镁合金环件锻造成形工艺与组织性能研究

摘要

无缝环形零件能够用于制备轴承套圈、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环、发动机环、高射炮的座圈、压力容器及核反应堆加强圈等，广泛运用于机械、汽车、火车、船舶、冶金、化工、能源、航空航天等诸多工业领域。本文在总结分析国内外镁合金锻造成形技术研究现状的基础上，结合镁合金锻造成形相关特点，提出一种成形工序简单、制造成本低、适用于高性能镁合金环件制备的两步锻造成形法，即多向锻造预变形+模锻终锻成形。论文主要分为两部分：首先，以常用商业AZ31镁合金为研究对象，优化设计了镁合金环件的锻造成形工艺参数，系统研究分析了镁合金环件锻造成形过程中的微观组织和力学性能的演变规律；其次，设计了一种不含稀土、时效强化型 Mg-7.2Zn-1.5Cu-1.0Mn(wt.%)(ZCM721)合金，研究固溶+双级时效处理对 ZCM721合金环件微观组织演变与力学性能的影响规律，以进一步提高环件的力学性能。
　　论文工作表明，两步锻造成形工艺（多向锻造预变形+模锻终锻成形）能成功实现AZ31镁合金环件成形。对环件锻造成形过程模拟发现，在环件锻造成形过程中，坯料中的等效应变和温度分布不均匀。环件锻造成形之后，环件中心区域的等效应变分布相对均匀，环件靠近飞边区域的温度高于其它区域。微观组织观察和有限元模拟结果表明，环件锻造成形之后，AZ31镁合金晶粒尺寸发生显著细化但形成不均匀的晶粒组织；增大环件中的累积变形量和降低温度分布有利于在环件中获得细小均匀的晶粒组织。
　　对AZ31镁合金在初始温度300~400℃范围内进行多向锻造预变形，探索了多向锻造变形道次和温度对AZ31镁合金坯料微观组织和力学性能的影响规律。结果显示：①在多向锻造成形初始温度300~400℃范围内，由于坯料中心和边缘区域的累计应变量不同，AZ31镁合金坯料经过多向锻造变形后晶粒尺寸发生显著细化但不同区域的晶粒组织不均匀。在经过36道次多向锻造变形后，与坯料边缘区域晶粒组织相比，在坯料中心区域会形成更加细小均匀的晶粒组织且受变形温度影响较小。②AZ31镁合金经过多向锻造变形后力学性能得到显著改善，由于在变形过程中发生孪生诱发动态再结晶，坯料中心和边缘区域的屈服强度均随变形道次先增加后降低。经过36道次多向锻造变形后，坯料中心区域的力学性能优于边缘区域且受变形温度的影响较小。在本工作的实验温度范围内，350℃初始锻造变形温度有利于使坯料获得相对均匀的力学性能。
　　对AZ31镁合金在不同温度条件下进行环件锻造成形，研究了环件成形温度对AZ31镁合金环件晶粒组织、织构和力学性能的影响。结果显示：①环件锻造成形能显著细化AZ31镁合金的晶粒尺寸，且环件中的晶粒尺寸随模锻终锻成形温度降低而逐渐细化。②AZ31镁合金环件中的织构特征随变形温度发生变化，在较低变形温度下形成单峰基面织构，而在较高变形温度下形成双峰非基面织构，并且随着模锻终锻成形温度的升高，基极偏离（0002）极图中心的倾角也随之增大。③AZ31镁合金环件呈现显著的力学性能各向异性，沿环件轴向（AD）和径向（RD）方向的拉伸屈服强度明显小于切向（TD）方向的拉伸屈服强度，且随环件模锻终锻成形温度升高，沿环件AD方向的屈服强度由低于RD方向转变为高于RD方向。分析认为，环件中的变形织构导致沿环件不同取向拉伸变形时的塑性变形机制不同，因而造成屈服强度的明显差异，从而引起力学性能各向异性。
　　设计了一种不含稀土、时效强化型 ZCM721合金，研究热挤压变形及随后的固溶+双级时效处理对ZCM721合金组织性能的影响，并探索ZCM721合金的时效强化机制。结果显示：ZCM721合金具有显著的时效强化效应。挤压态 ZCM721合金经过固溶+双级时效处理后（420℃×2h+90℃×4h+180℃×16h），合金屈服强度显著提高，与固溶态合金相比，时效态合金屈服强度提高幅度达~173MPa，时效态合金屈服强度高达~372MPa，优于大部分高稀土含量镁合金。合金在双级时效处理过程中析出的大量垂直于(0001)基面的细小棒状MgZn2相，是合金产生明显时效强化效应的主要原因。
　　对ZCM721合金进行环件锻造成形，探索ZCM721合金环件锻造成形过程中的织构演变机制，并比较时效态 ZCM721合金环件与 AZ31镁合金环件之间的力学性能。结果显示：①环件中的变形织构随变形过程而逐渐发生变化。在多向锻造预变形之后在坯料中形成典型的（0002）基面织构，而在模锻终锻成形过程中，随变形量增加，（0002）基面织构强度先增加而后形成织构基极由极图中心向 RD方向偏转~50°的非基面织构。②时效态ZCM721合金环件沿TD、RD和AD方向的拉伸屈服强度分别为~360MPa、238MPa和200MPa，明显高于AZ31镁合金环件沿 TD（~166-213MPa）、RD（~92-150MPa）和 AD（~107-129MPa）方向的拉伸屈服强度。本工作设计的不含稀土、时效强化型 ZCM721合金能够用于制备高强度的镁合金环件。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 镁合金的塑性变形机制

1.3 镁合金锻造成形简介

1.4 数值模拟技术在镁合金塑性成形中的应用

1.5 本文的研究目的和主要内容

2 AZ31镁合金环件锻造成形工艺设计与数值模拟研究

2.1 引言

2.2 镁合金环件锻造成形工艺设定

2.3 实验过程

2.4 AZ31镁合金环件锻造成形过程数值模拟研究

2.5 试验结果

2.6 分析与讨论

2.7 本章小结

3 多向锻造变形对AZ31镁合金组织性能的影响

3.1 引言

3.2 多向锻造变形实验

3.3 多向锻造变形数值模拟

3.4 多向锻造变形过程中等效应变分布

3.5 多向锻造变形过程中温度分布

3.6多向锻造变形对AZ31镁合金微观组织演变的影响

3.7多向锻造变形对AZ31镁合金力学性能的影响

3.8 本章小结

4 环件锻造成形温度对AZ31镁合金环件组织、织构和力学性能的影响

4.1 引言

4.2 实验

4.3 环件锻造成形温度对AZ31镁合金环件微观组织的影响

4.4 环件锻造成形温度对AZ31镁合金环件变形织构的影响

4.5 环件锻造成形温度对AZ31镁合金环件力学性能的影响

4.6 讨论

4.7 本章小结

5 时效强化型Mg-Zn-Cu-Mn镁合金组织性能研究

5.1 引言

5.2 实验

5.3 ZCM721合金力学性能

5.4 ZCM721合金微观组织

5.5 本章小结

6 热处理对ZCM721镁合金环件微观组织和力学性能的影响

6.1 引言

6.2 实验过程

6.3 ZCM721合金环件锻造成形织构演变

6.4 ZCM721合金环件微观组织

6.5 ZCM721合金环件力学性能

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 研究工作的创新点

7.3 后续工作及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B.作者申请的发明专利