本發(fā)明涉及高強耐熱鎂合金的熱變形領域，特別涉及mg-gd-y-zr系鎂合金多向鍛造變形。

背景技術：

鎂合金具有儲量大，密度低，比強度、比剛度高等優(yōu)點，被譽為“21世紀綠色材料”。相比壓鑄件，變形鎂合金以其特殊的優(yōu)勢獲得越來越多的應用。變形鎂合金可以通過變形獲得理想的形狀和尺寸，也可以利用變形來消除鑄造缺陷，細化晶粒，進而提高力學性能。mg-gd-y-zr合金作為一種典型的變形鎂合金，以其優(yōu)異的力學性能和耐熱性廣受關注。目前，mg-gd-y-zr合金的應用仍以擠壓型材，軋制板材為主，大規(guī)格自由鍛件的應用很少。原因有以下幾點：第一，gd、y等稀土的加入使得鎂合金變形抗力增加，加工窗口縮小；第二，由于摩擦力等因素，樣件在自由鍛造時存在難易變形區(qū)，變形不均勻且難以深入，造成組織和力學性能不均勻；第三，鎂合金具有特殊的密排六方結構，變形過程極易產(chǎn)生織構，造成明顯的力學性能各向異性。這三點原因導致很難制備出組織均勻、性能達標、各向異性小的大規(guī)格mg-gd-y-zr鍛件。

但由于航空航天領域存在迫切的減重需求，大規(guī)格超高強耐熱mg-gd-y-zr合金鍛件無疑會在上述領域有很好的應用前景。通過改進和創(chuàng)新鍛造工藝來解決以上三個問題，就成了推廣mg-gd-y-zr合金鍛件應用的關鍵。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種制備各向同性超高強耐熱鎂合金結構件的鍛造工藝，改進現(xiàn)有mg-gd-y-zr合金鍛造工藝上的不足。本發(fā)明的方法是：

1.采用半連續(xù)鑄造方法制備鎂合金鑄錠，澆鑄時在結晶器內(nèi)施加電磁場，制備出規(guī)格為φ340-630mm，長度≥2000mm的錠坯，鑄錠澆鑄結束后立即在150-300℃保溫12-16h去應力退火；

2.在480-540℃保溫15-25h進行均勻化處理，然后隨爐冷卻至室溫；

3.對鑄錠進行車皮，探傷，鋸床下料，得到尺寸為φ320-600mm，長度800-1200mm的圓柱形錠坯。

4.在450℃-530℃加熱坯料，保溫10-16h；鍛造前坯料保溫溫度過高，有過燒的危險，保溫溫度過低，變形時容易開裂，且不容易發(fā)生動態(tài)再結晶，晶粒細化效果不好。在450-530℃的溫度區(qū)間保溫坯料，既避免了過燒危險，又保證了合金的變形能力，促進其發(fā)生動態(tài)再結晶，細化晶粒。

5.對上下平砧進行加熱，溫度為250-350℃；自由鍛造過程中，鍛件暴露在空氣中，表面溫度下降得很快，容易開裂，而加熱平砧則有助于在變形過程中保溫鍛件，減少開裂的風險。平砧在250℃-350℃溫度范圍內(nèi)對鍛件的保溫效果較好，且容易快速實現(xiàn)。當平砧加熱溫度低于此范圍時，保溫鍛件的效果不好；而平砧的加熱溫度過高時，則耗時耗能，增加工序，影響生產(chǎn)效率。

