CN109604359B - 一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法 - Google Patents

一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种Mg‑Gd‑Y‑Zn‑Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，该方法涉及一种Mg‑Gd‑Y‑Zn‑Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形模具，该模具包括上模座、凸模和凹模，凹模设置在凸模下方，凹模呈倒置“T”形，由直径相同的垂直型腔和水平型腔连通而成，同时在垂直型腔和水平型腔的相交处形成球形舱，球形舱分别与垂直型腔、水平型腔的连接处设有小圆角，垂直型腔供凸模进入。本发明采用垂直型腔和水平型腔构成的双向等通道挤压结构，在通道相交处设置球形舱，进行多道次变形试验，实现材料挤压过程中型腔转角处剪切变形与在球形舱内墩粗挤出变形复合叠加，达到材料累积塑性变形过程，最终实现细化Mg‑Gd‑Y‑Zn‑Zr镁合金坯料的微观组织，提升合金力学性能。

Description

一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形 方法
技术领域
本发明属于金属材料塑性加工及成形技术领域，特别涉及一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法。
背景技术
随着自然能源的不断消耗与接近枯竭的形式不断严峻，装备轻量化的发展成为必然的导向，镁作为最轻的金属，其密度为1.74g/cm3，仅为铝的三分之二，钢的四分之一，钛的三分之一。同时镁合金拥有高的比强度、比刚度、耐腐蚀性以及电磁屏蔽特性也使其成为航空航天与电子材料的重要选择方向。Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中因为LPSO(Long PeriodStacking Ordered)结构的存在使得合金拥有比传统镁合金更高的性能，研究发现LPSO相具有两种结构-片层状与块状，其中片层状LPSO相的扭折变形机制是Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金重要的变形机制之一，对于温度较低滑移系难以启动情况下的变形起着协调作用，是一种提升材料塑性的有利相；另一种块状LPSO相是一种硬化相，硬化相在变形过程中容易作为裂纹源的产生处，宏观表现为合金出现表面裂纹。塑性变形是合金改善材料性能的常用方法，传统的塑性变形制坯方法，比如墩粗拔长制坯方法，简单方便易于操作，但是具有应变量小的缺点，难以达到材料的超细化；大塑性变形(Severe Plastic Deformation,SPD)通过引入大的应变量来实现组织晶粒细化，打碎大的块状LPSO相，使得组织成分变得更加致密均匀，达到材料强度与塑性的双向提升。
制坯工艺作为锻件制造的一道重要工序，锻造坯料的好坏直接影响后续成形的工艺。ECAE(Equal Channel Angular Extrusion)技术作为较为成熟的大塑性变形方法已经被人们广泛研究，与此同时基于ECAE技术的改良技术也被人们深入研究，Talebanpour等人研究的双向等径角挤压DECLE(Dual Equal Channel Lateral Extrusion)技术在纯铝9道次试验后观察到了超细晶(＜1μm)，同时双向挤压减小挤压力，增加制坯效率。Zhou等人研究的反复墩压RU(Repeated Upsetting)技术应用在Mg-9.8Gd-2.7Y-0.4Zr镁合金上，得到晶粒尺寸在2.5-3.0μm。
基于以上的研究成果与当前工程材料所需要的高性能要求，为了使Mg-Gd-Y-Zn-Zn镁合金打碎块状第二相，组织成分更加均匀，双向膨胀等通道挤压(Dual ExpansionEqual Channel Lateral Extrusion,DEECLE)是本案提出的新成形工艺。
发明内容
针对现有加工技术现状，本发明提出一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，实现细化Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金坯料的微观组织，提升合金力学性能的目的。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，该方法涉及一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形模具，该模具包括上模座、凸模和凹模，所述凸模为圆柱体，垂直安装在上模座上，所述凹模设置在凸模下方，所述凹模呈倒置“T”形，由直径相同的垂直型腔和水平型腔连通而成，同时在垂直型腔和水平型腔的相交处形成球形舱，球形舱分别与垂直型腔、水平型腔的连接处设有小圆角，垂直型腔供凸模进入，该方法具体为以下步骤：
