AQ80M镁合金环形件挤锻轧集成工艺的制作方法

本发明属于镁合金变形加工领域，特别涉及一种aq80m镁合金的挤压、锻造和环件轧制变形领域。

背景技术：

大尺寸环形件是飞机、火箭及导弹等的重要结构件，目前铝合金、钛合金等传统合金是制备环形件的主要材料。镁合金因其具有密度小、比强度高、阻尼性能好、可回收无污染等优点被誉为“21世纪绿色工程材料”，并成为航空航天及国防军工等领域中最具发展潜力的结构材料之一。因此镁合金成为一种潜在的环形件材料，从而满足减重及提高燃料效率的要求。目前，环件轧制是制备环形件的主要加工工艺。镁合金环形件制备存在一定的难度：镁合金室温塑性差、热变形温度范围窄，环件轧制所需坯料尺寸大，优质坯料加工制备难度大。为了解决这些问题，必须利用合适的制坯工艺，并且严格控制变形工艺参数；而目前缺少镁合金环形件成形工艺的相关研究。

本专利针对航空航天及国防领域对大尺寸镁合金环形件的实际需求，基于aq80m中强耐热镁合金，采用挤压开坯、锻造制坯与环轧成形的挤锻轧集成工艺，成功制备出表面无裂纹、组织均匀、综合力学性能优良的大尺寸aq80m镁合金环形件。该集成工艺对改善镁合金环形件加工方式具有重要的指导价值和实际意义。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种制备表面无裂纹、组织均匀、综合力学性能优良的大尺寸aq80m镁合金环形件的挤锻轧集成工艺，以满足航空航天和国防领域对大尺寸镁合金无缝环形件的迫切需求。本发明采取的技术方案是：

1.半连续铸造，得到直径φ600-650mm的铸锭。

2.均匀化退火：240-260℃保温8-10h后，升温至410-420℃保温42-46h，空冷至室温。

3.下料，均匀化后车皮、探伤、切割下料，得到直径φ570-600mm，长度1000~1500mm的锭坯。

4.热挤压开坯，挤压温度360-400℃，挤压速度0.3-0.7mm/s，挤压后棒材直径φ390-410mm。通过挤压消除合金中的铸造缺陷、改善合金组织，同时去除锭坯表层而保留心部优质区域，保证后续变形的塑性、降低开裂风险。

5.多向锻造制坯，挤压后锭坯在390-410℃保温8-12h，在油压机上进行第一火锻造：以圆柱锭坯高向和垂直的两个径向为z、y和x方向，首先沿着z、y和x方向进行3-6道次镦粗，道次压下量10-40%；再以x或y为轴，滚动压缩凸棱2-10道次，道次压下量5-20%；最后沿着x或y镦粗成一圆柱体，道次压下量20-30%；锭坯回炉在380-400℃保温6-8h后，进行第二火锻造：以新的圆柱体的高向和垂直的两个径向为z、y和x方向重复上述锻造工艺，最终镦粗得到高度250-550mm的毛坯料。镁合金塑性变形的温度窗口较小，多向锻造是一个降温过程，因此采用两火次即能够保证材料成形性，又可降低锻造时开裂的风险。锻造过程中采用多道次大变形量镦粗和小变形量压棱相结合，保证了锭坯从心部到边部的变形均匀性及组织均匀性；同时整个锻造过程中出现了两次圆柱锭坯高向的变化，能够起到弱化变形织构的效果，有利于得到各向同性的毛坯料。

6.机械穿孔，孔直径φ200-260mm。

7.环件轧制，毛坯料在380-400℃保温4-8h，并在碾环机上进行一火环轧成形，轧制时主动辊转速为8-30r/min、芯辊直线进给速度0.2-2.0mm/s，环轧结束后立即水冷淬火；最终制备出外径φ700-1400mm、壁厚45-100mm、高度300-600mm的aq80m镁合金环形件。环件轧制的主要目的是扩大直径、减小壁厚；同时通过对壁厚施加多道次的轧制塑性变形，达到细化晶粒、增强织构及提高力学性能的作用。

8.时效处理，将环形件在170-190℃保温30-40h，可提高环形件综合力学性能，时效态环形件高向、切向和径向室温屈服强度≥200mpa、抗拉强度≥330mpa、伸长率≥6%，高向和切向屈服强度差值≤20mpa；150℃屈服强度≥160mpa、抗拉强度≥200mpa、伸长率≥30%，高向和切向屈服强度差值≤10mpa。

作为优选，所述4步骤中挤压筒及模具预热至360-390℃。

作为优选，所述5步骤中油压机上下平砧预热至250-350℃。

作为优选，所述5步骤中锻造采用点动式压下，压下速度200-400mm/min。

作为优选，所述7步骤中碾环机主动辊、芯辊、抱辊及锥辊预热至300-360℃。

作为优选，所述7步骤中锥辊的主要作用是稳定环件轧制变形、抑制端面“鱼尾”缺陷，并不沿环形件高向施加压下量以避免两端因应力状态复杂而开裂。

本发明的主要优点

提出了一种切实可行的aq80m镁合金环形件成形工艺，包括了熔铸、均匀化退火、挤压开坯、锻造制坯、环轧成形及时效强化的一条完整工艺路线，创新性地实现了挤锻轧三种塑性变形方式的集成组合。挤压开坯能够为多向锻造提供塑性好、组织均匀的优质坯料，通过控制多向锻造过程的关键参数，极大地降低了锻造时锭坯开裂的风险、保证了成形性，同时使整个锭坯得到充分的塑性变形，晶粒细化、组织均匀。环件轧制过程伴随着壁厚的减薄和温度的降低，因此对毛坯件的整体塑性和组织均匀性具有更高的要求，采用挤压+多向锻造结合的工艺，严格控制相关工艺参数，可制备出满足要求的优质毛坯件，提高环件轧制的成品率。环件轧制采用一火轧制成形，这样保证了塑性变形的充分性、连续性，有利于环形件最终的力学性能，同时避免了中间回炉退火产生的晶粒长大、力学性能弱化和生产效率降低等问题。在该挤锻轧集成工艺的指导下成功制备出大直径高品质的aq80m镁合金环形件。

