本发明涉及金属材料的塑性加工领域，具体而言，涉及一种镦挤制备高强镁或镁合金的方法。
背景技术：
镁或镁合金目前作为工业应用中最轻的金属结构材料之一，在航空、航天、汽车、计算机、电子、通讯和家电等行业中具有广泛的应用前景。然而受镁密排六方晶体结构影响，镁或镁合金经挤压、轧制、锻造、冲压、拉拔等热塑性加工后极易引入强烈的基面织构，致使镁或镁合金力学性能方向性差异严重，晶粒粗大的组织特点不利于综合性能的提高。目前，商用镁或镁合金加工材平行挤压、拉拔、轧制或垂直锻造方向的rcp0.2/rp0.2仅为0.5~0.7（rcp0.2/rp0.2-压缩屈服强度rcp0.2/拉伸屈服强度rp0.2），表现为严重的抗压或抗拉能力不足，例如az31b镁合金热挤压材拉伸屈服强度rp0.2约为140mpa，而压缩屈服强度rp0.2不足80mpa，其rcp0.2/rp0.2低于0.6，高周对称弯曲疲劳强度σ-1低于50mpa；zk61m镁合金热挤压棒料拉伸屈服强度rp0.2约为240mpa，压缩屈服强度rp0.2则仅约120mpa，其rcp0.2/rp0.2约为0.5，高周对称拉压疲劳强度σ-1p低于70mpa。这种性能各向异性使得单纯依据镁或镁合金拉伸或压缩性能来设计构件带来安全隐患，尤其是在交变应力、冲击应力、多向负载等各类动载或复杂载荷服役工况下尤为严重，极大限制了镁或镁合金加工材在结构、承重等领域的扩展应用。因此，开发拉压同性的高强/高抗疲劳镁或镁合金棒材、管材、型材、板材等加工材的规模化制备技术，满足复杂受力工况尤其是各类动载荷下高端承力/微承力构件稳定负载和有效减重的设计性要求（安全性和经济性），可极大助推国内镁合金产业结构优化及发展，有效缓解国家经济和社会发展对轻量化构件的广泛性需求。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种镦挤制备高强镁或镁合金的方法，采用该方法制备的镁或镁合金棒材、管材、型材、板材等加工材具有高拉伸屈服强度、高压缩屈服强度及高对称疲劳强度，同时具有优异的二次成形性，适于镁或镁合金加工材及其轻体结构件在各类动载荷及多向载荷等复杂受力工况下的服役。为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：本发明所述的镦挤制备高强镁或镁合金的方法，步骤包括将镁或镁合金坯料放入模具中依次进行的镦粗步骤和挤压步骤。优选的，所述镦粗步骤为一次或至少两次间断性镦粗到指定累积镦粗比；所述挤压步骤为一次或至少两次间断性挤压到指定累积挤压比。优选的，所述指定累积镦粗比为1.1~5.0，镦粗温度为100~480℃；所述指定累积挤压比为所述指定累积镦粗比的3~10倍，挤压温度不高于镦粗温度。优选的，所述指定累积镦粗比为1.1~5.0，镦粗温度为350~480℃；所述指定累积挤压比为3.3~50.0，挤压温度为室温~480℃。优选的，所述指定累积镦粗比为1.1~3.0，镦粗温度为250~350℃；所述指定累积挤压比为3.3~30.0，挤压温度为室温~350℃。优选的，所述指定累积镦粗比为1.1~2.0，镦粗温度为100~250℃；所述指定累积挤压比为3.3~20.0，挤压温度为室温~250℃。本发明所述的镦挤制备高强镁或镁合金的方法，其特征在于，包括同步连续进行的镦粗步骤和挤压步骤，其中：指定累积镦粗比为1.1~2.0，指定累积挤压比为3.3~20.0，镦粗和挤压温度为100~250℃，镦粗温度与挤压温度相同；或：指定累积镦粗比为1.1~3.0，指定累积挤压比为3.3~30.0，镦粗和挤压温度为250~350℃，镦粗温度与挤压温度相同；或：指定累积镦粗比为1.1~5.0，指定累积挤压比为3.3~50.0，镦粗和挤压温度为350~480℃，镦粗温度与挤压温度相同。本发明所述的镦挤制备高强镁或镁合金的方法制备的镁或镁合金在棒材、管材、型材、板材制品中的应用。