CN117428430A - 一种稀土镁合金环形件及其成形方法 - Google Patents

一种稀土镁合金环形件及其成形方法 Download PDF

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CN117428430A CN202311434510.5A CN202311434510A CN117428430A CN 117428430 A CN117428430 A CN 117428430A CN 202311434510 A CN202311434510 A CN 202311434510A CN 117428430 A CN117428430 A CN 117428430A
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Abstract

本发明公开了一种稀土镁合金环形件及其成形方法，属于镁合金变形加工技术领域。包括半连续铸造、均匀化热处理、变温多向锻造、冲孔、拔长、马架扩孔、辗环、热处理的全流程制备工序，其中马架扩孔中单道次变形量为5～20％，下压速度为5～15mm/s，锻造火次为1～3次，马架扩孔过程中随时测试镁合金环坯的温度，当温度≤350℃时回炉保温1～3h。本发明主要扩孔变形为马架扩孔，辗环为一火次小变形整形到位，既节省了坯料，又充分利用了两种工艺的特点，通过每个工序过程中特定工艺参数的控制，制得成品表面无裂纹、材料内部质量良好、组织均匀、室温(25℃)和高温(250℃)力学性能优良，可用于制备大尺寸稀土镁合金环形件。

Description

一种稀土镁合金环形件及其成形方法
技术领域
本发明涉及镁合金变形加工技术领域，具体是涉及一种稀土镁合金环形件及其成形方法。
背景技术
环形件作为我国航天航空装备的重要结构件，目前主要采用铝合金和钛合金材料，随着航空航天事业的发展，作为目前最轻的金属结构材料，镁合金是轻量化的关键用材，其中Mg-Gd-Y-Zr系高稀土镁合金兼具强度高、耐热性好等突出优势，相比于传统Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr系等合金，更能满足航空航天结构件严苛服役指标要求。
然而高强耐热稀土镁合金环形件存在大尺寸铸锭制备困难、塑性成形困难、强度尺寸效应和各向异性严重、加工成本高等共性问题，导致其在航空航天装备上的应用较少。
中国专利CN114346139A公开了一种大尺寸稀土镁合金环形件的制备方法，包括铸锭制备、挤压开坯、整形、多级均匀化热处理、等温多向锻造、去芯、环轧、多级余热淬火、振动处理+深冷处理、时效处理等步骤，实现稀土镁合金环形件的制备。但该专利整体工序复杂，环件制备成本高，且以该专利的制备方法在扩孔时很难对大尺寸环件完全热透，同时存在局部区域温度过高和着火的风险，并非适用于所有高稀土镁合金，针对Mg-Gd-Y-Zr镁合金，很难制备出直径Φ≥600mm且内部质量满足GJB1580A-2004A级要求的铸锭。
中国专利CN106944799A公开了AQ80M镁合金环形件挤锻轧集成工艺，工艺步骤包含：半连续铸造、均匀化退火、热挤压、多向锻造、机械穿孔和环件轧制。该发明提供的挤锻轧集成工艺可生产制备表面无裂纹、组织均匀、综合力学性能优良及力学各向异性小的大尺寸AQ80M镁合金环形件，可用于替代其它材质环形件。但该专利对所有稀土镁合金不具有普适性，且该专利需要进行挤压开坯，需要应用大吨位挤压机，工序复杂，且环件制备成本高，采用机械穿孔的方式去除芯料，需要等待锻件冷却后进行机械加工，增加成形时间，影响最终环形件的力学性能。
发明内容
为了解决现有技术中稀土镁合金环形件塑性成形困难、强度尺寸效应和各向异性严重、加工成本高等问题，本发明提供一种稀土镁合金环形件及其成形方法，采用多向锻造制坯、拔长、马架扩孔与辗环成形的全工序集成工艺，制备出表面无裂纹、材料内部质量良好、组织均匀、室温(25℃)和高温(250℃)力学性能优良的大尺寸高稀土镁合金环形件，本发明提供的成形方法对各种稀土镁合金具有较强的适用性。
本发明的内容包括一种稀土镁合金环形件的成形方法，包括以下步骤：
S1、通过半连续铸造、均匀化热处理得到镁合金铸棒；
S2、对镁合金铸棒进行变温多向锻造开坯，得到镁合金锻坯；
S3、对镁合金锻坯进行冲孔，制成镁合金环坯；
S4、对镁合金环坯进行锻压拔长，拔长后镁合金环坯的高度为镁合金锻环最终高度尺寸；
S5、对拔长后的镁合金环坯进行马架扩孔，得到镁合金锻环；
S6、对镁合金锻环进行辗环成形，得到镁合金环形件；
S7、将镁合金环形件进行热处理，得到成品；
马架扩孔中单道次变形量为5～20％，下压速度为5～15mm/s，锻造火次为1～3次，马架扩孔过程中随时测试镁合金环坯的温度，当温度≤350℃时回炉保温1～3h。
