一种近各向同性、高强、高塑Mg-Gd-Y-Zr系合金材料的锻造工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种近各向同性、高强、高塑Mg

【技术实现步骤摘要】
一种近各向同性、高强、高塑Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系合金材料的锻造工艺


[0001]本专利技术涉及金属材料塑性加工
，具体涉及一种近各向同性、高强、高塑性Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系合金材料的锻造工艺。

技术介绍

[0002]由于密度小、比强度高、减震性能优良、导热性能好等优点，镁合金在汽车、电子、通信、航空航天等领域有广阔的应用前景。然而，密排六方结构的镁合金室温下仅有基面两个独立滑移系，其临界剪切应力较小(～10MPa)，因此镁合金室温强度和塑性有限。通过向镁合金中加入稀土元素可显著提高其综合力学性能，并可制备出高强度和良好抗高温蠕变性能的稀土镁合金，这可部分替代武器装备和航空航天领域中温(300℃)环境中的铝合金材料。近来发展的新型Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系合金，比商业化的WE43和WE54合金的时效强化能力更强。但是，传统轧制、挤压和锻造Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系合金材料通常加工成品率低、具有强基面织构或丝织构、各向异性、二次加工性能差等缺点。为解决传统轧制、挤压和锻造稀土镁合金的缺点，多向锻造作为一种新型变形工艺近来常用于稀土镁合金材料的加工。
[0003]文献{B.B.Dong,Journal of Alloys and Compounds,2020,823.}提出了一种定量降温多向锻造工艺，采用变形温度为480、460、440、420℃的降温锻造，单道次应变量为100％，锻造速度5mm/s，应变速率0.04s
‑1，锻造4道次，初始粗晶(～60um)经锻造后演变为平均晶粒尺寸为5um的均匀细晶组织，锻造态稀土合金抗拉强度、屈服强度、延伸率分别可达到357MPa、294MPa、18.1％。该方法通过四道次锻造成功制备出了弱织构、细晶、高性能稀土镁合金，但由于每道次要求锻造温度不同(480、460、440、420℃)，需要对锻造后的样品重新加热到指定温度保温，并且需要反复预热模具涂石墨润滑剂，样品加热工序繁琐复杂，不易操作。
[0004]文献{X.S.Xia,Journal of Alloys and Compounds 623(2015)62
‑
68.}提出了一种降温多向锻造，采用单道次应变量为50％，锻造速度10mm/s，应变速率0.08s
‑1，从初始温度530℃出炉后锻造6道次，锻造加工后原始粗晶(～200um)细化为平均晶粒尺寸为5um的均匀细晶组织，抗拉强度、屈服强度、延伸率分别可达到320MPa、253MPa、7.5％。该锻造方法采用降温多向锻造，无需重复加热模具和样品，一定程度简化了加工流程，但是单道次变形量大，第一道次锻造后长方体样品其他面变为圆鼓形，这增加了随后锻造操作的难度，严重降低了生产效率，限制稀土镁合金的锻造加工效率。以上的工作中锻造条件(温度≥480℃，道次变形量≥50％，应变速率≤0.1s
‑1)中{10
‑
12}孪晶不容易形核，少量{10
‑
12}孪晶形核后迅速扩展长大，随后吞并整个母晶粒，对再结晶产生和组织细化的贡献非常有限。
[0005]中国科学院金属研究所陈荣石等人报道过一种多方向、循环、高速锤击锻打镁合金的锻造方法(专利公开号CN103805923A)，该专利对变形量和转动方向控制主要取决于锻坯要达到的形状和尺寸，属于镁合金锻造产品的制备工艺，具体锻造工艺参数：每次锤击的应变量2.5～30％，被锻造材料的应变速率为1～1000s
‑1，锤击锻打温度为200～550℃，这些
工艺参数太过宽泛，仅适合加工一些非稀土或低稀土含量镁合金，如AZ80、AZ31、Mg
‑
2.0Zn
‑
0.8Gd等合金，这种宽泛参数的工艺不适合加工高稀土镁合金；近来陈荣石等人又报道了一种高强耐热镁合金铸锭的锤锻开坯方法(专利公开号CN105441840A)，该方法采用稀土元素含量Gd+Y+Nd≥8％的铸态合金，固溶处理后切成块体坯料，具体锻造工艺参数：总的锻打道次为20～200次，初始道次的锻打次数为1～5次，每次锻打的变形量为1～5％，总变形量为1～10％，应变速率为1～200s
