一种大直径中强耐热镁合金厚壁筒形件成形工艺的制作方法
【专利摘要】本专利公开了一种大直径中强耐热镁合金厚壁筒形件成形工艺。该工艺路线为：大炉熔炼、半连续铸造、均匀化退火、变温多向锻造、机械穿孔、环轧成形和时效处理，其中变温多向锻造是在油压机上进行，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%，环轧成形前坯料经380-400℃保温4-8h，轧制变形量60-80%。制备出外径Ф700-1100mm、壁厚50-100mm、高度300-700mm的厚壁筒形件。该厚壁筒形件强度高、耐热性能好，满足航空航天领域结构件的尺寸及性能要求。
【专利说明】一种大直径中强耐热镁合金厚壁筒形件成形工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及镁合金变形加工领域，特别涉及一种Mg-Al-Ag系镁合金的锻造及环轧变形领域。
【背景技术】
[0002]目前大直径厚壁筒形件作为航空航天领域中重要的结构件，是用铝合金制备的。随着航空航天领域的快速发展，材料减重已成为该领域的迫切要求。如果用镁合金制备这些大直径厚壁筒形件，可起到显著的减重效果(镁合金密度比铝合金轻三分之一)。利用镁合金制备厚壁筒形件难度较大。镁合金为密排六方晶体结构，滑移系少，常温变形能力差；热变形温度区间窄且散热快；大直径厚壁筒形件所需坯料尺寸大，坯料制备难度大；目前缺少可参考的镁合金厚壁筒形件成形工艺的报道。
[0003]本专利针对航空航天领域对大直径镁合金厚壁筒形件实际需求，基于一种Mg-Al-Ag系合金，采用变温多向锻造与环轧成形相结合的工艺路线，首次设计出大直径厚壁筒形件成形工艺，并制备出外径Φ700-1100mm、壁厚50-100mm、高度300-700mm的厚壁筒形件。该厚壁筒形件对推进镁合金在航空航天领域的广泛应用具有重大意义。
【发明内容】
[0004]本发明目的是为制备大直径、中强度耐热镁合金厚壁筒形件提供一种切实可行的工艺路线，以满足航空航天领域对大直径镁合金厚壁筒形件的迫切需求。本发明提出的成形工艺如下。
[0005]1.厚壁筒形件所需坯料尺寸较大，采用大容量的熔炼炉熔化原料。
[0006]2.半连续铸造并机械加工出直径Φ480-600πιπι的镁合金锭坯。合金质量百分比成分:A1 7.5-9.0%、Ag 0.02-0.80%、Zn 0.35-0.55%、Mn 0.05-0.20%、RE 0.01-0.10%、Ca
0.001-0.020%、Fe ( 0.02%、Si ( 0.05%、Cu ( 0.02%、Ni ( 0.001%,其余为 Mg。铸锭无裂纹、缺陷少、成分偏析小。高质量的铸锭是后续变形加工顺利进行的有力保障。
[0007]3.为减少或消除非平衡凝固过程中产生的枝晶偏析，对铸锭进行双级均匀化退火处理。均匀化退火工艺为250-300°C保温10-12h后，升温至380_410°C保温20_30h，空冷至室温。
[0008]4.在油压机上对锭坯进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%、上下砧板温度150-20(TC。锻造前将锭坯加热至380-410°C保温8-16h。锻造过程中当锭坯表面温度低于350°C时回炉退火，退火工艺370°C -400°C保温4-8h。退火后重复镦拔过程，经3次以上镦拔后将锭坯压扁至高度250-480mm。多向锻造可改善镁合金铸态组织，细化晶粒。但镁合金锻造温度范围较窄，且对变形速度敏感，因此合理制定锻造温度与变形速度等工艺参数是锻造变形能够顺利进行的关键。同时这些参数对变形后镁合金的显微组织影响很大，影响合金的力学性能。
[0009]5.在锭坯中心处机械穿孔，孔尺寸Φ200-260πιπι。[0010]6.在环轧机上对锭坯进行一次环轧成形，轧制变形量60-80%、轧辊温度200-250°C、环轧前加热锭坯至380°C -400°C保温4_8h，环轧出外径Φ700-1100_、壁厚50-100mm、高度300_700mm的厚壁筒形件。