更进一步地，镁合金包括以下质量百分比的组分：
Gd：8.5～10.0％，Y：2.5～4.0％，Zr：0.3～0.8％，Nd：0.1～0.5％，Gd含量与Y含量总和为：11.5％≤Gd+Y≤13.5％，余量为镁和其他不可避免的杂质元素。
更进一步地，镁合金包括以下质量百分比的组分：
Gd：8.5～10.0％，Y：2.5～4.0％，Zr：0.3～0.8％，Nd：0.1～0.5％，Zn：0.1～3.0％，Gd含量与Y含量总和为：11.5％≤Gd+Y≤13.5％，余量为镁和其他不可避免的杂质元素。
更进一步地，锻压拔长中，单道次锻压变形量为10～20％。
更进一步地，辗环成形前对碾环机进行预热和润滑，预热温度为200～400℃。
更进一步地，冲孔前需对冲头进行充分预热，预热温度为200-450℃。
更进一步地，热处理包括460～490℃固溶处理1～3h，200～240℃时效处理16～72h，随后空冷；或者，热处理包括200～240℃时效处理16～48h。
更进一步地，还包括通过半连续铸造制备镁合金铸坯，对镁合金铸坯进行均匀化热处理后，经过车皮、下料得到镁合金铸棒，单边车皮量≥15mm，然后对镁合金铸棒的轴向两端倒角R10～25mm；
半连续铸造为低频电磁半连续铸造，电磁场频率为10～40Hz，低频电流为50～90mA。
更进一步地，均匀化热处理包括从室温以4～7℃/min的升温速度升至470～490℃，到达设定温度后保温20～36h，然后在空气中冷却至室温。
更进一步地，多向锻造开坯包括两火次锻造；
第一火次锻造工艺包括以下步骤：将镁合金铸棒入炉加热，保温温度460～500℃，保温时间10～16h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻造，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为40％～60％，拔长单道次压下量为10％～20％，总锻造道次≥30道次，下压速度为5～15mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒高径比为1.5～3.0；
第二火次锻造工艺包括以下步骤：将第一火次锻造工艺后的镁合金铸棒进行回炉保温，保温温度460～500℃，保温时间2～5h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻造，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为40～60％，拔长单道次压下量为10～20％，总锻造道次≥30道次，下压速度为5～15mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒的高径比为1.5～3.0，最后一次换向锻造后镦粗滚圆成圆柱形的镁合金锻坯。
一种稀土镁合金环形件，通过如上述任一项稀土镁合金环形件的成形方法得到。
本发明的有益效果：
本发明针对航空航天领域对高性能镁合金环形件的迫切需求，提供了一种具有普适性的稀土镁合金环形件的制备方法，包括半连续铸造、均匀化热处理、变温多向锻造、冲孔、拔长、马架扩孔和辗环的全流程制备工序，能够制备出不同尺寸、力学性能优良、组织均匀、表面内部质量达标的环形件，尤其是制备出的大尺寸高稀土镁合金环形件制备出表面无裂纹、材料内部质量良好、组织均匀、室温(25℃)和高温(250℃)力学性能优良，解决航空航天装备领域对高性能镁合金环形件的迫切需求，同时对其他镁合金环形件加工具有一定的指导意义，对实现高强耐热稀土镁合金环形件在武器装备上的典型应用、解决航空航天装备减重瓶颈难题具有极大工程应用价值。相比其他类似工艺，无挤压开坯和模锻工序，降低了制备成本，适用于小批量、多品种特点的航空航天装备用环形件。
本发明采用电磁半连续铸造，有利于减小结晶器中液穴深度、提高熔体温度分布均匀性，显著降低铸锭内热应力梯度，进而降低铸锭开裂风险；电磁力所起到搅拌作用还可促使非金属夹杂物及气泡上浮，降低合金内部气泡及夹杂物的含量，提高合金的纯净度和均匀度，减少偏析；本发明半连续铸造锭坯出来后，控制转入均匀化热处理的时间，该时间越短越好，防止铸棒内应力过大导致开裂；本发明采用新型多火次变温多向锻造工艺，相比于传统等温多向锻造工艺，进一步细化加工件晶粒组织，得到晶粒等轴细小、塑性变形能力好、组织均匀的大尺寸锻坯；本发明采用冲头在线冲孔，冲头随炉进行加热，避免冲头与坯料温差过大，冲孔落料时孔内产生裂纹，与机加去芯处理相比，大幅度节约了成本，提高了锻造的连续性、一体性；本发明采用拔长工艺，能够制备不同高度尺寸的环形件，显著提高整套工艺的普用性。
