铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法

摘要

本发明公开铸态镁-钆-钇-钕-锆稀土镁合金构件的塑性变形方法，步骤是：(1)铸态组织均匀化处理；(2)多向锻造阶梯温度反复预变形；(3)模锻热成形；(4)模锻冷整形；(5)人工时效热处理；(6)人工时效冷处理。本发明利用多向锻造阶梯温度反复预变形细化晶粒后，大幅度提高性能，再结合热模锻和冷模锻的工艺进行成形，使成形零件各部位的组织和性能相接近，避免了采用挤压工艺时零件存在各向异性的缺点，采用较小的设备就可以成形出高强度的耐热镁-钆-钇-钕-锆(Mg-Gd-Y-Nd-Zr)镁合金零件，节省能源；解决铸造的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金晶粒粗大，成形性能低的问题，实现了Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金成形与强韧化的协调统一，提高了产品性能。

说明书

技术领域

本发明涉及稀土镁合金构件的塑性变形方法，特别是铸态 Mg-Gd-Y-Nd-Zr(镁-钆-钇-钕-锆)稀土镁合金构件的塑性变形方法。

背景技术

镁合金是目前工业上可应用的最轻的金属结构材料，具有密度小、 比强度高、比刚度高、尺寸稳定的特点，也有电磁屏蔽性好以及良好的 切削加工性能、充型流动性等优点。但是一般镁合金的高温强度低、耐 热性差，当温度升高，特别是在573～723K时，镁合金的强度和抗蠕 变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件材料在航天、航空和汽车等 对节能减排有迫切要求的领域中得到应用。稀土元素具有特殊的价电子 结构，一些重稀土元素在镁中具有较大的固溶度，能形成有效的强化相， 具有显著时效强化特性，可大幅度提高镁合金的室温和高温力学性能。 因此，高性能稀土镁合金的研究成为镁合金发展的重要方向。

常用的耐热镁合金系列有很多，其中Mg-RE(镁-稀土)系合金耐 热性能最好。对Mg-Gd(镁-钆)系合金的研究始于20世纪80年代，研 究发现含有Y(钇)和重稀土元素Gd(钆)的镁合金具有优异的力学性 能、抗高温蠕变性能以及耐腐蚀性能，作为一种轻质结构材料，已经在 航空航天和高性能赛车领域得到成功的应用。目前含稀土元素Y、Nd(钇、 钕)的WE43(镁-4.0％钇-3.3％钕-0.5％锆)，WE54(镁-5.1％钇-3.3％钕-0.5％ 锆)合金是国外使用较多的耐热镁合金，其耐热温度可达350℃。Drits (多瑞特(中文音译人姓名))等提出Mg-Gd(镁-钆)系合金中添加Y 能够进一步提高合金的高温性能；日本长岗技术科学大学的Anyanwu(安 彦武(中文音译人姓名))等于2001年试制出Mg-Gd-Y-Zr(镁-钆-钇- 锆)系合金，它具有非常优秀的力学性能和高温强度，其性能明显优于 WE54和WE43合金，具有广阔的应用前景。但由于加入了大量昂贵的Gd， Y等稀土元素，使其使用成本较高，若进一步提高其力学性能，则可以 降低单位使用成本，合金将进一步得到推广应用。对于该系合金，一般 要求热变形加工，与普通镁合金相比，耐热、高强的稀土镁合金的变形 有更大的困难，挤压过程中很容易产生开裂。稀土镁合金中第二相的强、 硬化效果要远远高于普通的镁合金中第二相，尤其是稀土化合物热稳定 性高对变形过程中基体的塑性流变阻碍作用大。

多向锻造大塑性变形能强烈细化组织，在多向锻造形变中材料随 外加载荷轴向旋转变化而不断被压缩和拉长，通过反复变形达到细化晶 粒、改善性能的效果，使材料力学性能得到很大提高。同时由于外加载 荷轴变化使得锻件各方向变形程度和力学性能相同，避免了挤压、轧制 等其它常规成形工艺通常出现的各向异性。Zherebt sov(朱尔博特. 苏瑞(中文音译人姓名))等通过多向锻造工艺制备了具有均匀超细晶 结构的大尺寸Ti26Al24V(钛-26铝-24钒)锻坯，其力学性能优越，同 时各个方向性能相当，径向和切向的强度差异在2％以内，伸长率和断面 收缩率一致。湖南大学陈振华等对AZ80(材料牌号)镁合金进行多向 反复热锻，达到了较好细化晶粒的效果，同时材料的综合力学性能得到 较大提高，锻压7个道次，其材料硬度、屈服强度和抗拉强度达到最大， 分别为87.3HB、258.78MPa和345.04MPa，是锻前试样的1.43倍和2 倍，伸长率是锻前的2.45倍。

