CN102319757B - 镁合金变截面筒形件的复合挤压变形制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种镁合金变截面筒形件的复合挤压变形制备方法，其特征在于包括如下步骤：首先，采用AZ80镁合金坯料，依次通过均匀化预处理和热挤压变形；再经过正反复合挤压制备变截面筒形承力件；最后车削后进行热处理，获得镁合金变截面筒形件。与现有技术相比，本发明的优点在于：可制备大尺寸筒形件、材料晶粒细小、力学性能高、工序简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金变截面筒形件的制备方法。该镁合金变截面筒形件主要应用于飞行器上作为承力件。
背景技术
飞行器重量对有效负载能力、飞行速度、飞行机动性等性能有着直接的影响，结构件的轻量化可增加有效负载能力、加快飞行速度、提高机动性等综合性能。因此，飞行器结构件的轻量化始终是飞行器研制的重点，而轻质材料及其成形技术实现轻量化的关键。采用铝合金制备飞行器结构件时，与钢相比可达20～25％的减重效果。但随着飞行器综合性能进一步提高的要求，急需轻量化效果更优异的轻质材料。
镁及其合金是目前最轻的金属结构材料，与铝合金相比，具有更低的密度(密度只有铝合金的2/3)、更高的比强度和比刚度，采用镁合金替代铝合金制备飞行器承力件，可以实现20～25％的减重效果，从而提高飞行器的综合性能。
如图1所示，飞行器的承力件为变截面筒形构件，尺寸较大，多处变截面设计，结构复杂。目前可以通过如下几种方式来制备成型：
第一种，采用铸造方法，该方法易于成形，但铸造镁合金存在晶粒粗大、力学性能较差、易产生缺陷等缺点，无法满足飞行器承力件的力学性能要求；
第二种，等通道转角挤压法(ECAP)可显著细化镁合金晶粒，但制备的材料存在明显的织构倾向；
第三种，轧制法可制备组织均匀性能优异的材料，但只适于制备板材。
第四种，通过塑性加工方法如挤压、锻造、轧制等可以细化镁合金组织、提高其力学性能。类似的技术文献可以参考专利号为ZL200610041960.8的中国发明专利《连续变截面循环挤压制备细晶材料的装置及方法》(公开号为CN1827829A，授权公告号为CN100386466C)，该专利通过挤压变形和镦粗变形交替多次进行而获得累积应变量使材料组织得到细化而提高性能，该方法所需工序繁多且工艺要求条件较高。还可以参考申请号为201010032431.8的中国发明专利申请《连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置及方法》(公布号为CN101767120A)，该专利采用分级过渡的方式制备连续变截面实心材料，仅限于实心材料制备，且制备过程中还需要移除出口端的封闭物，工序复杂、效率低。上述挤压方法虽然在一定程度上可以细化组织并提高材料性能，但仅限于材料制备，且由于工艺自身的特点，目前多局限于制备实心材料。如何向工业化生产转型，用于制备大尺寸变截面筒形件，则需要对一些共性基础问题进一步探究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而另外提供一种材料晶粒细小、力学性能高的镁合金变截面筒形件的复合挤压变形制备方法。
本发明所要解决的又一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种工序简单的镁合金变截面筒形件的复合挤压变形制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种镁合金变截面筒形件的复合挤压变形制备方法，其特征在于包括如下步骤：
首先，采用AZ80镁合金坯料，依次通过均匀化预处理和热挤压变形；再经过正反复合挤压制备变截面筒形承力件；最后车削后进行热处理，获得镁合金变截面筒形件。
作为优选，所述的均匀化预处理温度为380～420℃，处理时间为10～18h。
作为优选，所述的热挤压变形满足如下条件：镁合金坯料预热温度为330～380℃，热挤压模具温度为180～230℃，挤压速度为0.5～3mm/s，获得直径为145～175mm的镁合金棒材。
作为优选，所述的正反复合挤压满足如下条件：坯料预热温度为280～330℃，复合挤压模具温度为200～260℃，挤压速度为3～5mm/s，获得镁合金变截面筒形承力件。
