一种制备各向同性超高强耐热镁合金结构件的锻造工艺的制作方法

本发明涉及高强耐热镁合金的热变形领域，特别涉及mg-gd-y-zr系镁合金多向锻造变形。

背景技术：

镁合金具有储量大，密度低，比强度、比刚度高等优点，被誉为“21世纪绿色材料”。相比压铸件，变形镁合金以其特殊的优势获得越来越多的应用。变形镁合金可以通过变形获得理想的形状和尺寸，也可以利用变形来消除铸造缺陷，细化晶粒，进而提高力学性能。mg-gd-y-zr合金作为一种典型的变形镁合金，以其优异的力学性能和耐热性广受关注。目前，mg-gd-y-zr合金的应用仍以挤压型材，轧制板材为主，大规格自由锻件的应用很少。原因有以下几点：第一，gd、y等稀土的加入使得镁合金变形抗力增加，加工窗口缩小；第二，由于摩擦力等因素，样件在自由锻造时存在难易变形区，变形不均匀且难以深入，造成组织和力学性能不均匀；第三，镁合金具有特殊的密排六方结构，变形过程极易产生织构，造成明显的力学性能各向异性。这三点原因导致很难制备出组织均匀、性能达标、各向异性小的大规格mg-gd-y-zr锻件。

但由于航空航天领域存在迫切的减重需求，大规格超高强耐热mg-gd-y-zr合金锻件无疑会在上述领域有很好的应用前景。通过改进和创新锻造工艺来解决以上三个问题，就成了推广mg-gd-y-zr合金锻件应用的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于开发一种制备各向同性超高强耐热镁合金结构件的锻造工艺，改进现有mg-gd-y-zr合金锻造工艺上的不足。本发明的方法是：

1.采用半连续铸造方法制备镁合金铸锭，浇铸时在结晶器内施加电磁场，制备出规格为φ340-630mm，长度≥2000mm的锭坯，铸锭浇铸结束后立即在150-300℃保温12-16h去应力退火；

2.在480-540℃保温15-25h进行均匀化处理，然后随炉冷却至室温；

3.对铸锭进行车皮，探伤，锯床下料，得到尺寸为φ320-600mm，长度800-1200mm的圆柱形锭坯。

4.在450℃-530℃加热坯料，保温10-16h；锻造前坯料保温温度过高，有过烧的危险，保温温度过低，变形时容易开裂，且不容易发生动态再结晶，晶粒细化效果不好。在450-530℃的温度区间保温坯料，既避免了过烧危险，又保证了合金的变形能力，促进其发生动态再结晶，细化晶粒。

5.对上下平砧进行加热，温度为250-350℃；自由锻造过程中，锻件暴露在空气中，表面温度下降得很快，容易开裂，而加热平砧则有助于在变形过程中保温锻件，减少开裂的风险。平砧在250℃-350℃温度范围内对锻件的保温效果较好，且容易快速实现。当平砧加热温度低于此范围时，保温锻件的效果不好；而平砧的加热温度过高时，则耗时耗能，增加工序，影响生产效率。

6.在立式液压机上进行6-10mm/s慢速多道次自由多向锻造；具体流程为:以圆柱形坯料高向、任意两个相互垂直的径向分别为z，y和x方向。首先沿着z，y和x方向进行3-6道次镦粗，道次变形量为20-40%，将圆柱形坯料压成6面体；然后以y或x中一个方向为轴，滚动压缩棱角2-6道次，道次变形量10-30%,将6面体压成10-18面体；最后立起镦粗，压下量20-40%，将其压成近似圆柱体；对于镁合金大型锻件而言，由于存在摩擦力等因素，锻件存在难易变形区，变形不均匀；特殊的密排六方结构又使得其极易在变形过程中产生强烈的织构，对最终的力学性能或后续的加工变形产生影响。而本发明中的锻造方法，除了在z，y，x三个方向进行多道次大变形量锻造变形，有效细化晶粒以外。还以y或x为轴，滚动压缩棱角，这种方式既能够让锻件表面获得一定的变形量，又可以弱化沿z、y和x方向大变形带来的强烈织构，使得锻件内外部分变形均匀，力学性能各向异性很小。压缩棱角道次过少或者道次变形量过小，表面难以获得充足的变形，弱化织构的效果也不好；压缩棱角道次过多，锻件降温明显，容易开裂，道次变形量过大，则容易产生新的织构。本发明中，每火次锻造压缩棱角2-6道次，单道次变形量10-20%，在保证合金不开裂的前提下，使表面获得尽可能多的变形量，同时有效弱化了之前大变形带来的强烈织构。