S1：棒状下料；
S2：415℃×16h均匀化处理；
S3：模具装配；
S4：经过均匀化处理的棒状坯料从垂直型腔放入凹模内，然后凸模从上方置入垂直型腔，最后将模具和棒状坯料一并放入加热炉内进行加热保温，保温结束后，在万能材料试验机上进行恒温多道次变形试验：控制凸模匀速下降到凸模底面与水平型腔处保证坯料上表面的相对平整，上述为一道次变形试验，一道次变形试验结束后，取出坯料放入水中保护变形组织，待冷却后打磨掉挤压后坯料形成“半球形”结构，放入凹模内加到预定温度进行二道次变形试验；
S5：二道次变形试验之前将打磨过的坯料对准垂直型腔的位置摆放，摆放好位置后进行二道次变形实验，二道次变形试验完成后同样冷却、打磨、放入凹模中，为三道次变形做准备；
S6：三道次变形试验时，坯料的摆放位置沿用S5步骤的摆放位置，摆放好位置后进行三道次变形实验，试验完成后同样冷却、打磨，最终得到成品。
优选地，所述多道次变形试验包括三道次以上的变形试验，继续沿用路线变形规律进行试验，直至试验完成预期设定目标。
优选地，所述凹模设有紧固螺钉，所述凹模分为上下两层，使用紧固螺钉固定在一起，分层面设置在水平型腔的直径所在的平行平面。
采用上述方案后，本发明与传统的墩粗拔长制坯方法相比，有益效果在于：(1)累积应变大。传统的制坯方法应变很难超过1，变形效果有限。本发明的制坯方法是基于SPD大塑性变形技术提出的方法，应变远大于传统的墩粗拔长方法。(2)多种应力结合。传统方法一般受到应力较为单一，拉应力或者压应力。本发明的制坯方法，将多种应力结合，球形空腔的设计实现了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的墩粗与挤出过程，同时球形舱与垂直型腔与水平型腔的连接处实现了金属的剪切应力变形。(3)变形均匀性好。传统墩粗方法一般为开放性制坯，材料大变形区域集中在金属内部的易变形区，而与凸模与凹模接触的难变形区则基本不发生变形，这就造成了材料变形的不均匀。本发明种球形舱的设计实现了金属的墩粗挤出复合变形，增强了材料的均匀性。
本发明与ECAE方法相比，具有以下有益效果：(1)变形力小。双向挤出结构的设计相比ECAE大大减小了成形力，增加机器寿命，降低成本。(2)球形舱设计变形更大。ECAE技术作为广泛研究的大塑性变形方法，其对晶粒细化和材料性能提高有着积极的促进作用。本发明相比ECAE设计了球形舱，与ECAE技术拥有相同剪切变形，变形区域在剪切力的作用下发生大塑性高应力变形，使得晶粒细化，大块第二相破碎，组织均匀致密，得到性能良好的合金材料,此外，更增加了金属在球形舱内墩粗挤出复合变形,可以获得更高效的制坯效率，而且通道连接处的球形腔设计使得材料在其内部的流动变成更加复杂的墩粗与挤出的混合流动方式，是一种金属流动方式多样化，累积应变大的新型大塑性变形制坯方法。
本发明与反复挤压RU方法相比，具有以下有益效果：(1)更加适合采用的Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金等含有块状较硬第二相的金属。根据上海交通大学的反复挤压设计，在垂直通道与水平通道处未设计圆角，一方面增强了剪切应力，但是对于Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金种含有的块状LPSO相，容易在变形时产生剪切裂纹。本发明设计的小的圆角过度解决了这一问题。(2)球形舱设计变形更充分。本发明中的球形仓设计实现了金属在空腔内的墩粗挤出复合变形，使材料的变形更加充分。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明一道次变形试验后的坯料的正剖视图；
图2为图1沿Y-Y的剖视图；
图3为本发明进行多道次变形试验后完成的工件示意图；
图4为图3沿Z-Z的剖视图；
图5为本发明装配示意图；
图6为为本发明凸模的结构示意图；
图7为本发明紧固螺钉固定凹模的结构示意图；
图8为本发明凹模的俯视图；
图9为图7沿L-L的剖视图；
图10为图7的分解图；
图11为本发明上模座示意图；
图12为本发明的工作状态示意图一；
图13为本发明的工作状态示意图二；
图14为本发明的工作状态示意图三；