镁合金是密排六方结构，滑移系少，位错滑移和孪生为其塑性变形的微观机制，整体塑形差，且镁合金对温度变化敏感，高稀土镁合金延伸率偏低，对温度的变化更为敏感，尤其部分高稀土镁合金适用的变形温度范围狭窄，辗环过程温降快，当制备大直径环形件时难以一次成形，容易开裂，需多次回炉退火保温，但多次回炉退火会造成严重的性能衰减。高稀土镁合金因延伸率较低，进入辗环过程中容易因温降太快出现开裂，同时因为密排六方的结构，导致低温下非基面滑移很难发生，变形抗力大，辗环效率低。而马架扩孔使用的芯轴、压机的上下砧板均可提前入炉加热，因此马架扩孔过程中设备和模具相较辗环过程具有温差小、温降慢的特点，本发明主要扩孔变形为马架扩孔，辗环为一火次小变形整形到位，既节省了坯料，又充分利用了两种工艺的特点，通过每个工序过程中特定工艺参数的控制，使得合金组织内产生大量动态再结晶和多种滑移、孪生，细化晶粒，形成强度较高的基面织构，从而制备出表面无裂纹、内部质量良好、组织均匀、力学性能优良的稀土镁合金环形件。
附图说明
附图1为本发明一个实施例中稀土镁合金环形件成品的实物图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明实施例提供一种稀土镁合金环形件的成形方法，包括以下步骤：
S1、通过半连续铸造、均匀化热处理得到镁合金铸棒；
S2、对镁合金铸棒进行变温多向锻造开坯，得到镁合金锻坯；
通过多火次变温多向锻造工艺，相比于传统等温多向锻造工艺，进一步细化加工件晶粒组织，可以得到晶粒等轴细小、塑性变形能力好、组织均匀的大尺寸锻坯；
S3、对镁合金锻坯进行冲孔，制成镁合金环坯；
采用冲头在线冲孔，冲头随炉进行加热，避免冲头与坯料温差过大，冲孔落料时孔内产生裂纹，与机加去芯处理相比，大幅度节约了成本，提高了锻造的连续性、一体性；
S4、对镁合金环坯进行锻压拔长，拔长后镁合金环坯的高度为镁合金锻环最终高度尺寸；
通过采用拔长工艺，调整坯料的尺寸，能够制备不同高度尺寸的环形件，显著提高整套工艺的普用性；
S5、对拔长后的镁合金环坯进行马架扩孔，得到所述镁合金锻环；其中，马架扩孔的单道次变形量为5～20％，下压速度为5～15mm/s，锻造火次为1～3次，马架扩孔过程中随时测试镁合金环坯的温度，当温度≤350℃时回炉保温1～3h；
本发明实施例中主要扩孔变形为马架扩孔，辗环为一火次小变形整形到位，因辗环过程温降快，环件易出现开裂，不采用马架扩孔时难以一火次辗环成形；
S6、对镁合金锻环进行辗环成形，得到镁合金环形件；在马架扩孔的基础上，通过辗环进一步调整镁合金锻环的尺寸，得到成品尺寸的镁合金环形件；
S7、将镁合金环形件进行热处理，得到成品。
本发明实施例针对航空航天领域对高性能镁合金环形件的迫切需求，提供了一种具有普适性的稀土镁合金环形件的制备方法，包括半连续铸造、均匀化热处理、变温多向锻造、冲孔、拔长、马架扩孔和辗环的全流程制备工序，能够制备出不同尺寸、力学性能优良、组织均匀、表面内部质量达标的环形件，制备出的大尺寸高稀土镁合金环形件制备出表面无裂纹、材料内部质量良好、组织均匀、室温(25℃)和高温(250℃)力学性能优良，解决航空航天装备领域对高性能镁合金环形件的迫切需求，相比其他类似工艺，无挤压开坯和模锻工序，降低了制备成本，适用于小批量、多品种特点的航空航天装备用环形件。
需要说明的是，本发明提供的稀土镁合金环形件成形方法本工艺对稀土镁合金具有普适性，除本发明实施例中提到的镁合金组分外，本发明提供的成形方法还适用于其他组分相似的高稀土镁合金，可以解决现有技术中稀土镁合金环形件塑性成形困难、强度尺寸效应和各向异性严重、加工成本高等问题，制备出性能优良的高稀土镁合金环形件。
在一个优选实施例中，稀土镁合金为Mg-Gd-Y-Zr镁合金；Mg-Gd-Y-Zr镁合金延展性较其他镁合金低，塑性成形困难，强度尺寸效应和各向异性严重，因此加工难度大，本发明实施例提供了一套整体工艺流程，通过半连续铸造、均匀化热处理、变温多向锻造、冲孔、拔长、马架扩孔和辗环的全流程制备工序，加工过程中材料不易开裂，能够制备出不同尺寸、力学性能优良、组织均匀、表面内部质量达标的环形件。
在一个优选实施例中，考虑到稀土镁合金对温度的高敏感性，对整体工艺流程进行温度控制，制备性能更优异的稀土镁合金成品：在均匀化热处理中，从室温以4～7℃/min的升温速度升至470～490℃，到达设定温度后保温20～36h，然后在空气中冷却至室温；在多向锻开坯中，第一火次锻造工艺中将镁合金铸棒入炉加热，保温温度460～500℃，保温时间10～16h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻造，第二火次锻造工艺中将第一火次锻造工艺后的镁合金铸棒进行回炉保温，保温温度460～500℃，保温时间2～5h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻，多向锻造开坯过程中测量每次锻造后的终锻温度，若终锻温度≤350℃，则回炉保温，保温温度460～500℃，保温时间1～5h；拔长工艺中，V型砧与芯轴预热至400℃；马架扩孔过程中随时测试镁合金环坯的温度，当温度≤350℃时回炉保温1～3h；在冲孔中冲头提前预热至200～490℃；对镁合金锻环进行辗环成形前对碾环机的预热温度为200～400℃；镁合金环形件进行热处理，具体为460～490℃固溶处理1～3h，200～240℃时效处理16～72h，随后空冷。