7.回炉再在440-520℃中间退火保温0.5-2h，取出后以新的圆柱体的高向，两个垂直的径向分别为z，y和x方向重复上述锻造和中间退火工艺1-2次，最后1火次锻造结束后空冷。中间退火温度过高或保温时间过长，晶粒容易过分长大，损害力学性能；退火温度过低或时间过短，对锻件的保温效果不好，变形时锻件容易开裂。本发明中的中间退火制度，充分利用每火次锻造结束后锻件仍保留一定温度的特点，每次中间退火适当降低温度，在对锻件实现充分保温的同时，避免了因温度过高导致的晶粒过分长大的问题。

8.对锻件进行t6处理，固溶处理制度为380-450℃保温30-120min，时效制度为200-250℃保温10-72h。采用本发明中的固溶处理制度，在消除加工硬化的同时，也使材料发生一定程度的静态再结晶，进一步弱化织构。固溶处理温度过高时，再结晶晶粒长大明显，影响力学性能，固溶处理温度过低，加工硬化消除的不好，影响延伸率。而时效温度过高或者时间过长，时效分解相尺寸过大，强化效果不好，时效温度过低或者时间过短，溶质原子扩散缓慢，到达峰值时效的时间过长，影响生产效率。而采用本发明中的时效制度，到达峰值时效时间较短，强化效果也很显著。

所述的步骤4中在多向锻造前480-520℃保温坯料10-14h。

所述的步骤5中的加热温度为300-350℃。

所述的步骤6中首先沿着z，y和x方向进行3-6道次镦粗，道次变形量为30-40%，将圆柱形坯料压成6面体；然后以y或x方向为轴，滚动压缩棱角4-6道次，道次变形量15-20%,将6面体压成14-18面体。

所述的步骤7中在470-510℃回炉退火0.5-1.5h，且每次退火温度比前一次低10℃。

所述的步骤8中固溶处理制度为420-440℃保温45-90min，时效制度为210-230℃保温10-20h。

本发明的优点：

1.对铸锭进行多向锻造时，首次采用滚动压缩棱角的方式，既使得锻件表面获得了足够的变形量，又有效消除了沿z，y和x方向大变形导致的强烈织构，使得制备的大规格mg-gd-y-zr锻件各个部位变形均匀，各向异性很小。

2.利用每火次锻造结束后锻件仍保留一定温度的特点，采取每次中间退火温度比前一次低10℃的方式，既实现了锻件的充分保温，又避免了保温温度过高带来的晶粒过分长大的问题，使得锻件拥有很高的力学性能。

3.采用t6热处理制度，在消除加工硬化、提高延伸率的同时，利用静态再结晶进一步弱化变形织构，使得锻件力学性能各向异性非常小。其t6态室温高向，径向抗拉强度均≥460mpa，屈服强度≥400mpa，延伸率≥4%，高向，径向强度差别≤10mpa,延伸率≤0.5%；200℃时，高向，径向抗拉强度均≥350mpa，延伸率≥6%。

