CN117620049A - 一种高稀土含量镁合金v型结构件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属锻造技术领域，涉及一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法。镁合金按重量百分数计包括以下组分，Gd：9~12%、Y：2.7~4.5%、Zn：0.3~2.2%、Zr：0.3~0.7%，余量为镁和不可去除杂质；S1将原始坯料锯切、车皮，投入锻造炉中保温均匀化处理，得到初始坯料；S2将初始坯料保温处理，上、下砧板加热进行多向锻压开坯，得到多向锻压坯料；S3将多向锻压坯料保温处理，加热模具保温并进行等温模锻成形，之后冷却至室温得到锻件；S4将锻件经时效热处理后得到V型结构件。不同流程加工工艺的协同作用与相互匹配，获得兼具组织均匀性、性能一致性、优异的V型结构件，用于航空航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及金属锻造技术领域，更具体而言，涉及一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法。
背景技术
镁合金作为实际应用中最轻的金属结构材料，由于其密度小、比强度高、比弹性模量大等优势，在航空航天领域得到广泛应用。随着航空航天及高新技术的不断发展，对导弹、卫星、飞船的轻量化提出更高要求。传统牌号镁合金力学性能无法满足现状需求，研制高稀土含量镁合金材料结构件是当前发展趋势之一。
稀土元素由于其独特的电子云结构，在镁合金中与镁元素相互作用，起到固溶强化、沉淀强化、弥散强化、细化晶粒等作用，进而提高镁合金材料力学性能。但高稀土含量镁合金铸造成形性能较差，铸造过程中容易形成缩松、缩孔、浇不足、热裂等铸造缺陷，这不仅难以满足航天结构件对于三维形状精密控制的要求，同时，其强度、塑性等力学性能也难以适用于复杂的服役环境。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本发明提供了一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，镁合金按重量百分数计包括以下组分，Gd：9%~12%、Y：2.7%~4.5%、Zn：0.3%~2.2%、Zr：0.3%~0.7%，余量为镁和不可去除杂质；
该制备方法包括如下步骤：
S1.将原始坯料锯切、车皮，投入锻造炉中保温均匀化处理，得到初始坯料；
S2.将S1中得到的初始坯料进行保温处理，上、下砧板加热进行多向锻压开坯，得到多向锻压坯料；
S3.将S2中得到的多向锻压坯料进行保温处理，将模具加热保温至与多向锻压坯料等温后，对多向锻压坯料进行一次等温模锻成形，成形为V型结构之后，冷却至室温得到锻件；
S4.将S3中得到的锻件经时效热处理后得到V型结构件。
优选的，所述S1中，保温均匀化处理的温度为510℃~520℃，时间为10h~15h。
优选的，所述S1中，原始坯料随锻造炉升温，其升温速率控制在150℃/h。
高稀土含量镁合金铸造成形性能较差，成形结构件中往往伴随着缩松、缩孔、浇不足、热裂等铸造缺陷，因此采用强塑性变形多向锻压加等温模锻成型该结构件。高稀土含量镁合金铸态组织中含有粗大枝晶、粗大共晶组织和粗大第二相，这些粗大的组织会严重的影响坯料的协调变形能力，造成锻造开裂的问题。同时，粗大的第二相还会增加锻造的载荷，严重削弱模具使用寿命。因此，本方法采用均匀化处理使共晶组织及粗大第二相充分回溶到镁基体中，消除粗大第二相与基体组织的不协调现象。
利用镁合金基体固溶过饱和稀土元素固溶降低镁合金锥面滑移的临界分切应力进而提高基体材料塑性，进而降低后续成形难度。通过前期合金组织分析及DSC检测测定合金中Mg5Gd相的相变温度点在526℃，因此在步骤S1中采用510℃~520℃保温10h~15h均匀化处理，使共晶组织及粗大第二相充分回溶到镁基体中。
优选的，所述S2中，初始坯料进行保温处理的温度为430℃~470℃，时间为1h~2h。