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1）通过镦粗压缩类应变与挤压伸长类应变合理结合的镦挤成形，极大削弱镁或镁合金加工材的强基面织构，根本消除镁或镁合金加工材的力学性能各向异性，实现了交变和多向载荷服役时的性能稳定性；2）基面织构的削弱，可有效抑制孪生变形，促进多系滑移，极大提升镁或镁合金加工材的二次成形性能，实现镁或镁合金加工材冷温条件下的成形，如弯曲、胀形、压形、旋压、拉延、翻变等；3）通过热镦粗和较低温度挤压实现冷温环境下的累积大塑性变形，进而充分细化镁或镁合金加工材组织至微米级别，进而显著提高加工材的组织均匀性，大幅提升轻体构件用镁材的力学性能及质量稳定性；4）坯料镦粗与挤压的顺序匹配，可在对现有设备不做大幅度改进的情况下，制备兼具高强/高韧/高抗疲劳性与高二次成形性的镁或镁合金棒材、管材、型材、板材等长加工材制品（长径比大于103），保留了传统锻造和挤压工艺的低成本、高效率、高可靠性及高适用性等经济性特点；综合以上在本发明过程中基于组织微晶化和基面织构弱化的双重调控措施，实现了兼具各向同性的高强/高韧/高抗疲劳性与高二次成形性的镁或镁合金棒材、管材、型材、板材等加工材的低成本高效制备，解决了传统镁或镁合金加工材普遍表现出的性能各向异性大、动载下承力能力不足等安全隐患，极大提高镁或镁合金加工材及其制品在复杂载荷作用下的服役能力，利于扩展其在结构、承重等领域（尤其在交变应力、冲击应力、多向负载等复杂载荷工况下）的拓展应用。该发明使镁或镁合金加工材兼具各向同性的高抗拉和抗压屈服强度、高抗疲劳性和高二次成形性，其平均晶粒尺寸约为0.6~8.4μm，拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均达到甚至超过常规挤压、轧制或锻造态拉伸屈服强度rp0.2水平，其中纯镁高于100mpa，镁合金约为160~350mpa，rpc0.2/rp0.2控制在0.9~1.1，拉伸断后延伸率a≥20%，循环次数大于108次的对称拉压疲劳强度σ-1p约为60~170mpa，循环次数大于108次的对称弯曲疲劳强度σ-1约为75~190mpa，三维力学性能差异≤10%。附图说明图1为选用的镦挤态纯mg、az31b、zk61m、we54a镁合金的微观组织；图2为选用的镦挤态az31、zk61m镁合金的xrd宏观织构。具体实施方式以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。本发明采用的术语：累积镦粗比为坯料原始高度与坯料最终镦粗后高度的比值，同时也等于坯料最终镦粗后横断面积与坯料原始横断面积的比值；累积挤压比为第一次挤压料筒原始的横断面面积同挤压最终制品总横断面面积的比值。本发明所要求保护的范围为权利要求书中所记载的技术方案，实现该技术方案采用的镦粗、挤压模具设备及其他相关设备为常规的设备，本发明就不再赘述。本发明所述的制造高强镁或镁合金的镦挤制备方法，包括以下步骤：（1）选取镁或镁合金坯料，将坯料加热至镦粗温度100~480℃，随后进行一次或者至少两次间断性的镦粗，累积镦粗比为1.1~5.0。初始坯料为铸态坯料时采用不高于2.0的累积镦粗比和不低于300℃的镦粗温度；初始坯料为挤压态、轧制态或锻态坯料优先采用大于1.6的累积镦粗比和低于350℃的镦粗温度。（2）然后将镦粗后的镁或镁合金经必要切割，冷却或重新加热至室温~480℃,控制挤压温度不高于镦粗步骤（1）中的镦粗温度，随后放入模具中进行一次或至少两次间断性的挤压至所需截面尺寸，累积挤压比3.3~50.0。为获得兼具高抗拉/抗压屈服强度、高抗疲劳性和高二次成形性的镁或镁合金，控制累积挤压比为累积镦粗比的3~10倍；且累积挤压比大于15时通常采用不低于250℃的挤压温度，累积挤压比大于25时通常采用不低于350℃的挤压温度。该过程同样包括同步连续进行的镦粗步骤和挤压步骤，镦粗比为1.1~2.0，挤压比为3.3~20.0，镦粗和挤压温度一致为100~250℃；或镦粗比为1.1~3.0，挤压比为3.3~30.0，镦粗和挤压温度一致为250~350℃；或镦粗比为1.1~5.0，挤压比为3.3~50.0，镦粗和挤压温度一致350~480℃。同步连续镦粗和挤压的技术方案与先镦粗后挤压的分步技术方案相比，大大提高了生产效率，更适合工业化生产，该两种技术方案均包括镦粗步骤和挤压步骤，属于一个总的发明构思。本发明的累积镦粗比在1.1~5.0，累积挤压比在3.3~50.0范围内均可实现，镁或镁合金棒材、管材、型材、板材等制品不产生裂纹。其组织特征为细晶弱基面织构，其产品典型组织和织构如图1和图2所示。