在一个优选实施例中，镁合金包括以下质量百分比的组分：Gd：8.5～10.0％，Y：2.5～4.0％，Zr：0.3～0.8％，Nd：0.1～0.5％，Gd含量与Y含量总和为：11.5％≤Gd+Y≤13.5％，余量为镁和其他不可避免的杂质元素。本实施例中通过添加0.1-0.3％Nd微量元素，Nd因其低固溶度(2.6％，550℃)使得合金晶界和晶内形成高温稳定相-Mg12Nd，提高合金的高温力学性能；Nd和Gd混合后，降低了Gd的固溶度，促进析出强化作用，提高合金的强度，可以适应不同制度的热处理工艺，同时稀土镁合金在环形件成形工艺中具备良好的可加工性、承载较大的形变量，结合马架扩孔和辗环工艺得到外观良好、内部质量好、力学性能优良的大规格环形件。本发明实施例中的成形方法对Mg-Gd-Y系稀土镁合金具有普适性。
在一个优选实施例中，镁合金包括以下质量百分比的组分：Gd：8.5～10.0％，Y：2.5～4.0％，Zr：0.3～0.8％，Nd：0.1～0.5％，Zn：0.1～3.0％，Gd含量与Y含量总和为：11.5％≤Gd+Y≤13.5％，余量为镁和其他不可避免的杂质元素。本实施对上述稀土镁合金的组分做出进一步调整，通过添加0.1-3.0％Zn元素，在合金铸态和T4态时都能为层片状LPSO结构，能够进一步提高合金的强度和韧性。本实施例中通过调整组分进一步提高了稀土镁合金的延展性和热稳定性，使马架扩孔和辗环中镁合金坯料在高温下具备更加优良的加工性能、承载更大的形变量，适应更大温度范围的热处理制度，从而实现更大尺寸、更优良性能的稀土镁合金环形件成形，采用本实施例中组分的稀土镁合金制备出的大尺寸环形件表面无裂纹、材料内部质量良好、组织均匀、室温(25℃)和高温(250℃)力学性能优良。
在一个优选实施例中，对环坯进行V型砧反复锻压拔长，锻压拔长中单道次锻压变形量为10～20％，并对V型砧与芯轴预热，优选地，预热至400℃。环形件对轴向和切向双向性能的均有要求，本发明实施例在冲孔后、马架扩孔之前进行芯轴拔长工序，增强环形件的轴向性能，对于Mg-Gd-Y系稀土镁合金，在拔长工序只进行径向变形轧制，不进行轴向变形轧制，避免轴向变形轧制过程中镁合金环坯受力复杂导致开裂。
在一个优选实施例中，对镁合金锻环进行辗环成形前对碾环机进行预热和润滑，预热温度为200～400℃，保持镁合金锻环的在辗环中的初始锻造温度，避免工序衔接中的温度变化影响锻件的力学性能，有利于辗环工序的顺利进行。
在一个优选实施例中，在步骤3的冲孔工艺为在线冲孔，冲头提前预热至≥200℃，优选地，冲头提前预热至200～490℃，冲头随坯料进炉加热1～3h，镁合金冲孔属于局部剧烈塑性变形，需对冲孔方式和锭坯工装温度进行严格控制，冲头需加热，否则冲头与坯料温差过大，尤其高稀土镁合金延伸率偏低，对温度变化敏感，冲孔落料时孔内易产生裂纹，如果冲头温度过低，冲头与稀土镁合金的温差过大，冲孔过程中稀土镁合金易开裂，冲头温度应不低于200℃，如果冲头温度过高，会导致冲头与稀土镁合金黏结，不利加工。优选地，冲头提前预热至200～450℃，该温度范围内加工效果更优异，避免材料开裂会与冲头黏结，冲孔后得到的镁合金环坯内部组织均匀，力学性能优异。
在一个优选实施例中，对辗环得到的镁合金环形件进行车皮探伤，具体地，对镁合金环形件表面车皮见光，超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行，同时取轴向和切向样测试力学性能，检测是否符合设计要求。
在一个优选实施例中，步骤S7中对镁合金环形件进行热处理，具体为460～490℃固溶处理1～3h，200～240℃时效处理16～72h，随后空冷。
在一个优选实施例中，步骤S7中对镁合金环形件进行热处理，具体为200～240℃时效处理16～48h。
在一个优选实施例中，通过半连续铸造制备镁合金铸坯，然后对镁合金铸坯进行均匀化热处理后，再经过车皮、下料得到镁合金铸棒，其中，车皮工序的单边车皮量≥15mm，车皮量太少会导致稀土镁合金铸坯表面冷隔未去除干净，锻造时出现开裂。优选地，对下料后得到的镁合金铸棒的轴向两端倒角R10～25mm，避免多向自由锻时镦粗变形量大导致应力集中开裂。优选地，对下料后的镁合金铸棒进行超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行，检测镁合金的内部质量，保证工序顺利推进。