优选的，所述S2中，多向锻压开坯为多道次、小变形量锻压，其终锻温度控制在350℃以上；所述初始坯料为棒料，多向锻压开坯时，首先沿初始坯料截面的直径方向锻压，然后沿与直径方向垂直的方向锻压，经过反复锻压使截面成为正方形，之后沿长度方向镦粗。
优选的，所述S2中，多向锻压开坯前，上、下砧板加热至450℃~500℃；多向锻压开坯时的压下速度为7m/s~13m/s，每道次变形量控制在5%~10%，总压下道次在30次以上；得到的多向锻压坯料的底边边长在300mm~400mm之间。
本方法的成形阶段在等温模锻前采用多向锻压工艺。由于镁合金结构为密排六方结构，室温下滑移系较少，塑性成形能力较差，并且等温模锻一次成形阶段对材料晶粒度、组织均匀性要求较高，为了满足后续等温模锻需求，因此在步骤S2中采用高温（430℃~470℃）多向、小变形量（每道次变形量控制在5%~10%）、多道次（总压下道次30次以上）锻压。
高温多向小变形锻压过程中能够消除铸造镁合金材料内部缩松等缺陷，避免等温模锻过程中由于铸造缺陷造成灾难性断裂。同时，小变形量多道次累计高温变形条件下可减小晶界迁移阻力，合金变形效果良好，降低大型高强度稀土镁合金V型结构件成型过程中对于设备吨位与模具强度的要求。最后，采用小变形量多道次累积高温变形可以保证材料充分再结晶，并大幅度抑制动态析出的发生，从而获得晶粒尺寸相对细小，组织高度均匀的坯料。
优选的，所述S3中，多向锻压坯料进行保温处理的温度为360℃~400℃，时间为4h~6h。
优选的，所述S3中，模具中的上模与下模之间配合面的间隙≤0.5mm；在进行等温模锻成形时，模具中上模的下行速度为5mm/min~12mm/min，下行时间为30min~50min，压力为50000kN~90000kN，成型后的保压时间为40min~50min。
优选的，所述S3中，冷却的速度控制在70℃/min~100℃/min。
本方法的等温模锻一次成形阶段，选择合理的保温时间和成形速率可确保合金组织不会粗大而影响结构件质量，因此在步骤S3中采用多向锻压坯料360℃~400℃保温4h~6h，多向锻压坯料温度与模具温度相等，模锻时上模下行速度为5mm/min~12mm/min，下行时间为30min~50min，压力为50000kN~90000kN，成型后保压时间40min~50min。
由于材料变截面特征，不同区域的变形程度差别较大，成形后的构件必须保证不同区域材料均发生充分再结晶，并避免组织的异常长大现象发生，最终促使大尺寸、变截面具有优异的组织一致性。因此，经过组织工艺优化，本方法采用低温慢速成型工艺保证材料充分再结晶并获得细小的完全再结晶组织。另外，金属在成形过程中弹性与塑性变形是共存的，成型后的材料如果直接脱模必然在材料内部残留的内应力作用下发生回弹。
为防止成型后材料发生回弹，本方法在等温模锻后进行保压处理以消除材料的内应力从而保证成型精度。等温模锻一次成形完成后严格控制结构件冷却速度70℃/min~100℃/min。若采用缓慢冷却，冷却过程中会发生第二相析出行为，影响后续时效处理阶段，进而影响合金力学性能。
优选的，所述S4中，时效热处理的温度为200℃~260℃，保温时间为30h~60h。
本方法的等温模锻一次成型完成后采用纳米级的时效析出来调节大尺寸V型结构件的力学性能。
本发明所具有的有益效果如下：
本发明首先采用固溶处理，高温小变形量多道次锻压开坯，降低成型载荷，提高镁合金构件的组织均匀性。然后，采用低温条件等温模锻实现大型稀土镁合金V型结构件的精密成型。最后，采用时效热处理复合工艺实现大型稀土镁合金V型结构件力学性能提升。通过不同流程加工工艺的协同作用与相互匹配，最终获得兼具组织均匀性、性能一致性、优异的综合力学性能与高成形精度的大型稀土镁合金V型结构件。
本发明生产的高稀土含量镁合金V型结构件，其本体材料的常温抗拉强度大于390MPa，屈服强度大于260MPa，断后伸长率大于19%，说明该成形方法制备的高稀土含量镁合金V型结构件具有优异的常温综合力学性能。另外，镁合金材料V型结构件不同区域的力学性能差距小于5%，具有优异的性能稳定性与可靠性，制备成本较低，综合力学性能满足用于航空航天领域的需求，为促进镁合金材料在航空航天领域进一步应用及推进航空航天轻量化发展趋势具有重要意义。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
