一種大直徑高強耐熱鎂合金厚壁筒形件的成形工藝的製作方法

2023-05-28 11:49:41 2

一種大直徑高強耐熱鎂合金厚壁筒形件的成形工藝的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大直徑高強耐熱鎂合金厚壁筒形件的成形工藝。工藝路線為：大爐熔煉、半連續鑄造、均勻化退火、變溫多向鍛造、機械穿孔、環軋成形和時效處理，其中變溫多向鍛造在油壓機上進行，鍛造前500-530℃保溫錠坯6-10h、壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30-40%、拔長道次壓下量5-10%，環軋成形前480-500℃保溫錠坯3-5h，軋制變形量60-80%，軋制出外徑Ф700-1100mm、壁厚50-100mm、高度300-700mm的厚壁筒形件。本發明製備出具有高強度、高耐熱性能的厚壁筒形件，其200℃時高向、切向抗拉強度≥330MPa、伸長率≥8%。
【專利說明】一種大直徑高強耐熱鎂合金厚壁筒形件的成形工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及鎂合金的變形領域，特別涉及一種稀土鎂合金的鍛造變形與環軋變形領域。
技術背景
[0002]厚壁筒形件作為航空航天領域重要的結構件，一直以來都是用鋁合金製備的。目前材料減重已成為航空航天領域的迫切需求，如果將這些結構件用鎂合金製備，相對於鋁合金可減重1/3。這對提高飛行器的飛行距離與飛行速度，減少燃料消耗具有實際意義。同時鎂合金的防電磁幹擾、減震降噪效果好，有利於提高飛行器的平穩程度與精確程度。但利用鎂合金製備厚壁筒形件的難度較大。一方面鎂合金常溫塑性差，變形溫度與變形速度範圍窄。同時目前缺少可參考的厚壁筒形件成形工藝的報導。目前開發的較為成熟的傳統鎂合金有Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系等，但其強度低、耐熱性能差，不能用於厚壁筒形件的製備。研究表明在鎂合金中添加某些稀土元素如Gd、Nd、Y等，可顯著提高鎂合金的強度及耐熱性能。但稀土元素的添加在提高合金強度與耐熱性能的同時，也給變形加工帶來了很大的困難。稀土元素的添加增加了鎂合金的變形抗力，同時縮小了鎂合金的變形溫度與變形速度範圍。這些因素使得具有高強度、高耐熱性能的厚壁筒形件加工成形很難實現。
[0003]本發明針對這一技術難題與工藝空白，選用Mg-Gd-Y系鎂合金，設計出該合金厚壁筒形件的成形工藝，利用變溫多向鍛造開坯與環軋成形相結合的技術路線，不僅保證了厚壁筒形件的順利成形，同時提高了該合金的使用性能。對航空航天領域的減重降耗具有重大的實際意義。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為具有高強度高耐熱性能的鎂合金厚壁筒形件提供一種切實可行的成形工藝，以滿足航空航天領域對高強耐熱鎂合金厚壁筒形件的需求。本發明提出的成形工藝如下。
[0005]1、採用大容量熔煉爐熔化原料，半連續鑄造，機械加工出直徑Φ450-480.ι的鎂合金鑄錠，成份(wt.%)為:Gd 7.0-9.0%, Y 2.0-4.0%, Zr 0.4-0.7%, Cu ( 0.05%,Si ( 0.05%,Fe ( 0.01%,Ni ( 0.005%，其餘為Mg。半連續鑄造澆鑄的鑄錠具有尺寸大、無裂紋、缺陷少及成分偏析小等優點。高質量的鑄錠是後續變形加工順利進行的有力保障。
[0006]2、為減少或消除非平衡凝固過程中產生的枝晶偏析，對錠坯進行均勻化退火處理。