进一步，所述的复合挤压模具包括复合挤压冲头、复合挤压凹模、中部凸起的复合挤压芯模及工作台，前述的复合挤压冲头正对复合挤压凹模端口并具有与镁合金变截面筒形件内径适配的变截面凸起，该变截面凸起包括圆柱部及位于圆柱部前端的锥部；前述的复合挤压凹模设于工作台上并具有与镁合金变截面筒形件外径适配的变截面内径；前述的复合挤压芯模位于复合挤压凹模的底部并具有与镁合金变截面筒形件下端口适配的凸部。
所述的热处理温度为170～180℃，处理时间为12h～24h，处理后在空气中冷却至室温，获得镁合金变截面筒形件。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1).通过预处理和热机械挤压预变形，获得晶粒细小、组织均匀的AZ80镁合金，为后续的正反复合挤压变形提供了坯料保证；
2).采用正反复合挤压成型，解决了大尺寸变截面筒形件的塑性成型技术问题，同时实现了变形强化和近净成型的有效结合，其中正向挤压实现镁合金材料的变形强化，反向挤压则实现变截面筒形件的近净成型，材料利用率较高；
3).本发明采用中温复合挤压成型，成型温度较低，克服了高温下镁合金晶粒长大的问题，同时减少了微观组织的位错合并与整合的驱动力，极大地提高了变形位错的缠结程度，使得变形强化效果优于常规热挤压，为最终制备出强度超过330MPa以上的高强度镁合金承力件奠定了技术基础；
4).本发明技术可明显提高AZ80镁合金筒形承力件的力学性能，同现用铝合金承力件相比，减少重量可达20％以上。
附图说明
图1为现有技术中变截面筒形承力件的剖面结构示意图。
图2为实施例中热挤压变形时结构示意图。
图3为复合挤压变形初始状态结构示意图。
图4为复合挤压变形中复合挤压冲头下行后坯料完全填充封闭的变截面挤压模形腔后的结构示意图。
图5为实施例1中所得镁合金变截面筒形件的显微组织的金相照片。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
确定镁合金材料。根据高速飞行器承力件的使用要求，通过性能和成本对比分析、化学相容性分析，选择强度高、耐蚀性较好、材料成本适中的AZ80镁合金作为制造材料；
对镁合金坯料进行均匀化预处理①。处理温度为410℃，处理时间为8h；
将经过步骤①处理后的镁合金坯料31进行热机械挤压预变形。镁合金坯料预热温度为340℃，热挤压模具温度为200℃，挤压速度为3mm/s，获得直径为150mm的镁合金棒材，见图2所示，热挤压模具包括热挤压冲头11、热挤压凹模21、热挤压新膜41及工作台51；
对经步骤②预变形后的镁合金坯料31进行切割，获得预变形坯料3-1，预变形坯料长度为220mm；
对经步骤③加工后的预变形坯料进行正反复合挤压变形，预变形坯料3-1预热温度为300℃，复合挤压模具温度为200℃，挤压速度为4.5mm/s，得到镁合金变截面筒形承力件3-2，见图3和图4所示，复合挤压模具包括复合挤压冲头21、复合挤压凹模22、复合挤压芯模23及工作台25，复合挤压冲头21正对复合挤压凹模22端口并具有与镁合金变截面筒形件内径适配的变截面凸起211，该变截面凸起211包括圆柱部及位于圆柱部前端的锥部；复合挤压凹模22设于工作台上并具有与镁合金变截面筒形件外径适配的变截面内径；复合挤压芯模23位于复合挤压凹模22的底部并具有与镁合金变截面筒形件下端口适配的凸部231。
对经步骤④处理后的镁合金变截面筒形承力件3-2车削后进行后续热处理，处理温度为177℃，处理时间为12h，处理后在空气中冷却至室温，构件晶粒细小，见附图5，最后获得镁合金变截面筒形件3-3。
该实施例所得产品进行取样测试：
实施例2：
确定镁合金材料。根据高速飞行器承力件的使用要求，通过性能和成本对比分析、化学相容性分析，选择强度高、耐蚀性较好、材料成本适中的AZ80镁合金作为制造材料；
对镁合金坯料进行均匀化预处理①。处理温度为400℃，处理时间为12h；
将经过步骤①处理后的镁合金进行热机械挤压预变形。镁合金坯料预热温度为360℃，热挤压模具温度为200℃，挤压速度为3mm/s，获得直径为160mm的镁合金棒材；
对经步骤②预变形后的镁合金进行机加工，获得预变形坯料。预变形坯料尺寸依据承力件的尺寸和后续加工余量计算；
对经步骤③加工后的预变形坯料进行复合挤压变形，，坯料预热温度为320℃，复合挤压模具温度为200℃，挤压速度为4.5mm/s，获得晶粒细小的镁合金筒形承力件；
对经步骤④处理后的镁合金筒形承力件车削后进行后续热处理。处理温度为177℃，处理时间为16h，处理后在空气中冷却至室温，最后获得镁合金变截面筒形件。
该实施例所得产品进行取样测试：
实施例3：