多向锻造技术中主要通过控制变形温度、累积应变量、道次应变量、 应变速率等因素，使亚晶粒尺寸随累积应变量变化逐渐细化。并且随着 累积应变量的增加，在高应变下形成具有大角度晶界的新晶粒，材料组 织得到充分细化。这种变形方式对材料变形时的流变应力行为和显微组 织演变有很大影响。因此，成形该类零件前，采用多向锻造工艺进行预 变形，使晶粒细化，对于该类稀土含量高的镁合金构件的顺利成形至关 重要。

发明内容

本发明的目的是针对铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr(镁-钆-钇-钕-锆)稀土 镁合金塑性成形时所遇到的初始晶粒度大的问题，提出铸态 Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金的细晶强化的成形工艺，即铸态 Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金构件的塑性变形方法。

实现上述目的所采取的技术方案是：

铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr(镁-钆-钇-钕-锆)稀土镁合金构件的塑性变 形方法，步骤是：

(1)铸态组织均匀化处理：将铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯 件置于加热炉中，在一定温度下保温一定时间以进行均匀化处理，以消 除Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金组织中严重的枝晶偏析和共晶组织，提高 材料的变形性；

(2)多向锻造阶梯温度反复预变形：将上述(1)步均匀化处理后 的铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件进行多道次多向锻造变形，锻造 方式采用在锻造过程中载荷轴向不断旋转变化，并且随变形道次的增 加，变形量逐渐减小，变形温度逐渐降低，控制总的累积应变量到一定 的变形程度；

(3)模锻热成形：将上述(2)步预变形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土 镁合金锻件在模具中进行模锻热成形，模锻热成形的温度较上述(2) 步中最后一次预变形温度降低30～50℃；

(4)模锻冷整形：将上述(3)步模锻热成形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀 土镁合金锻件在模具中再进行一次冷整形，一方面对工件进行形状的校 正，另一方面加速过饱和固溶体的分解，进一步起到形变强化的作用；

(5)人工时效热处理：将上述(4)步模锻冷整形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr 稀土镁合金锻件直接进行人工时效热处理；

(6)人工时效冷处理：将上述(5)步热处理后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀 土镁合金锻件进行控制冷却处理，冷却温度均为时效温度以下。

优选的，在实施上述(2)步之前增加一步控制冷却：将上述(1) 步均匀化处理后的铸态Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金坯件先进行冷却。

优选的，在实施上述(3)步之前增加一步控制冷却：将上述(2) 步预变形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。

优选的，在实施上述(4)步之前增加一步控制冷却：将上述(3) 步模锻热成形后的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。

本发明突出的实质性特征和显著的效果是：

(1)利用多向锻造阶梯温度反复预变形细化晶粒后，大幅度提高 性能，再结合热模锻和冷模锻的工艺进行成形，使成形零件各部位的组 织和性能相接近，避免了采用挤压工艺时零件存在各向异性的缺点，采 用较小的设备就可以成形出高强度的耐热Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金零件， 节省能源。

(2)解决铸造的Mg-Gd-Y-Nd-Zr稀土镁合金晶粒粗大，成形性能 低的问题，实现了Mg-Gd-Y-Nd-Zr镁合金成形与强韧化的协调统一，提 高了产品性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造前的均 匀化热处理曲线；

图2是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造阶梯温 度反复预成形方法示意图；

图3-1是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造前 初始截面示意图；

图3-2是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造过 程中的截面变化示意图一；

图3-3是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金多向锻造过 程中的截面变化示意图二；

图4是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金冷整形时的压力 -时间曲线；

图5是本发明的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金成形后的时效热 处理温度-时间曲线。

具体实施方式

以铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr(镁-9钆-4钇-1钕-0.4锆)稀土镁 合金构件为例，

(1)镁合金铸棒下料：将耐热铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr镁合金 根据成形构件毛坯的体积，锯切下料，下料毛坯的体积为成形构件热锻 件体积；表面车削加工成铸棒直径为φ60mm～φ500mm，如图3-1所示： 铸棒直径为φ150mm；