实施例1本实施方式以商用纯mg为例进行说明，具体工艺条件如下：选择商用纯mg轧制态棒料为原材料，切割坯料尺寸为直径φ38mm×轴高80mm，其轴向方向为镦粗/挤压加载方向，加热坯料至200℃，放入φ51mm的挤料筒中一次性沿轴向镦粗至φ51mm，镦粗比1.8；然后同步一次性沿轴向挤压成φ16mm的棒料产品，挤压比10.0。沿轴向检测，该φ16mm产品平均晶粒尺寸d为6.5μm，其微观组织如图1a所示，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于107.7mpa，且rpc0.2/rp0.2为0.99，拉伸断后延伸率a为21.5%，沿轴向测试其拉压循环次数大于108次的对称拉压疲劳强度σ-1p约为62.8mpa。材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一挤压、轧制或锻造制备的同成分纯镁。实施例2本实施方式以az31b镁合金为例进行说明，具体工艺条件如下：（1）选择az31b挤压态棒料为原材料，切割坯料尺寸为直径φ36mm×轴高80mm，其轴向方向为镦粗/挤压加载方向，加热坯料至250℃，一次性沿轴向镦粗至φ51mm并冷却至室温，镦粗比2.0；（2）然后将步骤（1）镦粗后的镁合金加热至175℃，一次性沿轴向挤压成φ16mm的棒料产品，挤压比10.0。沿轴向检测，该φ16mm产品平均晶粒尺寸d为2.6μm，其微观组织如图1b所示，其织构组态如图2a所示，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于184.4mpa，且rpc0.2/rp0.2为1.01，拉伸断后延伸率a为27.2%，沿轴向测试其拉压循环次数大于108次的对称拉压疲劳强度σ-1p约为106.4mpa。材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一挤压、轧制或锻造制备的同成分镁合金。实施例3本实施方式以zk61m镁合金为例进行说明，具体工艺条件如下：（1）选择zk61m锻态棒料为原材料，切割坯料尺寸为直径φ42mm×轴高120mm，其轴向方向为镦粗/挤压加载方向，加热坯料至350℃，一次性沿轴向镦粗至φ72mm，镦粗比3.0；（2）然后将步骤（1）镦粗后的镁合金冷却至200℃，一次性沿轴向挤压成φ16mm的棒料产品，挤压比20.0。沿轴向检测，该φ16mm产品平均晶粒尺寸d为2.1μm，其微观组织如图1c所示，其织构组态如图2b所示，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于258mpa，且rpc0.2/rp0.2为0.96，拉伸断后延伸率a为30.7%，沿轴向测试其拉压循环次数大于108次的对称拉压疲劳强度σ-1p约为162.6mpa。材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一挤压、轧制或锻造制备的同成分镁合金。实施例4本实施方式以we54a镁合金为例进行说明，具体工艺条件如下：（1）选择we54a铸态棒料为原材料，切割坯料尺寸为直径φ40mm×轴高100mm，其轴向方向为镦粗/挤压加载方向，加热坯料至420℃，三次间断性沿轴向镦粗至φ51mm并空冷至室温，累积镦粗比1.6；（2）然后将步骤（1）镦粗后的镁合金重新加热至350℃，两次间断性沿轴向挤压成φ16mm的棒料产品，累积挤压比10.0。沿轴向检测，该φ10mm产品平均晶粒尺寸d为2.4μm，其微观组织如图1d所示，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于272mpa，且rpc0.2/rp0.2为0.98，拉伸断后延伸率a为24.7%，沿轴向测试其拉压循环次数大于108次的对称拉压疲劳强度σ-1p约为157.5mpa。材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一挤压、轧制或锻造制备的同成分镁合金。