确定镁合金材料。根据高速飞行器承力件的使用要求，通过性能和成本对比分析、化学相容性分析，选择强度高、耐蚀性较好、材料成本适中的AZ80镁合金作为制造材料；
对镁合金坯料进行均匀化预处理①。处理温度为400℃，处理时间为12h；
将经过步骤①处理后的镁合金进行热机械挤压预变形。镁合金坯料预热温度为380℃，热挤压模具温度为220℃，挤压压杆速度为3mm/s，获得直径为170mm的镁合金棒材；
对经步骤②预变形后的镁合金进行机加工，获得预变形坯料。预变形坯料尺寸依据承力件的尺寸和后续加工余量计算；
对经步骤③加工后的预变形坯料进行复合挤压变形。坯料预热温度为330℃，复合挤压模具温度为220℃，挤压速度为5mm/s，获得晶粒细小的镁合金筒形承力件；
对经步骤④处理后的镁合金筒形承力件车削后进行后续热处理。处理温度为175℃，处理时间为18h，处理后在空气中冷却至室温，最后获得镁合金变截面筒形件。
该实施例所得产品进行取样测试：
实施例4：
确定镁合金材料。根据高速飞行器承力件的使用要求，通过性能和成本对比分析、化学相容性分析，选择强度高、耐蚀性较好、材料成本适中的AZ80镁合金作为制造材料；
对镁合金坯料进行均匀化预处理。处理温度为390℃，处理时间为16h；
将经过步骤①处理后的镁合金进行热机械挤压预变形，镁合金坯料预热温度为330℃，热挤压模具温度为220℃，挤压速度为0.8mm/s，获得直径为150mm的镁合金棒材；
对经步骤②预变形后的镁合金进行机加工，获得预变形坯料。预变形坯料尺寸依据承力件的尺寸和后续加工余量计算；
对经步骤③加工后的预变形坯料进行复合挤压变形。坯料预热温度为330℃，复合挤压模具温度为250℃，挤压速度为3mm/s，获得晶粒细小的镁合金筒形承力件；
对经步骤④处理后的镁合金筒形承力件车削后进行后续热处理。处理温度为170℃，处理时间为24h，处理后在空气中冷却至室温，最后获得镁合金变截面筒形件。
该实施例所得产品进行取样测试：
实施例5：
确定镁合金材料。根据高速飞行器承力件的使用要求，通过性能和成本对比分析、化学相容性分析，选择强度高、耐蚀性较好、材料成本适中的AZ80镁合金作为制造材料；
对镁合金坯料进行均匀化预处理①。处理温度为390℃，处理时间为16h；
将经过步骤①处理后的镁合金进行热机械挤压预变形。镁合金坯料预热温度为360℃，热挤压模具温度为220℃，挤压速度为3mm/s，获得直径为150mm的镁合金棒材；
对经步骤②预变形后的镁合金进行机加工，获得预变形坯料。预变形坯料尺寸依据承力件的尺寸和后续加工余量计算；
对经步骤③加工后的预变形坯料进行复合挤压变形。坯料预热温度为330℃，复合挤压模具温度为220℃，挤压速度为5mm/s，获得晶粒细小的镁合金筒形承力件；
对经步骤④处理后的镁合金筒形承力件车削后进行后续热处理。处理温度为180℃，处理时间为12h，处理后在空气中冷却至室温，最后获得镁合金变截面筒形件。
该实施例所得产品进行取样测试：
Claims (2)
1.一种镁合金变截面筒形件的复合挤压变形制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：
①对AZ80镁合金坯料进行均匀化预处理，处理温度为380～420℃，处理时间为10～18h；
②对均匀化预处理后的镁合金进行热机械挤压预变形，镁合金坯料预热温度为330～380℃，挤压模具温度为180～230℃，挤压速度为0.5～3mm/s，获得直径为145～175mm的镁合金棒材；
③对预变形后的镁合金棒材进行切割，获得预变形坯料；
④对预变形坯料进行正反复合挤压成型，预变形坯料预热温度为280～330℃，复合挤压模具温度为200～260℃，挤压速度为3～5mm/s，获得镁合金变截面筒形承力件；
⑤对镁合金变截面筒形承力件车削后进行后续热处理，处理温度为170～180℃，处理时间为12h～24h，处理后在空气中冷却至室温，获得镁合金变截面筒形件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的复合挤压模具包括复合挤压冲头、复合挤压凹模、中部凸起的复合挤压芯模及工作台，前述的复合挤压冲头正对复合挤压凹模端口并具有与镁合金变截面筒形件内径适配的变截面凸起，该变截面凸起包括圆柱部及位于圆柱部前端的锥部；前述的复合挤压凹模设于工作台上并具有与镁合金变截面筒形件外径适配的变截面内径；前述的复合挤压芯模位于复合挤压凹模的底部并具有与镁合金变截面筒形件下端口适配的凸部。
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