(2)铸态组织均匀化处理：在中温热风循环炉中对铸态 Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr镁合金坯件进行加热保温，保温温度为530±5℃， 保温24小时进行均匀化处理，以消除铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土 镁合金组织中严重的枝晶偏析和共晶组织，提高材料的变形性(如图1 所示)；

(3)多向锻造阶梯温度反复预变形：将上述(2)步均匀化处理后 的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金坯件进行多道次多向锻造变 形，锻造方式采用在锻造过程中载荷轴向不断旋转变化，并且随变形道 次的增加，变形量逐渐减小，变形温度逐渐降低，控制总的累积应变量 到一定的变形程度；如图3-1和图2所示，将均匀化处理后的铸态 Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金直径为φ150mm、长度L400mm的圆形 铸棒，由20℃升温到480℃(P1点)，保温2小时，考虑安装模板时的 热损失，模板加热温度500℃，在P2点开始进行第一次多向锻造，锻造 过程中每个加载轴的方向轮流旋转，锻造2次，掌握温度在350℃(P3 点)前结束锻造，此次锻造区域为P2-P3区域，累加变形量为40-50％， 如图3-2和图2所示，第一次多向锻造后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀 土镁合金变成长度L400mm、高度H75mm、宽度D235mm的长方形锻件， 空冷；

然后将锻件降温加热到400℃进行第二次多向锻造，即再次由20℃ 升温到400℃(P4点)，保温2小时，模板加热到420℃，在P5点开始 第二次多向锻造，重复进行上面的动作，掌握温度在350℃(P6点)前 结束锻造，此次的锻造区域为P5-P6区域；累加变形量为20-30％，如图 3-3和图2所示，第二次多向锻造后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合 金变成长度L400mm、高度H130mm、宽度D130mm的方形锻件，空冷；

最后，将锻件降温加热到380℃进行第三次多向锻造，即再次由20℃ 升温到380℃(P7点)，保温2小时，模板加热到420℃，在P8点开始 多向锻造，锻造的方向顺序同上，掌握温度在350℃(P9点)前结束锻 造，此次的锻造区域为P8-P9区域，累加变形量为15％～20％，空冷；

(4)模锻热成形：将上述(3)步经过多次多向锻造反复预变形的 后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件在模具中进行模锻热成形， 模锻热成形的温度较上述(3)步中最后一次预变形温度降低30～50℃； 如图2所示，模锻热成形的温度为350±5℃，保压120S，模具温度设 置为380℃；

(5)模锻冷整形：将上述(4)步模锻热成形后的 Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件在模具中再进行一次冷整形，如 图4所示：对热模锻变形后的锻件Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金在 室温下和压力在12500KN下进行一次冷整形，保压时间120S(P12点～ P13点)，一方面对锻件进行形状的校正，另一方面加速过饱和固溶体的 分解，进一步起到形变细晶强化的作用，实现构件的近净成形；

(6)人工时效热处理：将上述(5)步模锻冷整形后的 Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件直接进行人工时效热处理，避免 重新加热固溶处理会造成粗大的晶粒组织，如图5所示，对冷整形后的 Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件由20℃升温到225℃(P14点)， 保温16小时到P15点，进一步时效析出强化，提高镁合金构件的力学 性能；

(7)人工时效冷处理：将上述(6)步热处理后的 Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件进行控制冷却处理，冷却温度均 为时效温度以下。

进一步，在实施上述(3)步之前增加一步控制冷却：将上述(2) 步均匀化处理后的铸态Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金坯件先进行冷 却。

进一步，在实施上述(5)步之前增加一步控制冷却：将上述(4) 步模锻热成形后的Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr稀土镁合金锻件先进行冷却。

本发明工艺主要通过控制稀土镁合金多向锻造过程中的变形温度、 累积应变量、以及道次应变量，使材料组织得到充分细化，提高合金的 强度和塑性，如本例直径尺寸为长度L400mm的 Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.4Zr镁合金铸棒，初始晶粒尺寸约300μm，抗拉强度 Rm＝109MPa，伸长率δ≤1％。经本发明多向锻造塑性变形后，多次累加 变形量ε≥0.6，成形变为高强度、耐热镁合金构件，平均晶粒尺寸细 化到≤20μm，构件抗拉强度Rm≥360MPa，伸长率δ≥6％；300℃高温拉 伸强度Rm≥180MPa，伸长率δ≥10％。