6.在立式液壓機上進行6-10mm/s慢速多道次自由多向鍛造；具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意兩個相互垂直的徑向分別為z，y和x方向。首先沿著z，y和x方向進行3-6道次鐓粗，道次變形量為20-40%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x中一個方向為軸，滾動壓縮棱角2-6道次，道次變形量10-30%,將6面體壓成10-18面體；最后立起鐓粗，壓下量20-40%，將其壓成近似圓柱體；對于鎂合金大型鍛件而言，由于存在摩擦力等因素，鍛件存在難易變形區(qū)，變形不均勻；特殊的密排六方結構又使得其極易在變形過程中產(chǎn)生強烈的織構，對最終的力學性能或后續(xù)的加工變形產(chǎn)生影響。而本發(fā)明中的鍛造方法，除了在z，y，x三個方向進行多道次大變形量鍛造變形，有效細化晶粒以外。還以y或x為軸，滾動壓縮棱角，這種方式既能夠讓鍛件表面獲得一定的變形量，又可以弱化沿z、y和x方向大變形帶來的強烈織構，使得鍛件內(nèi)外部分變形均勻，力學性能各向異性很小。壓縮棱角道次過少或者道次變形量過小，表面難以獲得充足的變形，弱化織構的效果也不好；壓縮棱角道次過多，鍛件降溫明顯，容易開裂，道次變形量過大，則容易產(chǎn)生新的織構。本發(fā)明中，每火次鍛造壓縮棱角2-6道次，單道次變形量10-20%，在保證合金不開裂的前提下，使表面獲得盡可能多的變形量，同時有效弱化了之前大變形帶來的強烈織構。

7.回爐再在440-520℃中間退火保溫0.5-2h，取出后以新的圓柱體的高向，兩個垂直的徑向分別為z，y和x方向重復上述鍛造和中間退火工藝1-2次，最后1火次鍛造結束后空冷。中間退火溫度過高或保溫時間過長，晶粒容易過分長大，損害力學性能；退火溫度過低或時間過短，對鍛件的保溫效果不好，變形時鍛件容易開裂。本發(fā)明中的中間退火制度，充分利用每火次鍛造結束后鍛件仍保留一定溫度的特點，每次中間退火適當降低溫度，在對鍛件實現(xiàn)充分保溫的同時，避免了因溫度過高導致的晶粒過分長大的問題。

8.對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為380-450℃保溫30-120min，時效制度為200-250℃保溫10-72h。采用本發(fā)明中的固溶處理制度，在消除加工硬化的同時，也使材料發(fā)生一定程度的靜態(tài)再結晶，進一步弱化織構。固溶處理溫度過高時，再結晶晶粒長大明顯，影響力學性能，固溶處理溫度過低，加工硬化消除的不好，影響延伸率。而時效溫度過高或者時間過長，時效分解相尺寸過大，強化效果不好，時效溫度過低或者時間過短，溶質(zhì)原子擴散緩慢，到達峰值時效的時間過長，影響生產(chǎn)效率。而采用本發(fā)明中的時效制度，到達峰值時效時間較短，強化效果也很顯著。

所述的步驟4中在多向鍛造前480-520℃保溫坯料10-14h。

所述的步驟5中的加熱溫度為300-350℃。

所述的步驟6中首先沿著z，y和x方向進行3-6道次鐓粗，道次變形量為30-40%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x方向為軸，滾動壓縮棱角4-6道次，道次變形量15-20%,將6面體壓成14-18面體。

所述的步驟7中在470-510℃回爐退火0.5-1.5h，且每次退火溫度比前一次低10℃。

所述的步驟8中固溶處理制度為420-440℃保溫45-90min，時效制度為210-230℃保溫10-20h。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1.對鑄錠進行多向鍛造時，首次采用滾動壓縮棱角的方式，既使得鍛件表面獲得了足夠的變形量，又有效消除了沿z，y和x方向大變形導致的強烈織構，使得制備的大規(guī)格mg-gd-y-zr鍛件各個部位變形均勻，各向異性很小。

2.利用每火次鍛造結束后鍛件仍保留一定溫度的特點，采取每次中間退火溫度比前一次低10℃的方式，既實現(xiàn)了鍛件的充分保溫，又避免了保溫溫度過高帶來的晶粒過分長大的問題，使得鍛件擁有很高的力學性能。

3.采用t6熱處理制度，在消除加工硬化、提高延伸率的同時，利用靜態(tài)再結晶進一步弱化變形織構，使得鍛件力學性能各向異性非常小。其t6態(tài)室溫高向，徑向抗拉強度均≥460mpa，屈服強度≥400mpa，延伸率≥4%，高向，徑向強度差別≤10mpa,延伸率≤0.5%；200℃時，高向，徑向抗拉強度均≥350mpa，延伸率≥6%。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所使用的機加后直徑φ420mm鑄錠錠坯圖；