实施例5按照实施例2采用的原料和技术方案，对镦粗次数和挤压次数进行考察：将步骤（1）中的“一次性沿轴向镦粗至φ51mm，镦粗比2.0”，修改为“两次间断性沿轴向镦粗至φ51mm，累积镦粗比2.0”；将步骤（2）中的“一次性沿轴向挤压成φ16mm的棒料产品，挤压比10.0”，修改为“两次间断性沿轴向挤压成φ16mm的棒料产品，累积挤压比10.0”；其他条件和步骤不变，对制得的产品进行综合性能检测，经检测，该产品平均晶粒尺寸d可以细化至约3.0μm，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于183mpa，rpc0.2/rp0.2约为0.99，拉伸断后延伸率a约为25.2%；材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一热挤压和往复挤压制备的同成分变形镁合金。当然，间断性的镦粗和挤压也可以采用更多次数，中间间断次数过多会降低生产效率，且超过两次后通常需增加中间加热工序，因此间断性的镦粗和挤压所使用的次数视实际情况而定，只要产品能达到所需要的性能即可。实施例6按照实施例2采用的原料和技术方案，对镦粗温度和挤压温度进行考察，得到的产品性能如表1（实施例7a~e）：表1序号镦粗温度挤压温度晶粒尺寸，μmrp0.2，mparpc0.2，mparpc0.2/rp0.2a，%实施例7a100℃室温0.7253.5261.81.0321.8实施例7b150℃100℃1.2219.4226.51.0328.7实施例7c250℃250℃3.1178.5180.41.0125.1实施例7d350℃350℃5.3162.1158.70.9722.7实施例7e480℃480℃8.9151.4142.60.9420.1经考察，采用实施例2的原料和技术方案，其他实验条件不变的情况下，挤压和镦粗温度在室温~480℃时，得到的产品经检测，室温rp0.2与rpc0.2基本一致，且均高于同挤压比下同成分镁合金的性能，同时拉伸断后延伸率a稳定高于20%。实施例7按照实施例3采用的原料和技术方案，对累积镦粗比和累积挤压比进行考察，得到的产品性能如表2（实施例8a~h）：表2序号累积镦粗比累积挤压比晶粒尺寸，μmrp0.2，mparpc0.2，mparpc0.2/rp0.2a，%实施例8a1.13.33.1245.4254.71.0424.5实施例8b1.110.02.1260.0240.60.9323.8实施例8c2.06.02.4254.7261.91.0325.0实施例8d2.020.02.2258.1236.70.9123.5实施例8e3.09.01.9264.3271.81.0325.5实施例8f3.030.02.7250.2229.50.9223.0实施例8g5.015.02.2258.1265.51.0325.2实施例8h5.050.04.1236.5216.80.9221.6经考察，采用实施例3的原料和技术方案，其他实验条件和步骤不变的情况下，累积镦粗比1.1~5.0和累积挤压比3.3~50.0中的任意数值中的组合，产品室温rp0.2与rpc0.2基本一致，且均高于同挤压比下同成分镁合金的性能，同时拉伸断后延伸率a稳定高于20%。按照实施例5采用的原料和技术方案，对累积镦粗比和累积挤压比进行考察，得到的产品性能如表3（实施例8i~n）：表3序号累积镦粗比累积挤压比晶粒尺寸，μmrp0.2，mparpc0.2，mparpc0.2/rp0.2a，%实施例8i1.13.36.1158.6174.81.1023.4实施例8j1.110.04.4167.2156.40.9423.5实施例8k2.06.03.5174.1190.21.0927.1实施例8l2.020.02.2182.7168.70.9326.7实施例8m3.09.03.2177.1193.41.0927.6实施例8n3.030.03.0179.3170.20.9525.7经考察，采用实施例5的原料和技术方案，其他实验条件和步骤不变的情况下，累积镦粗比1.1~3.0和累积挤压比3.3~30.0中的任意数值中的组合，产品室温rp0.2与rpc0.2基本一致，且均高于同挤压比下同成分镁合金的性能，同时拉伸断后延伸率a稳定高于20%。实施例8本实施方式以zk61m镁合金为例进行说明，镁合金管材制备的具体工艺条件如下：（1）选择zk61m挤压棒料为原材料，切割坯料尺寸为直径φ64mm×轴高250mm，其轴向方向为镦粗/挤压加载方向，加热坯料至350℃，两次间断性沿轴向镦粗至直径φ100mm，累积镦粗比2.4；（2）然后将步骤（1）镦粗后的镁合金加热至325℃，一次性沿轴向挤压成外径φ80mm×壁厚2mm的棒料产品，挤压比16.0。