在一个优选实施例中，半连续铸造为低频电磁半连续铸造，电磁场频率为10～40Hz，低频电流为50～90mA。采用电磁半连续铸造，有利于减小结晶器中液穴深度、提高熔体温度分布均匀性，显著降低铸锭内热应力梯度，进而降低铸锭开裂风险；电磁力所起到搅拌作用还可促使非金属夹杂物及气泡上浮，降低合金内部气泡及夹杂物的含量，提高合金的纯净度和均匀度，减少偏析。
在一个优选实施例中，均匀化热处理包括从室温以4～7℃/min的升温速度升至470～490℃，到达设定温度后保温20～36h，然后在空气中冷却至室温。稀土镁合金的铸态组织存在枝晶偏析，均匀化热处理工艺会直接影响后续热变形与时效处理的效果，本实施例依据Mg-Gd-Y三元相图和前期大量实验研究，确定均匀化热处理制度，稀土镁合金半连续铸造锭坯出来后，应立即转入热处理炉进行均匀化热处理，防止内应力过大导致开裂。
在一个优选实施例中，变温多向锻造开坯包括两火次锻造，具体为：
第一火次锻造工艺包：将镁合金铸棒入炉加热，保温温度460～500℃，保温时间10～16h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻造，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为40％～60％，拔长单道次压下量为10％～20％，总锻造道次≥30道次，下压速度为5～15mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒的高径比为1.5～3.0；
第二火次锻造工艺：将第一火次锻造工艺后的镁合金铸棒进行回炉保温，保温温度460～500℃，保温时间2～5h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻造，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为40～60％，拔长单道次压下量为10～20％，总锻造道次≥30道次，下压速度为5～15mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒的高径比为1.5～3.0，最后一次换向锻造后镦粗滚圆成圆柱形的镁合金锻坯；
多向锻造开坯过程中测量每次锻造后的终锻温度，若终锻温度≤350℃，则回炉保温，保温温度460～500℃，保温时间1～5h。
Mg-Gd-Y系稀土镁合金的锻造温度为460-500℃，该镁合金在400℃以上时发生动态再结晶，由于多向锻造为变温锻造，在460℃以上变形后，合金内部组织均匀性明显增加，在350℃以下变形后，合金内部残留大量变形孪晶，易导致变形失稳和开裂。本实施通过两火次多次大变形换向锻造是为了充分细化晶粒，提高组织均匀性，减少锻件的各向异性，为后续工艺提供组织均匀、塑性优良的坯料。
在一个优选实施例中，还包括：
S1、通过半连续铸造得到Φ350～550mm的镁合金铸坯，均匀化热处理后，对镁合金铸坯进行车皮下料，下料高径比1.5～3，得到Φ(300～500)×(450～1500)mm的镁合金铸棒；
S2、对镁合金铸棒进行变温多向锻造开坯，得到镁合金锻坯；
S3、对镁合金锻坯进行冲孔，冲孔直径Φ150～400mm，制成镁合金环坯；
S4、对镁合金环坯进行锻压拔长，拔长后镁合金环坯的高度为镁合金锻环最终高度尺寸；
S5、对拔长后的镁合金环坯进行马架扩孔，得到所述镁合金锻环；
S6、对镁合金锻环进行辗环成形，得到外径Φ500～1500mm，壁厚50～120mm，高度500～1000mm的镁合金环形件；
S7、将镁合金环形件进行热处理，得到大尺寸镁合金环形件成品。
如附图1所示，本发明实施例提供一种稀土镁合金环形件，通过如上述中任一项中的稀土镁合金环形件的成形方法得到。本发明实施例中的稀土镁合金环形件表面内部质量达标，表面无裂纹、材料内部质量良好、组织均匀、室温(25℃)和高温(250℃)力学性能优良，满足航空航天领域装备对镁合金环形件的高性能要求。
实施例1
本实施例提供一种稀土镁合金环形件及其成形方法，本实施例中的镁合金包括以下质量百分比的组分：
Gd：9.22％，Y：3.12％，Zr：0.55％，Nd：0.18％，Zn：1.5％，余量为Mg和其他不可避免的杂质元素。
本实施例中稀土镁合金环形件的成形方法，包括以下步骤：
S1、半连续铸造：将按组分配比好的原料按顺序加入熔炼炉中，电磁场频率为15Hz，低频电流为60mA，熔炼完毕后，用行车将铸坯取出，最终得到Φ480×2000mm的铸坯；