圖2為本發(fā)明制備的高度450-700mm的多向鍛造鍛件圖。

具體實施方式

實施例1

采用半連續(xù)電磁鑄造方法制備直徑φ400mm，長度2500mm，成份為mg-8.65gd-2.43y-0.28ag-0.16er-0.38zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結束后在250℃保溫12h去應力退火，機械加工出直徑φ380mm，長度830mm錠坯。在490℃均勻化退火20h后隨爐冷卻至室溫。鍛造前510℃加熱保溫錠坯10h，加熱上下平砧至325℃，在立式液壓機上進行10mm/s慢速多道次多向鍛造，具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意垂直的兩個徑向分別為z，y和x方向；首先沿著z，y和x方向進行3道次鐓粗，道次變形量為40%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x為軸，滾動壓縮棱角5道次，道次變形量30%,將6面體壓成16面體；最后立起鐓粗，壓下量20%，將其壓成近似圓柱體。鍛造結束后回爐500℃保溫1h。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝，最后壓成高度為330mm的近似圓柱，鍛造結束后空冷至室溫。對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為420℃保溫90min,時效制度為210℃保溫48h。具體力學性能列于表1。

實施例2

采用半連續(xù)電磁鑄造制備出直徑φ450mm，長度2300mm，成分為mg-8.72gd-2.84y-0.22ag-0.11er-0.31zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結束后在225℃保溫14h去應力退火，機械加工出直徑φ420mm，長度930mm的錠坯，具體實物見圖1。在520℃均勻化退火保溫18h，結束后隨爐冷卻至室溫。鍛造前490℃保溫錠坯16h，加熱平砧至350℃，在立式液壓機上進行8mm/s慢速多道次多向鍛造，具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意垂直的兩個徑向分別為z，y和x方向；首先沿著z，y和x方向進行6道次鐓粗，道次變形量為30%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x為軸，滾動壓縮棱角6道次，道次變形量20%,將6面體壓成18面體；最后立起鐓粗，壓下量25%，將其壓成近似圓柱體?；貭t480℃保溫1h。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝，然后回爐470℃保溫1.5h。出爐后再次以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝，最后壓成高度為490mm的近似圓柱，鍛造結束后空冷至室溫，具體實物見圖2。對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為430℃保溫60min,時效制度為225℃保溫18h。具體力學性能見表1。

實施例3

采用半連續(xù)電磁鑄造制備出直徑φ450mm，長度2300mm，成份為mg-8.94gd-2.94y-0.18ag-0.10er-0.45zr(wt.%)鑄錠，澆鑄結束后在240℃保溫14h去應力退火，機械加工出直徑φ420mm，長度1020mm的錠坯，具體實物見圖1。在500℃均勻化退火保溫20h，結束后隨爐冷卻至室溫。鍛造前520℃保溫錠坯10h，加熱平砧至300℃，出爐后在立式液壓機上進行8mm/s慢速多道次多向鍛造，具體流程為:以圓柱形坯料高向、任意垂直的兩個徑向分別為z，y和x方向；首先沿著z，y和x方向進行6道次鐓粗，道次變形量為25%，將圓柱形坯料壓成6面體；然后以y或x為軸，滾動壓縮棱角6道次，道次變形量15%,將6面體壓成18面體；最后立起鐓粗，壓下量30%，將其壓成近似圓柱體。回爐510℃保溫45min。出爐后以新圓柱體的高向，任意垂直的兩個徑向為z，y和x方向重復上述鍛造工藝。鍛造結束后繼續(xù)回爐500℃保溫60min。出爐后再次重復上述鍛造工藝，最后壓成高度為500mm的近似圓柱，鍛造結束后空冷至室溫，具體實物見圖2。對鍛件進行t6處理，固溶處理制度為440℃保溫45min,時效制度為230℃保溫12h。具體力學性能見表1。

表1實施例中鍛件的力學性能