沿轴向检测，该管材产品平均晶粒尺寸d为5.5μm，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于228mpa，且rpc0.2/rp0.2为0.98，拉伸断后延伸率a为21.3%，沿轴向测试其循环次数大于108次的对称弯曲疲劳强度σ-1约为131.5mpa。材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一挤压或轧制的同成分镁合金管材。实施例9本实施方式以az31b镁合金为例进行说明，镁合金型材制备的具体工艺条件如下：选择az31b锻造态棒料为原材料，切割坯料尺寸为直径φ70mm×轴高250mm，其轴向方向为镦粗/挤压加载方向，加热坯料至250℃，放入φ100mm的挤料筒中一次性沿轴向镦粗至直径φ100mm，镦粗比2.0；然后同步一次性沿轴向挤压成横向宽度90mm×高度40mm×均匀壁厚2.5mm的u槽型材产品，挤压比19.0。沿轴向检测，该型材产品平均晶粒尺寸d为3.7μm，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于164mpa，且rpc0.2/rp0.2为0.96，拉伸断后延伸率a为24.7%，沿轴向测试其循环次数大于108次的对称弯曲疲劳强度σ-1约为96.5mpa。材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一挤压或轧制的同成分镁合金型材。实施例10本实施方式以we54a镁合金为例进行说明，镁合金板材制备的具体工艺条件如下：选择we54a轧制态棒料为原材料，切割坯料尺寸为直径φ60mm×轴高200mm，其轴向方向为镦粗/挤压加载方向，加热坯料至450℃，放入φ100mm的挤料筒中两次间断性沿轴向镦粗至直径φ100mm，累积镦粗比2.8；然后同步一次性沿轴向挤压成横向宽度100mm×壁厚4mm的板材产品，挤压比19.6。沿轴向检测，该板材产品平均晶粒尺寸d为6.5μm，室温拉伸屈服强度rp0.2与压缩屈服强度rpc0.2均高于238mpa，且rpc0.2/rp0.2为1.04，拉伸断后延伸率a为21.2%，沿轴向测试其循环次数大于108次的对称弯曲疲劳强度σ-1约为145.5mpa。材料在复杂工况下的服役性能明显好于单一挤压或轧制的同成分镁合金板材。连续进行镦粗步骤和挤压步骤的技术方案与先镦粗后挤压的技术方案相比，大大提高了生产效率，更适合工业化生产，该两种技术方案均包括镦粗步骤和挤压步骤，属于一个总的发明构思。采用实施例1、2、3、4、5、6、7a~e、8a~n、9、10的原料、镦粗和挤压温度、镦粗和挤压次数、累积镦粗比和累积挤压比的具体参数，按实施例11的技术方案进行考察，结果表明连续进行镦粗步骤和挤压步骤所得到的棒材、管材、型材、板材性能均能达到以上实施例所得到产品的性能，这里就不再赘述。本发明所采用的技术方案可以应用于所有镁合金的加工，不仅限于本发明实施例中所列举的几种，本发明的举例仅作为阐述本发明在镁合金加工领域所取得突出的技术成果的支撑性说明，不能作为对本发明保护范围的限定。本发明的镁合金材料制造方法能够稳定制造出兼具各向同性的高抗拉/抗压屈服强度、抗疲劳性和高二次成形性的镁或镁合金棒材、管材、型材、板材等加工材，其在各类动载荷及多向载荷等复杂受力工况下的服役性能明显优于传统塑性加工制备的变形镁合金加工材。坯料镦粗与挤压的顺序匹配，可在对现有设备不做大幅度改进的情况下，易于制备镁或镁合金棒材、管材、型材、板材等长加工材制品（长径比大于103），具有低成本、高效率、高可靠性及高适用性等经济性特点。所得到的镁或镁合金制品可以广泛用于宇航军工、交通运输、海洋船舶、家用电器、运动休闲、医疗器械、食品和建筑等领域内用于承力或微承力构件制品中。虽然本发明的具体实施方式进行了说明和描述，但本领域那些技术人员应当理解到，各种其它变化和修改都可以作出而不脱离本发明的范围。因此，在所附的权利要求书中预想涵盖都在本发明范围内的所有这些变化和修改。当前第1页12