均匀化热处理：对半连续铸造得到的铸坯进行均匀化热处理，控制温均匀化热处理制度为:设定温度480℃，升温速度为5℃/min，到达设定温度后保温28h，空冷；
车皮见光下料：均匀化热处理后铸坯车皮下料至Φ450×1200mm，对所得的镁合金铸棒进行超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行；
S2、多火次变温多向锻造：将下料得到的铸棒进行变温多向锻造，得到镁合金锻坯，多向锻造为两火次锻造，具体为：
第一火次锻造工艺为：
a)镁合金铸棒入炉加热，保温温度480℃，保温时间12h；
b)锻造上下砧板预热至450℃；
c)进行自由锻造，分别沿X、Y、Z方向各大变形镦拔2次，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为60％，拔长单道次压下量为12％，总锻造道次50道次，下压速度为10mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒高径比为2.0；
第二火次锻造工艺为：
a)回炉保温，保温温度480℃，保温时间4h；
b)锻造上下砧板预热至450℃；
c)进行自由锻造，分别沿X、Y、Z方向各大变形镦拔2次，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为60％，拔长单道次压下量为12％，总锻造道次50道次，下压速度为10mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后坯料高径比为2，最后一次换向锻造后镦粗滚圆成Φ600×670mm的镁合金锻坯；
S3、冲孔：孔直径Φ300mm，冲头加热温度380℃，保温时间2h；
S4、拔长：1火次成形，V型砧与芯轴预热至400℃，单道次锻压变形量15％，一火次拔长至高度800mm；
S5、马架扩孔：2火次成形，单道次锻压变形量10％，下压速度为10mm/s，马架扩孔过程中随时测试坯料温度，温度≤350℃时需回炉保温3h，保温温度480℃，最终锻成Φ840×Φ654×800mm的镁合金环坯；
S6、辗环：一火次辗环成形，需对辗环机主动辊、芯辊、上下锥辊等进行充分预热，预热温度为350℃，同时用石墨润滑剂进行润滑。最终制备出外径Φ950mm，壁厚80mm，高度800mm的大尺寸镁合金环形件；
车皮探伤：表面车皮见光，超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行，同时取轴向和切向样测试力学性能；
S7、热处理：480℃固溶处理2h，210℃时效处理60h，空冷，得到成品。
本实施例中稀土镁合金成品的室温力学性能如表1所示。
实施例2
本实施例提供一种稀土镁合金环形件及其成形方法，本实施例中的镁合金包括以下质量百分比的组分：
Gd：9.12％，Y：2.98％，Zr：0.49％，Nd：0.28％，，余量为Mg和其他不可避免的杂质元素。
本实施例中稀土镁合金环形件的成形方法，包括以下步骤：
S1、半连续铸造：将按组分配比好的原料按顺序加入熔炼炉中，电磁场频率为22Hz，低频电流为65mA，熔炼完毕后，用行车将铸坯取出，最终得到Φ450×2000mm的铸坯；
均匀化热处理：对半连续铸造得到的铸坯进行均匀化热处理，控制温均匀化热处理制度为:设定温度485℃，升温速度为5℃/min，到达设定温度后保温30h，空冷；
车皮见光下料：均匀化热处理后铸坯车皮下料至Φ420×1000mm，对所得的镁合金铸棒进行超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行；
S2、多火次变温多向锻造：将下料得到的铸棒进行变温多向锻造，得到镁合金锻坯，多向锻造为两火次锻造，具体为：
第一火次锻造工艺为：
a)镁合金铸棒入炉加热，保温温度475℃，保温时间12h；
b)锻造上下砧板预热至440℃；
c)进行自由锻造，分别沿X、Y、Z方向各大变形镦拔2次，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为50％，拔长单道次压下量为10％，总锻造道次50道次，下压速度为8mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒高径比为2.3；
第二火次锻造工艺为：
a)回炉保温，保温温度475℃，保温时间3.5h；
b)锻造上下砧板预热至440℃；