附图说明

图1为本发明所使用的机加后直径φ420mm铸锭锭坯图；

图2为本发明制备的高度450-700mm的多向锻造锻件图。

具体实施方式

实施例1

采用半连续电磁铸造方法制备直径φ400mm，长度2500mm，成份为mg-8.65gd-2.43y-0.28ag-0.16er-0.38zr(wt.%)铸锭，浇铸结束后在250℃保温12h去应力退火，机械加工出直径φ380mm，长度830mm锭坯。在490℃均匀化退火20h后随炉冷却至室温。锻造前510℃加热保温锭坯10h，加热上下平砧至325℃，在立式液压机上进行10mm/s慢速多道次多向锻造，具体流程为:以圆柱形坯料高向、任意垂直的两个径向分别为z，y和x方向；首先沿着z，y和x方向进行3道次镦粗，道次变形量为40%，将圆柱形坯料压成6面体；然后以y或x为轴，滚动压缩棱角5道次，道次变形量30%,将6面体压成16面体；最后立起镦粗，压下量20%，将其压成近似圆柱体。锻造结束后回炉500℃保温1h。出炉后以新圆柱体的高向，任意垂直的两个径向为z，y和x方向重复上述锻造工艺，最后压成高度为330mm的近似圆柱，锻造结束后空冷至室温。对锻件进行t6处理，固溶处理制度为420℃保温90min,时效制度为210℃保温48h。具体力学性能列于表1。

实施例2

采用半连续电磁铸造制备出直径φ450mm，长度2300mm，成分为mg-8.72gd-2.84y-0.22ag-0.11er-0.31zr(wt.%)铸锭，浇铸结束后在225℃保温14h去应力退火，机械加工出直径φ420mm，长度930mm的锭坯，具体实物见图1。在520℃均匀化退火保温18h，结束后随炉冷却至室温。锻造前490℃保温锭坯16h，加热平砧至350℃，在立式液压机上进行8mm/s慢速多道次多向锻造，具体流程为:以圆柱形坯料高向、任意垂直的两个径向分别为z，y和x方向；首先沿着z，y和x方向进行6道次镦粗，道次变形量为30%，将圆柱形坯料压成6面体；然后以y或x为轴，滚动压缩棱角6道次，道次变形量20%,将6面体压成18面体；最后立起镦粗，压下量25%，将其压成近似圆柱体。回炉480℃保温1h。出炉后以新圆柱体的高向，任意垂直的两个径向为z，y和x方向重复上述锻造工艺，然后回炉470℃保温1.5h。出炉后再次以新圆柱体的高向，任意垂直的两个径向为z，y和x方向重复上述锻造工艺，最后压成高度为490mm的近似圆柱，锻造结束后空冷至室温，具体实物见图2。对锻件进行t6处理，固溶处理制度为430℃保温60min,时效制度为225℃保温18h。具体力学性能见表1。

实施例3

采用半连续电磁铸造制备出直径φ450mm，长度2300mm，成份为mg-8.94gd-2.94y-0.18ag-0.10er-0.45zr(wt.%)铸锭，浇铸结束后在240℃保温14h去应力退火，机械加工出直径φ420mm，长度1020mm的锭坯，具体实物见图1。在500℃均匀化退火保温20h，结束后随炉冷却至室温。锻造前520℃保温锭坯10h，加热平砧至300℃，出炉后在立式液压机上进行8mm/s慢速多道次多向锻造，具体流程为:以圆柱形坯料高向、任意垂直的两个径向分别为z，y和x方向；首先沿着z，y和x方向进行6道次镦粗，道次变形量为25%，将圆柱形坯料压成6面体；然后以y或x为轴，滚动压缩棱角6道次，道次变形量15%,将6面体压成18面体；最后立起镦粗，压下量30%，将其压成近似圆柱体。回炉510℃保温45min。出炉后以新圆柱体的高向，任意垂直的两个径向为z，y和x方向重复上述锻造工艺。锻造结束后继续回炉500℃保温60min。出炉后再次重复上述锻造工艺，最后压成高度为500mm的近似圆柱，锻造结束后空冷至室温，具体实物见图2。对锻件进行t6处理，固溶处理制度为440℃保温45min,时效制度为230℃保温12h。具体力学性能见表1。

表1实施例中锻件的力学性能