[0007]3、500-530°C保溫錠坯6_10h，在油壓機上對錠坯進行鐓拔式多向鍛造，壓下速度為200-400mm/min，鐓粗道次壓下量30-40%、拔長道次壓下量5-10%。當錠坯溫度低於430°C時回爐退火，退火溫度480-520°C、保溫3-5h。每次回爐退火溫度相對前一次退火溫度降低10-20°C。錠坯經至少3次鐓拔後壓扁至高度250-450mm。Mg-Gd-Y系鎂合金鍛造溫度範圍窄，對變形速度敏感，因此合理制定該合金的鍛造溫度與變形速度等參數是能夠順利進行鍛造變形的關鍵，同時鎂合金的變形溫度與變形速度對變形後的顯微組織影響很大，進而影響合金的力學性能。
[0008]4、在中錠坯心處機械穿孔，孔尺寸Φ200-260ι?πι。
[0009]5、480-500°C保溫錠坯3_5h在環軋機上進行環軋成形。環軋成形在一道次內完成，軋制變形量60-80%、軋輥溫度200-250°C，軋制出外徑Φ700-1100mm、壁厚50_100臟、高度300-700mm的厚壁筒形件。
[0010]6、成形後對厚壁筒形件時效處理，其工藝為:200-230°C保溫30_72h。
[0011]時效後該厚壁筒形件高向、切向室溫屈服強度≤330 MPa，抗拉強度≤380MPa，伸長率≤4.5% ;200°C時抗拉強度≤330MPa，伸長率≤8%。
[0012]本發明主要優點。
[0013]I)本發明首次提出鎂合金厚壁筒形件成形工藝。從熔鑄、鍛造、環軋到成形後時效處理，各工藝步驟有機結合。
[0014]2)製備的厚壁筒形件尺寸大、強度高、耐熱性能好。
[0015]3)該工藝生產效率高。在變形過程中只需加熱2-3次，提高了生產效率降低了生產成本，同時減少重複加熱有利於提高鎂合金的力學性能。
[0016]4) Mg-Gd-Y系鎂合金熱變形溫度範圍窄且對變形速度敏感，其變形參數的設計及控制難度大。本發明通過大量的實驗，成功優化了該合金的熱變形參數，使其成形性與最終力學性能相結合。
[0017]5)為了提高效率，減少重複加熱次數對性能的損害，軋制時採用一次環軋成形。這要求軋制速度及變形量較大(變形量> 60%)，不利於發揮鎂合金塑形，環軋成形十分困難。為解決這一技術難題，本發明採用多向鍛造+環軋結合的工藝路線。用大變形量的多向鍛造來改善鑄態組織細化晶粒，從而提高其在環軋時的變形能力。
【具體實施方式】
[0018]實施例1:首先利用大爐熔煉熔融原料，半連續鑄造，機械加工出直徑Φ480πιπι、長度700mm的Mg-9Gd-4Y_0.6Zr (wt.%)鎂合金錠坯，並對錠坯均勻化退火。530°C保溫錠坯8h後，在油壓機上對錠坯進行鐓拔式多向鍛造，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30-40%、拔長道次壓下量5-10%、上下砧板溫度200-250°C。鍛造過程中當錠坯表面溫度低於430°C時回爐退火，退火工藝520°C保溫4h。每次回爐退火溫度相對前一次退火降低10°C。經3次鐓拔後將坯料壓扁至高度450mm。在坯料在中軸處機械穿孔，孔尺寸Φ250mm。500°C保溫錠坯4h後，在軋環機上對錠坯進行一次環軋成形，軋制變形量65%，軋輥溫度200-250°C，軋制出外徑Φ700mm、高度500mm、壁厚IOOmm的厚壁筒形件。對厚壁筒形件進行時效處理，工藝為220°C保溫40h。時效後拉伸性能列於表1。