c)进行自由锻造，分别沿X、Y、Z方向各大变形镦拔2次，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为50％，拔长单道次压下量为10％，总锻造道次50道次，下压速度为8mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后坯料高径比为2.3，最后一次换向锻造后镦粗滚圆成Φ550×580mm的镁合金锻坯；
S3、冲孔：孔直径Φ250mm，冲头加热温度400℃，保温时间2h；
S4、拔长：1火次成形，V型砧与芯轴预热至400℃，单道次锻压变形量10％，一火次拔长至高度700mm；
S5、马架扩孔：2火次成形，单道次锻压变形量12％，下压速度为10mm/s，马架扩孔过程中随时测试坯料温度，温度≤350℃时需回炉保温3h，保温温度490℃，最终锻成Φ800×Φ642×800mm的镁合金环坯；
S6、辗环：一火次辗环成形，需对辗环机主动辊、芯辊、上下锥辊等进行充分预热，预热温度为350℃，同时用石墨润滑剂进行润滑。最终制备出外径Φ900mm，壁厚68mm，高度700mm的大尺寸镁合金环形件；
车皮探伤：表面车皮见光，超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行，同时取轴向和切向样测试力学性能；
S7、热处理：225℃时效处理24h，空冷，得到成品。
本实施例中稀土镁合金成品的室温力学性能如表1所示。
实施例3
本实施例提供一种稀土镁合金环形件及其成形方法，本实施例中的镁合金包括以下质量百分比的组分：
Gd：9.5％，Y：2.68％，Zr：0.35％，Nd：0.15％，Zn：1.8％，余量为Mg和其他不可避免的杂质元素。
本实施例中稀土镁合金环形件的成形方法，包括以下步骤：
S1、半连续铸造：将按组分配比好的原料按顺序加入熔炼炉中，电磁场频率为35Hz，低频电流为70mA，熔炼完毕后，用行车将铸坯取出，最终得到Φ520×2000mm的铸坯；
均匀化热处理：对半连续铸造得到的铸坯进行均匀化热处理，控制温均匀化热处理制度为:设定温度490℃，升温速度为5℃/min，到达设定温度后保温36h，空冷；
车皮见光下料：均匀化热处理后铸坯车皮下料至Φ490×1300mm，对所得的镁合金铸棒进行超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行；
S2、多火次变温多向锻造：将下料得到的铸棒进行变温多向锻造，得到镁合金锻坯，多向锻造为两火次锻造，具体为：
第一火次锻造工艺为：
a)镁合金铸棒入炉加热，保温温度490℃，保温时间15h；
b)锻造上下砧板预热至470℃；
c)进行自由锻造，分别沿X、Y、Z方向各大变形镦拔2次，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为55％，拔长单道次压下量为15％，总锻造道次50道次，下压速度为12mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒高径比为2.5；
第二火次锻造工艺为：
a)回炉保温，保温温度490℃，保温时间5h；
b)锻造上下砧板预热至470℃；
c)进行自由锻造，分别沿X、Y、Z方向各大变形镦拔2次，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为55％，拔长单道次压下量为15％，总锻造道次50道次，下压速度为12mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后坯料高径比为2.5，最后一次换向锻造后镦粗滚圆成Φ750×550mm的镁合金锻坯；
S3、冲孔：孔直径Φ300mm，冲头加热温度390℃，保温时间2h；
S4、拔长：1火次成形，V型砧与芯轴预热至400℃，单道次锻压变形量15％，一火次拔长至高度700mm；
S5、马架扩孔：2火次成形，单道次锻压变形量12％，下压速度为10mm/s，马架扩孔过程中随时测试坯料温度，温度≤350℃时需回炉保温3h，保温温度490℃，最终锻成Φ1000×Φ768×700mm的镁合金环坯；
S6、辗环：一火次辗环成形，需对辗环机主动辊、芯辊、上下锥辊等进行充分预热，预热温度为350℃，同时用石墨润滑剂进行润滑。最终制备出外径Φ1200mm，壁厚156mm，高度700mm的大尺寸镁合金环形件；
车皮探伤：表面车皮见光，超声探伤，探伤标准按GJB1580A-2004A级执行，同时取轴向和切向样测试力学性能；
S7、热处理：480℃固溶处理1.5h，220℃时效处理26h，空冷，得到成品。
本实施例中稀土镁合金成品的室温力学性能如表1所示。
表1实施例1-3中稀土镁合金的室温力学性能
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，包括以下步骤：
S1、通过半连续铸造、均匀化热处理得到镁合金铸棒；
