h，挤压速度0.5mm/s，将经锻造处理后的稀土镁合金棒挤压为直径为5mm的稀土镁合金丝材；再拉拔成形，将挤压过的稀土镁合金丝材进行退火处理，退火温度为450℃，退火时间1h，将经过退火处理的稀土镁合金丝材进行拉拔处理，拉拔温度为370℃，保温时间0.4h，拉拔道次为20～60道次，并且每进行3-12道次后进行退火，然后继续进行拉拔，直至稀土镁合金丝材的直径为1.22mm；最后进行扒皮处理：待加工的镁合金丝缠绕在放线组件上，经过第一压轮组辊压后进入直径1.2mm扒皮模具中进行扒皮，扒皮之后通过拉丝机滚筒收回。
第二组：配料成份(烧损后)为：钆Gd：9.0％，钇Y：4.0％，锌Zn：1.5％，锆Zr：0.4％，首先，将原料熔炼之后使用半连续铸造工艺制备稀土镁合金铸棒，稀土镁合金铸棒直径为160mm；然后将稀土镁合金进行均匀化处理，保温温度520℃，保温时间12h；然后将稀土镁合金进行锻造处理，预热温度450℃，保温时间10h，锻造温度450℃，锻造后的稀土镁合金棒直径为100mm，接着挤压成形，挤压模具预热温度490℃，保温1h，镁合金棒预热温度470℃，保温6h，挤压速度0.5mm/s，将经锻造处理后的稀土镁合金棒挤压为直径为5mm的稀土镁合金丝材；再拉拔成形，将挤压过的稀土镁合金丝材进行退火处理，退火温度为450℃，退火时间1h，将经过退火处理的稀土镁合金丝材进行拉拔处理，拉拔温度为370℃，保温时间0.4h，拉拔道次为20～60道次，并且每进行3-12道次后进行退火，然后继续进行拉拔，直至稀土镁合金丝材的直径为1.22mm；最后进行扒皮处理：待加工的镁合金丝缠绕在放线组件上，经过第一压轮组辊压后进入直径1.2mm扒皮模具中进行扒皮，扒皮之后通过拉丝机滚筒收回。
第三组：配料成份(烧损后)为：钆Gd：10.0％，钇Y：4.0％，锌Zn：1.5％，锆Zr：0.4％，首先，将原料熔炼之后使用半连续铸造工艺制备稀土镁合金铸棒，稀土镁合金铸棒直径为160mm；然后将稀土镁合金进行均匀化处理，保温温度520℃，保温时间12h；然后将稀土镁合金进行锻造处理，预热温度450℃，保温时间10h，锻造温度450℃，锻造后的稀土镁合金棒直径为100mm，接着挤压成形，挤压模具预热温度490℃，保温1h，镁合金棒预热温度470℃，保温6h，挤压速度0.5mm/s，将经锻造处理后的稀土镁合金棒挤压为直径为5mm的稀土镁合金丝材；再拉拔成形，将挤压过的稀土镁合金丝材进行退火处理，退火温度为450℃，退火时间1h，将经过退火处理的稀土镁合金丝材进行拉拔处理，拉拔温度为370℃，保温时间0.4h，拉拔道次为20～60道次，并且每进行3-12道次后进行退火，然后继续进行拉拔，直至稀土镁合金丝材的直径为1.22mm；最后进行扒皮处理：待加工的镁合金丝缠绕在放线组件上，经过第一压轮组辊压后进入直径1.2mm扒皮模具中进行扒皮，扒皮之后通过拉丝机滚筒收回。
根据GB/T 228.1-2010室温拉伸测试的标准，对上述三组样品分别进行3组测试，记录各例数据后取平均值，数据记入表1。
屈服强度，MPa 抗拉强度，MPa 延伸率，％
第一组 320 410 16.0
第二组 340 430 14.0
第三组 360 450 12.0
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材，采用实施例一所述的适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法制备而来，稀土镁合金丝材，按质量百分比计，成分为：钆Gd：8.0～12.0％，钇Y：2.5～4.5％，锌Zn：0.5～2.5％，锆Zr：0.3～0.8％，其他单个杂质元素：≦0.1％，其他杂质元素合计：≦0.2％，余量为镁Mg，稀土镁合金丝材的直径为1～1.5mm。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供稀土镁合金铸棒，所述稀土镁合金铸棒，按质量百分比计，成分为：钆Gd：8.0～12.0％，钇Y：2.5～4.5％，锌Zn：0.5～1.5％，锆Zr：0.3～0.8％，其他单个杂质元素：≦0.1％，其他杂质元素合计：≦0.2％，余量为镁Mg，所述稀土镁合金铸棒直径为150～170mm；
S3：锻造成形：将稀土镁合金铸棒进行锻造处理，预热温度400～480℃，保温时间6～12h，锻造温度400～480℃，锻造后的稀土镁合金棒直径为90～110mm；
S4：挤压成形：挤压模具预热温度400～520℃，保温1～6h，稀土镁合金棒预热温度400～500℃，保温1～12h，将经锻造处理后的稀土镁合金棒挤压为直径为4～6mm的稀土镁合金丝材；
S5：拉拔成形：先将挤压过的稀土镁合金丝材进行退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间0.1～2h，然后将经过退火处理的稀土镁合金丝材进行拉拔处理，拉拔温度为320～420℃，保温时间0～1h，拉拔道次为20～60道次，并且每进行3-12道次后进行退火，然后继续进行拉拔，直至稀土镁合金丝材的直径为1-1.5mm；
S6：扒皮处理：待加工的镁合金丝缠绕在放线组件上，经过第一压轮组辊压后进入直径1～1.5mm扒皮模具中进行扒皮，扒皮之后通过拉丝机滚筒收回。
2.根据权利要求1所述的适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法，其特征在于，所述提供稀土镁合金铸棒具体为：
按照预定的成分配比，将原料混合熔炼；
使用半连续铸造生产线生产稀土镁合金铸棒。
3.根据权利要求1所述的适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤S1和所述步骤S3之间还包括步骤S2，步骤S2具体为：将稀土镁合金进行均匀化处理，保温温度460～540℃，保温时间6～24h。
4.一种适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材，采用上述权利要求1-3任意一项所述的适用于电弧增材制造的稀土镁合金丝材的制备方法制备而来，所述稀土镁合金丝材，按质量百分比计，成分为：钆Gd：8.0～12.0％，钇Y：2.5～4.5％，锌Zn：0.5～1.5％，锆Zr：0.3～0.8％，其他单个杂质元素：≦0.1％，其他杂质元素合计：≦0.2％，余量为镁Mg，稀土镁合金丝材的直径为1～1.5mm。
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