[0011]7.Mg-Al-Ag系多元镁合金是一种可时效强化镁合金，因此对成形后的厚壁筒形件进行时效处理，其工艺为170-190°C保温30-40h。
[0012]8.该厚壁筒形件的力学性能为:高向、切向、径向室温屈服强度≥190MPa、抗拉强度≥320MPa，伸长率≥6% ;150°C屈服强度≥160MPa、抗拉强度≥200MPa、伸长率≥30%。
[0013]本发明的优点如下。
[0014]I)首次提出完整的镁合金厚壁筒形件成形工艺。从熔铸、锻造、环轧到成形后时效处理，各工艺步骤有机结合。在该工艺的指导下成功制备出大直径镁合金厚壁筒形件。
[0015]2)该工艺生产效率高。变形过程中只需加热2-3次，提高了生产效率，降低了生产成本。同时减少重复加热次数有利于提高镁合金的力学性能。
[0016]3)镁合金热变形温度范围窄、对变形速度敏感，其变形参数的设计及控制难度大。本发明通过大量的实验，成功优化了所用合金的热变形参数，使其成形性与良好的力学性能相结合。
[0017]4)为提高效率，减少重复加热次数，轧制时采用一次环轧成形。这要求轧制速度及变形量均较大(变形量> 60%)，不利于发挥镁合金塑形，成形困难。本发明采用多向锻造+环轧结合的工艺路线。用大变形量的多向锻造来改善铸态组织细化晶粒，从而提高镁合金在环轧时的变形能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例1中经机械车皮、切割、倒角处理后的锭坯。
[0019]图2是本发明实施例1经多向锻造后的锭坯。
[0020]图3是本发明实施例1经中间穿孔后的锭坯。
[0021]图4本发明实施例1成形后的厚壁筒形件。
【具体实施方式】
[0022]实施例1:利用大炉熔融原料，半连续铸造浇铸出直径Φ530mm的Mg-8.0Al-
0.5Ag-0.4Zn-0.1Mn-0.1 RE-0.01Ca (wt.%)镁合金铸锭。铸锭依次进行机械车皮、切割、倒角等处理，最终加工出直径Φ480πιπι，长度700mm的锭坯，如图1所示。对锭坯进行双极均匀化退火，退火工艺为250-300V保温10-12h后，升温至380-410°C保温20_30h，空冷至室温。锭坯加热至410°C保温10h，在油压机上对锭坯进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5_10%、上下砧板温度150-200°C。锻造过程中当锭坯表面温度低于350°C时回炉退火，退火温度400°C、保温时间5h。每次回炉退火温度相对前一次降低10°C。退火后重复镦拔过程，经3次镦拔后将锭坯压扁至高度480mm，如图2所示。在锭还中心处机械穿孔,孔尺寸Φ250ι?πι,如图3所示。在轧环机上对锭还进行一次环轧成形，轧制变形量68%、轧辊温度200-250°C。环轧前加热锭坯至400°C保温8h。成形后对厚壁筒形件进行180°C X30h时效处理。最终制备的厚壁筒形件外径Φ700πιπι、高度500mm、壁厚100mm，如图4所示。时效后室温与150°C时的拉伸性能分别列于表1、表2。[0023]实施例2:首先利用大炉熔融合金原料，然后半连续铸造浇铸出直径Φ550πιπι的Mg-8.0A1-0.5Ag-0.4Zn-0.1Mn-0.1 RE-0.02Ca (wt.%)合金铸锭。铸锭依次进行机械车皮、切割、倒角等处理，最终加工出直径Φ500mm，长度780mm的锭坯。对锭坯进行双极均匀化退火，退火工艺为250-300°C保温10-12h后，升温至380-410°C保温20_30h，空冷至室温。400°C保温锭坯16h，在油压机上对锭坯进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%、上下砧板温度150-200°C。锻造过程中当锭坯表面温度低于350°C时回炉退火，退火温度390°C、保温时间8h。每次回炉退火温度相对前一次降低10°C。退火后重复镦拔过程，经4次镦拔后将锭坯压扁至高度450mm。在锭坯中心处机械穿孔，孔尺寸Φ250mm。在轧环机上对锭坯进行一次环轧成形，轧制变形量61%、轧辊温度200-25(TC。环轧前加热坯料至40(TC保温10h。成形后对厚壁筒形件进行1750C X35h时效处理。最终制备的厚壁筒形件外径Φ900mm、高度500mm、壁厚100mm。时效后室温与150°C时的拉伸性能分别列于表1、表2。