附图说明

图1是本发明实施例1经挤压开坯的锭坯图；

图2是本发明实施例1经挤压和多向锻造后的锭坯图；

图3是本发明实施例1经环件轧制后的环形件图；

图4是本发明实施例3经环件轧制后的环形件图。

具体实施方式

实施例1

利用半连续铸造浇铸出φ620mm×1800mm的aq80m镁合金铸锭，在退火炉中进行双级均匀化热处理，均匀化工艺：250℃×8h+415℃×44h。冷却至室温后，对锭坯进行机械车皮、切割、倒圆角等处理，加工出φ580mm×1400mm的锭坯。锭坯在热挤压机上挤压成直径φ400mm的圆棒，挤压温度370℃，挤压速度为0.3mm/s，图1为挤压开坯圆棒。空冷至室温后，将挤压圆棒进行切割下料为φ400mm×1040mm锭坯。锭坯在410℃保温10h，在油压机上进行第一火锻造：以圆柱锭坯高向和垂直的两个径向为z、y和x方向，首先沿着z、y和x方向进行4道次镦粗，道次压下量10-30%；再以x(y)为轴，滚动压缩凸棱6道次，道次压下量10-20%；最后沿着x(y)镦粗成一近似圆柱体，道次压下量28%；锭坯回炉在390℃保温8h后，进行第二火锻造：以新的圆柱体的高向和垂直的两个径向为z、y和x方向重复上述锻造工艺，最终镦粗得到高度490mm的毛坯料，如图2所示。在锭坯中心机械穿孔，孔直径φ255mm。将锭坯在碾环机上进行一火环轧成形，环轧前锭坯在385℃保温6h，轧制时主动辊转速为10-15r/min、芯辊直线进给速度0.5-1.5mm/s，环轧结束后立即水冷淬火。成形后对环形件进行175℃×36h时效处理。最终制备出外径φ770、壁厚100mm、高度500mm的aq80m镁合金环形件，如图3所示。

实施例2

利用半连续铸造浇铸出φ620mm×1800mm的aq80m镁合金铸锭，在退火炉中进行双级均匀化热处理，均匀化工艺：250℃×8h+415℃×44h。冷却至室温后，对锭坯进行机械车皮、切割、倒圆角等处理，加工出φ580mm×1400mm的锭坯。锭坯在热挤压机上挤压成直径φ400mm的圆棒，挤压温度370℃，挤压速度为0.3mm/s，空冷至室温后，将挤压圆棒进行切割下料为φ400mm×910mm锭坯。锭坯在410℃保温10h，在油压机上进行第一火锻造：以圆柱锭坯高向和垂直的两个径向为z、y和x方向，首先沿着z、y和x方向进行4道次镦粗，道次压下量15-20%；再以x(y)为轴，滚动压缩凸棱5道次，道次压下量5-15%；最后沿着x(y)镦粗成一近似圆柱体，道次压下量25%；锭坯回炉在385℃保温8h后，进行第二火锻造：以新的圆柱体的高向和垂直的两个径向为z、y和x方向重复上述锻造工艺，最终镦粗得到高度480mm的毛坯料。在锭坯中心机械穿孔，孔直径φ255mm。将锭坯在碾环机上进行一火环轧成形，环轧前锭坯在390℃保温6h，轧制时主动辊转速为10-18r/min、芯辊直线进给速度0.6-1.8mm/s，环轧结束后立即水冷淬火。成形后对环形件进行175℃×36h时效处理。最终制备出外径φ810、壁厚80mm、高度485mm的aq80m镁合金环形件。

实施例3

利用半连续铸造浇铸出φ620mm×1800mm的aq80m镁合金铸锭，在退火炉中进行双级均匀化热处理，均匀化工艺：250℃×8h+415℃×44h。冷却至室温后，对锭坯进行机械车皮、切割、倒圆角等处理，加工出φ580mm×1400mm的锭坯。锭坯在热挤压机上挤压成直径φ400mm的圆棒，挤压温度370℃，挤压速度为0.3mm/s，空冷至室温后，将挤压圆棒进行切割下料为φ400mm×1000mm锭坯。锭坯在410℃保温10h，在油压机上进行第一火锻造：以圆柱锭坯高向和垂直的两个径向为z、y和x方向，首先沿着z、y和x方向进行5道次镦粗，道次压下量15-30%；再以x(y)为轴，滚动压缩凸棱5道次，道次压下量10-20%；最后沿着x(y)镦粗成一近似圆柱体，道次压下量26%；锭坯回炉在395℃保温8h后，进行第二火锻造：以新的圆柱体的高向和垂直的两个径向为z、y和x方向重复上述锻造工艺，最终镦粗得到高度500mm的毛坯料。在锭坯中心机械穿孔，孔直径φ255mm。将锭坯在碾环机上进行一火环轧成形，环轧前锭坯在390℃保温6h，轧制时主动辊转速为14-20r/min、芯辊直线进给速度0.6-1.8mm/s，环轧结束后立即水冷淬火。成形后对环形件进行175℃×36h时效处理。最终制备出外径φ1200、壁厚58mm、高度510mm的aq80m镁合金环形件，如图4所示。

表1实施例中环形件室温拉伸力学性能

表2实施例中环形件150℃拉伸力学性能