S2、对镁合金铸棒进行变温多向锻造开坯，得到镁合金锻坯；
S3、对镁合金锻坯进行冲孔，制成镁合金环坯；
S4、对镁合金环坯进行锻压拔长，拔长后镁合金环坯的高度为镁合金锻环最终高度尺寸；
S5、对拔长后的镁合金环坯进行马架扩孔，得到所述镁合金锻环；
S6、对镁合金锻环进行辗环成形，得到镁合金环形件；
S7、将镁合金环形件进行热处理，得到成品；
所述马架扩孔中单道次变形量为5～20％，下压速度为5～15mm/s，锻造火次为1～3次，所述马架扩孔过程中随时测试镁合金环坯的温度，当温度≤350℃时回炉保温1～3h。
2.如权利要求1所述的稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，所述镁合金包括以下质量百分比的组分：
Gd：8.5～10.0％；
Y：2.5～4.0％；
Zr：0.3～0.8％；
Nd：0.1～0.5％；
Gd含量与Y含量总和为：11.5％≤Gd+Y≤13.5％；
余量为镁和其他不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1所述的稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，所述镁合金包括以下质量百分比的组分：
Gd：8.5～10.0％；
Y：2.5～4.0％；
Zr：0.3～0.8％；
Nd：0.1～0.5％；
Zn：0.1～3.0％；
Gd含量与Y含量总和为：11.5％≤Gd+Y≤13.5％；
余量为镁和其他不可避免的杂质元素。
4.如权利要求1-3中任一项所述的稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，所述锻压拔长中，单道次锻压变形量为10～20％。
5.如权利要求1-3中任一项所述的稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，所述辗环成形前对碾环机进行预热和润滑，预热温度为200～400℃；所述冲孔工艺为在线冲孔，冲头提前预热至200-450℃。
6.如权利要求1-3中任一项所述的稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，所述热处理包括460～490℃固溶处理1～3h，200～240℃时效处理16～72h，随后空冷；或者，所述热处理包括200～240℃时效处理16～48h。
7.如权利要求1-3中任一项所述的稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，还包括通过所述半连续铸造制备镁合金铸坯，对所述镁合金铸坯进行均匀化热处理后，经过车皮、下料得到所述镁合金铸棒，单边车皮量≥15mm，然后对所述镁合金铸棒的轴向两端倒角R10～25mm；
所述半连续铸造为低频电磁半连续铸造，电磁场频率为10～40Hz，低频电流为50～90mA。
8.如权利要求1-3中任一项所述的稀土镁合金环形件的制备方法，其特征是，所述均匀化热处理包括从室温以4～7℃/min的升温速度升至470～490℃，到达设定温度后保温20～36h，然后在空气中冷却至室温。
9.如权利要求1-3中任一项所述的稀土镁合金环形件的成形方法，其特征是，所述多向锻造开坯包括两火次锻造；
第一火次锻造工艺包括以下步骤：将所述镁合金铸棒入炉加热，保温温度460～500℃，保温时间10～16h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻造，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为40％～60％，拔长单道次压下量为10％～20％，总锻造道次≥30道次，下压速度为5～15mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒高径比为1.5～3.0；
第二火次锻造工艺包括以下步骤：将第一火次锻造工艺后的镁合金铸棒进行回炉保温，保温温度460～500℃，保温时间2～5h，锻造上下砧板预热至300～450℃，然后进行自由锻造，每次镦拔过程中需进行换向，镦粗单道次压下量为40～60％，拔长单道次压下量为10～20％，总锻造道次≥30道次，下压速度为5～15mm/s，每次换向过后铸棒轴向与锻前铸棒轴向为垂直关系，每次换向后铸棒的高径比为1.5～3.0，最后一次换向锻造后镦粗滚圆成圆柱形的镁合金锻坯。
10.一种稀土镁合金环形件，其特征是，通过如权利要求1-9中任一项所述稀土镁合金环形件的成形方法得到。
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