‑1；初始道次后的每道次锻打1～10次，每次锻打变形量为1～10％，应变速率为1～200s
‑1，最终制备的高强耐热镁合金坯料，高温下相同测试条件下的断裂伸长率可提高到100％～1000％，成品率高于80％，这是一个为后续的再次锻造、轧制、挤压等过程中可以实现高速大应变量加工的开坯工艺。
[0006]上述研究虽然可以证明多方向锤锻可以用于非稀土镁合金材料的加工，并通过锻造工艺参数优化用于稀土元素含量Gd+Y+Nd≥8％的镁合金开坯工艺。对于非稀土或低稀土含量镁合金，经固溶处理后其晶界处粗大共晶相回溶至基体，塑性显著升高，塑性加工过程中其再结晶温度较低(≈250℃)，具有较宽的加工窗口。高温下多向锻造激活多种类型孪晶，可快速分割粗晶组织。另外，广泛的孪晶界和晶界等二维面缺陷高效阻碍位错运动，在孪晶界和晶界的微区中大量位错发生累积，在热效应作用下发生回复再结晶，组织发生二次细化。与容易发生再结晶的Mg
‑
Al
‑
Zn系合金不同，固溶处理后的稀土镁合金由于大量稀土元素回溶至基体，其室温塑性仍然较差，再结晶温度较高(≥400℃)，加工窗口很窄。稀土镁合金经固溶处理后大量溶质原子回溶至基体，热变形过程中稀土原子阻碍位错滑移、攀移、交滑移等运动，最终高稀土镁合金中位错诱导回复和再结晶作用被强烈抑制。另外，高稀土镁合金组织中晶界附近往往偏聚大量稀土原子，这对晶界处的位错诱导再结晶抑制作用更加明显，因此高稀土镁合金组织中的晶界促进再结晶形核的优势消失。对于缺乏位错诱导再结晶的高稀土镁合金，孪晶及其再结晶成为细化其组织的主要途径，首先孪晶通过分割、交截对组织进行初级细化，随着进一步锻造广泛的孪晶界和晶界可累积大量位错，并且新形成的孪晶界无溶质原子偏聚，可作为再结晶择优形核位置，最终实现组织的二次细化。先前的研究表明，{10
‑
12}孪晶是高稀土镁合金多向锻造过程中最主要的孪晶机制({10
‑
11}孪晶和{10
‑
11}
‑
{10
‑
12}二次孪晶几乎不发生)。因此，要想充分利用{10
‑
12}孪晶及其再结晶对组织的细化作用，就要针对{10
‑
12}孪晶的性质设计特殊的工艺条件。例如设计六面立方块或其它不等边六面体(3轴)、六棱柱、等边或其它不等边八面体(4轴向)，圆柱体或大于八面的等边或不等边多面体(5轴向及以上)等特殊形状的样品，在多轴向加载过程中{10
‑
12}孪晶更容易激活。锻造温度(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近各向同性、高强、高塑Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系合金材料的锻造工艺，其特征在于：该方法是对Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系镁合金坯料进行循环连续几火锻造后，获得的块体镁合金材料具有近各向同性、高强、高塑性的优化匹配；其中：每火锻造过程中，对镁合金坯料进行变换轴向的多轴向(轴向≥3)连续高速锻打，多个轴向锤击总次数不少于30道次，然后进行回炉退火5
‑
600min；然后再进行下一火锻造的连续高速锻打和退火，如此循环连续几火锻造后使总道次达到100道次以上为止。2.根据权利要求1所述的近各向同性、高强、高塑Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系合金材料的锻造工艺，其特征在于：所述镁合金坯料为块体形状具体为六面立方块、不等边六面体(3轴向)、六棱柱、等边八面体(4轴向)、不等边八面体(4轴向)、圆柱体、大于八面的等边多面体(5轴向及以上)或大于八面的不等边多面体(5轴向及以上)形状。3.根据权利要求2所述的近各向同性、高强、高塑Mg
‑
Gd
‑
Y
‑
Zr系合金材料的锻造工艺，其特征在于：对镁合金坯料锻打过程中，先沿块体的一个轴锻打一次后，翻转到另一个轴向继续锻打，具体翻转的旋转轴和翻转角度根据坯料形状而定；每次锻打的应变量1
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：陈荣石，卢松鹤，吴迪，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：