[0019]實施例2:首先利用大爐熔煉熔融原料，半連續鑄造，機械加工出直徑Φ450πιπι，長度630mm的Mg-8Gd-3Y_0.6Zr (wt.%)合金錠坯，並對錠坯均勻化退火。520°C保溫錠坯IOh後，在油壓機上進行鐓拔式多向鍛造，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30_40%、拔長道次壓下量5-10%、上下砧板溫度200-250°C。鍛造過程中當錠坯表面溫度低於430°C時回爐退火，退火溫度500°C、保溫時間5h。每次回爐退火溫度相對前一次退火溫度降低20°C。經4鐓拔後將坯料壓扁至高度500mm。在錠坯在中軸處機械穿孔，孔尺寸Φ 250mm。480°C保溫錠坯4h後，在軋環機上對錠坯進行一次環軋成形，軋制變形量78%，軋輥溫度200-2500C ,軋制出外徑Φ700πιπι、高度700mm、壁厚50mm的厚壁筒形件。對厚壁筒形件進行時效處理，時效工藝200°C保溫70h。時效後拉伸性能列於表1。
[0020]實施例3:首先利用大爐熔煉熔融原料，半連續鑄造，機械加工出直徑Φ450.ι，長度550mm的Mg-8Gd-2Y_0.6Zr (wt.%)鎂合金錠坯，並對錠坯均勻化退火。520°C保溫錠坯8h後，在油壓機上進行鐓拔式多向鍛造，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30-40%、拔長道次壓下量5-10%、上下砧板溫度200-250°C。鍛造過程中當錠坯表面溫度低於430°C時回爐退火，退火溫度500°C、保溫時間4h。每次回爐退火溫度相對前一次退火溫度降低20°C。經3次鐓拔後將坯料壓扁至高度350mm。在坯料在中軸處機械穿孔，孔尺寸Φ250mm。490°C保溫錠坯4h後，在軋環機上對錠坯進行一次環軋成形，軋制變形量75%，軋輥溫度200-250°C，軋制出外徑Φ 1100mm、高度400mm、壁厚50mm的厚壁筒形件。對厚壁筒形件進行時效處理，時效工藝230°C保溫30h。時效後力學性能列於表1。
[0021]表1實施例中鎂合金厚壁筒形件力學性能
【權利要求】
1.一種高強耐熱鎂合金厚壁筒形件的成形工藝，合金質量百分比成分:Gd 7.0-9.0%，Y 2.0-4.0%, Zr 0.4-0.7%, Cu ( 0.05%, Si ( 0.05%, Fe ( 0.01%, Ni ( 0.005%，其餘為 Mg,其特徵在於具體工藝路線: A、大爐熔煉； B、半連續鑄造，機械加工出直徑Φ450-480πιπι的錠坯； C、對錠坯進行均勻化退火； D、均勻化退火後的錠坯經500-530°C保溫6-10h，在油壓機上進行鐓拔式多向鍛造，壓下速度200-400mm/min、鐓粗道次壓下量30_40%、拔長道次壓下量5_10%、上下砧板溫度200-250°C，當錠坯表面溫度低於430°C時回爐退火，退火溫度480_520°C、保溫時間3_5h，錠坯經至少3次鐓拔後壓扁至高度250-450mm ； E、在錠坯中心處機械穿孔，孔尺寸Φ200-260πιπι； F、在環軋機上對錠坯進行一次環軋成形，環軋前480-50(TC保溫錠坯3-5h，軋制變形量60-80%、軋輥溫度 200-250°C，軋制出外徑 Φ700-1100mm、壁厚 50_100mm、高度 300-700mm的厚壁筒形件； G、對厚壁筒形件時效處理。
2.根據權利要求1所述的高強耐熱鎂合金厚壁筒形件成形工藝，其特徵在於:D步驟每次回爐退火溫度相對前一退火溫度次降低10-20°C。
3.根據權利要求1所述的高強耐熱鎂合金厚壁筒形件的成形工藝，其特徵在於:時效後該厚壁筒形件高向、切向室溫屈服強度≥330 MPa，抗拉強度≥380MPa，伸長率≥4.5% ；200°C抗拉強度≤330MPa，伸長率≥8%。
【文檔編號】B21H1/06GK103769817SQ201410021997
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月18日 優先權日:2014年1月18日
【發明者】劉楚明, 萬迎春, 張緒虎, 石剛, 張帆, 陳志永, 顧洪兵, 劉東軍 申請人:中南大學