采用传统金属型重力铸造方法浇注Mg-9.3Gd-3.2Y-2.0Zn-0.4Zr的镁合金棒状铸锭。
S1.将原始坯料锯切、车皮，投入锻造炉中520℃保温均匀化处理10h，原始坯料随炉升温，升温速率控制在150℃/h，得到初始坯料；
S2.将S1中得到的初始坯料430℃保温处理2h，上、下砧板加热至450℃进行多向锻压开坯，多向锻压开坯为多道次、小变形量锻压，终锻温度控制在350℃以上；首先沿初始坯料截面的直径方向锻压，然后沿与直径方向垂直的方向锻压，经过反复锻压使截面成为正方形，之后沿长度方向镦粗，锻压时压下速度为7m/s~13m/s，每道次变形量控制在5%~10%，总压下道次在40次，多向锻压完成时保证底边边长在300mm~400mm之间，得到多向锻压坯料；
S3.将S2中得到的多向锻压坯料360℃保温处理6h，模具加热保温至与多向锻压坯料等温后进行一次等温模锻成形，成形为V型结构之后，冷却至室温得到锻件，冷却速度控制在70℃/min；
具体的：模锻时上模下行速度为5mm/min，下行时间为50min，压力为50000kN，成型后保压时间为50min；模具中的上模与下模之间配合面的间隙≤0.5mm；
S4.将S3中得到的锻件经时效热处理温度为200℃，保温时间为50h，得到V型结构件。
实施例二
采用传统金属型重力铸造方法浇注Mg-9.5Gd-3.1Y-1.9Zn-0.5Zr的镁合金棒状铸锭。
S1.将原始坯料锯切、车皮，投入锻造炉中515℃保温均匀化处理12h，原始坯料随炉升温，升温速率控制在150℃/h，得到初始坯料；
S2.将S1中得到的初始坯料450℃保温处理1.5h，上、下砧板加热至470℃进行多向锻压开坯，多向锻压开坯为多道次、小变形量锻压，终锻温度控制在350℃以上；首先沿初始坯料截面的直径方向锻压，然后沿与直径方向垂直的方向锻压，经过反复锻压使截面成为正方形，之后沿长度方向镦粗，锻压时压下速度为7m/s~13m/s，每道次变形量控制在5%~10%，总压下道次在35次，多向锻压完成时保证底边边长在300mm~400mm之间，得到多向锻压坯料；
S3.将S2中得到的多向锻压坯料380℃保温处理4h，模具加热保温至与多向锻压坯料等温后进行一次等温模锻成形，成形为V型结构之后，冷却至室温得到锻件，冷却速度控制在85℃/min；
具体的：模锻时上模下行速度为8mm/min，下行时间为40min，压力为65000kN，成型后保压时间为45min，模具中的上模与下模之间配合面的间隙≤0.5mm；
S4.将S3中得到的锻件经时效热处理温度为225℃，保温时间为45h，得到V型结构件。
实施例三
采用传统金属型重力铸造方法浇注Mg-9.7Gd-3.3Y-1.9Zn-0.6Zr的镁合金棒状铸锭。
S1.将原始坯料锯切、车皮，投入锻造炉中510℃保温均匀化处理15h，原始坯料随炉升温，升温速率控制在150℃/h，得到初始坯料；
S2.将S1中得到的初始坯料470℃保温处理1.5h，上、下砧板加热至500℃进行多向锻压开坯，多向锻压开坯为多道次、小变形量锻压，终锻温度控制在350℃以上；首先沿初始坯料截面的直径方向锻压，然后沿与直径方向垂直的方向锻压，经过反复锻压使截面成为正方形，之后沿长度方向镦粗，锻压时压下速度为7m/s~13m/s，每道次变形量控制在5%~10%，总压下道次在30次，多向锻压完成时保证底边边长在300mm~400mm之间，得到多向锻压坯料；
S3.将S2中得到的多向锻压坯料400℃保温处理5h，模具加热保温至与多向锻压坯料等温后进行一次等温模锻成形，成形为V型结构之后，冷却至室温得到锻件，冷却速度控制在100℃/min；
具体的：模锻时上模下行速度为12mm/min，下行时间为30min，压力为90000kN，成型后保压时间为40min；模具中的上模与下模之间配合面的间隙≤0.5mm；
S4.将S3中得到的锻件经时效热处理温度为260℃，保温时间为38h，得到V型结构件。
对实施例一至三制备的高稀土含量镁合金V型结构件产品进行综合力学性能测试：按照国家标准GB/T288.1-2010《金属材料拉伸试验》加工拉伸试样，其拉伸速率为1mm/min。