[0024]实施例3:首先利用大炉熔融合金原料，再半连续铸造浇铸出直径Φ600πιπι的Mg-9.0Al- 0.8Ag-0.4Zn_0.1Mn-0.1 RE-0.01Ca (wt.%)镁合金铸锭。铸锭依次进行机械车皮、切割、倒角等处理，最终加工出锭坯尺寸为直径Φ 550mm，长度650mm。对锭坯进行双极均匀化退火，退火工艺为250-300°C保温10-12h后，升温至380_410°C保温20_30h，空冷至室温。在油压机上对锭坯进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30-40%、拔长道次压下量5-10%、上下砧板温度150-300°C。锻造前将锭坯加热至410°C保温Sh0锻造过程中当锭坯表面温度低于350°C时回炉退火，退火工艺390°C保温5h。每次回炉退火温度相对前一次降低20°C。经3次以上镦拔后将锭坯压扁至高度400mm。在锭坯中心处机械穿孔，孔尺寸Φ250mm。在轧环机上对锭坯进行一次环轧成形，轧制变形量75%，轧辊温度200-300°C。环轧前加热锭坯至380°C保温5h。成形后对厚壁筒形件进行190°C X30h时效处理。最终制备的厚壁筒形件外径Φ 1100mm、高度500mm、壁厚80mm。时效后室温与150°C时的拉伸性能分别列于表1、表2。
[0025]表1实施例中壁筒形件室温拉伸力学性能
【权利要求】
1.一种大直径中强耐热镁合金厚壁筒形件成形工艺，合金质量百分比成分为:Al 7.5-9.0%、Ag 0.02-0.80%、Zn 0.35-0.55%、Mn 0.05-0.20%、RE 0.01-0.10%、Ca0.001-0.020%,Fe ( 0.02%,Si ( 0.05%,Cu ( 0.02%,Ni ( 0.001%，其余为 Mg，其特征在于具体工艺步骤为: A.大炉熔炼； B.半连续铸造，并机械加工出直径Φ480-600_的锭坯； C.对锭坯均匀化退火，退火工艺:250-300°C保温10-12h后，升温至380_410°C保温20-30h，空冷至室温； D.均匀化退火后的锭坯经380-410°C保温8-16h，在油压机上进行镦拔式多向锻造，压下速度200-400mm/min、镦粗道次压下量30_40%、拔长道次压下量5_10%、上下砧板温度150-2000C ;当锭坯表面温度低于350°C时回炉退火，退火温度370-400°C、保温时间4_8h，退火后重复镦拔过程，锭坯经至少3次镦拔后压扁至高度250-480mm ； E.机械穿孔,孔尺寸Φ200-260ι?πι; F.在环轧机上进行一次环轧成形，环轧前锭坯经380-40(TC保温4-8h、轧制变形量60-80%、轧辊温度 200-250°C，制备出外径 Φ700-1100mm、壁厚 50_100_、高度 300_700mm 的厚壁筒形件； G.对厚壁筒形件进行时效处理，时效工艺:170-190°C保温30-40h。
2.根据权利要求1所述的大直径中强耐热镁合金厚壁筒形件成形工艺，其特征在于:D步骤每次退火温度相对前一次退火温度降低10-20°C。
3.根据权利要求1所述的一种大直径中强耐热镁合金厚壁筒形件成形工艺，其特征在于:G步骤时效后厚壁筒形件高向、切向、径向室温屈服强度≥190MPa、抗拉强度≥320MPa、伸长率≥6% ;150°C屈服强度≥160MPa、抗拉强度≥200MPa、伸长率≥30%。
【文档编号】C22C23/02GK103909382SQ201410021994
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月18日 优先权日:2014年1月18日
【发明者】刘楚明, 肖宏超, 张绪虎, 张帆, 顾洪兵, 刘东军, 沈光明 申请人:中南大学