下表1为本发明高稀土含量镁合金V型结构件本体试样拉伸结果。为了更好地作出对比，本发明将韩修柱.等温锻造Mg-10Gd-2Y-0.5Zn-0.3Zr稀土镁合金组织性能.《航空材料学报》.2015年（第6期）中等温锻造后峰时效合金作为对比例，由下表1可以看出采用本发明成型工艺同体系合金力学性能较优，尤其塑性更优。
表1.综合力学性能测试结果
需要说明的是：V型结构件的形状为V型，上述各实施例的S3中所采用的模具（上模、下模）可以根据V型结构件的形状进行设置；本发明不涉及对V型结构件结构的改进，故对其不进行阐述；同时，本发明的方法并不仅限制用于生产V型结构件。
以上所述仅为本发明优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明还可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：镁合金按重量百分数计包括以下组分，Gd：9%~12%、Y：2.7%~4.5%、Zn：0.3%~2.2%、Zr：0.3%~0.7%，余量为镁和不可去除杂质；
该制备方法包括如下步骤：
S1.将原始坯料锯切、车皮，投入锻造炉中保温均匀化处理，得到初始坯料；
S2.将S1中得到的初始坯料进行保温处理，上、下砧板加热进行多向锻压开坯，得到多向锻压坯料；
S3.将S2中得到的多向锻压坯料进行保温处理，将模具加热保温至与多向锻压坯料等温后，对多向锻压坯料进行一次等温模锻成形，成形为V型结构之后，冷却至室温得到锻件；
S4.将S3中得到的锻件经时效热处理后得到V型结构件。
2.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S1中，保温均匀化处理的温度为510℃~520℃，时间为10h~15h。
3.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S1中，原始坯料随锻造炉升温，其升温速率控制在150℃/h。
4.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S2中，初始坯料进行保温处理的温度为430℃~470℃，时间为1h~2h。
5.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S2中，多向锻压开坯为多道次、小变形量锻压，其终锻温度控制在350℃以上；所述初始坯料为棒料，多向锻压开坯时，首先沿初始坯料截面的直径方向锻压，然后沿与直径方向垂直的方向锻压，经过反复锻压使截面成为正方形，之后沿长度方向镦粗。
6.根据权利要求1或5所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S2中，多向锻压开坯前，上、下砧板加热至450℃~500℃；多向锻压开坯时的压下速度为7m/s~13m/s，每道次变形量控制在5%~10%，总压下道次在30次以上；得到的多向锻压坯料的底边边长在300mm~400mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S3中，多向锻压坯料进行保温处理的温度为360℃~400℃，时间为4h~6h。
8.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S3中，模具中的上模与下模之间配合面的间隙≤0.5mm；在进行等温模锻成形时，模具中上模的下行速度为5mm/min~12mm/min，下行时间为30min~50min，压力为50000kN~90000kN，成型后的保压时间为40min~50min。
9.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S3中，冷却的速度控制在70℃/min~100℃/min。
10.根据权利要求1所述的一种高稀土含量镁合金V型结构件的制备方法，其特征在于：所述S4中，时效热处理的温度为200℃~260℃，保温时间为30h~60h。
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