图15为图12中G处的放大图。
标号说明：
1-上模座，11-方形槽，12-锥形孔，2-凸模，21-固定部，3-紧固螺母，4-紧固螺钉，5-凹模，51-垂直型腔，52-水平型腔，53-球形舱，54-凹模上层，541-定位凹槽，55-凹模下层，551定位突起，6-坯料，61-半球形。
具体实施例
本发明揭示的一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，该方法涉及一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形模具，参阅图1-15，该模具包括上模座1、凸模2和凹模5。
如图6所示，凸模2为圆柱体，凸模2的上端形成径向延伸的固定部21，固定部21呈方形，如图11所示，上模座1开设方形槽11，供固定部21置入，置入完成后，上模座1下端设有紧固螺母3，且形成与紧固螺母3配合的外螺纹，紧固螺母3穿套凸模2对固定部21进行卡接，使凸模2同轴垂直固定在上模座1上。外螺纹与紧固螺母3配合达到紧固凸模2、防止脱落的目的，由于成形力较小，对模具承载力要求不高，且装卸方便；同时上模座1表面均匀分布有方便进行装卸模具的锥形孔12。
上模座1还开设滑槽(图中未示出)，滑槽与方形槽11相通，固定部21通过滑槽滑动置入方形槽11内。滑槽为更换凸模2所用，更换凸模2时只需将紧固螺母3拧下，推出旧凸模2，放入新凸模2即可；由于挤压方式为正挤压，凸模2未设置圆角与工作带，目的是最大限度的防止反挤压。
凹模5设置在凸模2下方，如图7、图8所示，凹模5呈倒置“T”形，由直径相同的垂直型腔51和水平型腔52连通而成，与ECAE技术中转角90°类似，不同的是通道是双向的，垂直型腔51供凸模2，进入同时在垂直型腔51和水平型腔52的相交处形成球形舱53。球形舱53与垂直型腔51保持同轴度，与水平型腔52保持同轴度。球形舱53分别与垂直型腔51、水平型腔52的连接处设有小圆角，在保证剪切力的同时，防止过强的剪切力而导致变形坯料6的开裂。
如图10所示，为了方便取料，凹模5采用分层式设计，凹模5分为上下两层54、55，使用紧固螺钉4固定在一起，分层面设置在水平型腔52的直径所在的平行平面。如图9，为了保证凹模5对接准确，凹模下层55设有定位突起551，凹模上层54对应定位突起551的位置形成定位凹槽541，定位突起551与定位凹槽541配合在一起，最后通过紧固螺钉4进行固定。
本实施例以Φ10mm×30mm的Mg-Gd-Y-Zn-Zr棒状坯料6的变形为例，说明模具的运动与方法步骤，图12、13和14为模具进行工作的变形状态，为了方便进行正挤压，凸模2与垂直型腔51设置有0.1mm的单边间隔h，参阅图15。图12所示的为金属坯料6的第一个变形状态，坯料6在球形舱53内进行墩粗变形；图13所示的为金属坯料6的第二个变形状态，坯料6经过墩粗后挤出到水平型腔52内，此时坯料6收到多向应力，包括压应力、剪切应力，此时金属坯料6的变形是最为剧烈的；图14为金属坯料6的第三个变形状态，坯料6变形完成。
如图5所示，凹模5内的垂直型腔51与水平型腔52是直径相同的，这样挤压完成后的工件只需要稍加处理就可以继续使用原模具进行多次变形。
一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，该方法具体步骤为：
S1：棒状下料；
S2：415℃×16h均匀化处理；
S3：模具装配；
S4：经过均匀化处理的棒状坯料6从垂直型腔51放入凹模5内，然后凸模2从上方置入垂直型腔51，最后将模具和棒状坯料6一并放入加热炉内进行加热保温，保温结束后，成形过程在万能材料试验机上进行，以实验温度为480℃为例，进行恒温三道次变形试验：控制凸模2匀速下降到凸模2底面与水平型腔52处保证坯料6上表面的相对平整，上述为一道次变形试验，一道次变形试验结束后，松开紧固螺钉4取出坯料6放入水中保护变形组织，待冷却后打磨掉挤压后坯料6形成“半球形”61结构，放入凹模5内加到预定温度进行二道次变形试验；
S5：二道次变形试验之前将打磨过的坯料6对准垂直型腔51的位置摆放。摆放好位置后进行二道次变形实验，二道次变形试验完成后同样冷却、打磨、放入凹模5中，为三道次变形做准备。
S6：三道次变形试验时，坯料的摆放位置沿用S5步骤的摆放位置，摆放好位置后进行三道次变形实验，试验完成后同样冷却、打磨，最终得到成品。
需说明的是，如未达成预期设定目标可进行多道次变形试验，四道次变形试验、五道次变形试验…继续沿用上述路线变形规律进行试验，直至试验完成预期设定目标，如图3、4所示，本实施例采用三道次即可实现。另外，试验时每道次需要留样方便进行微观组织与力学性能观察和检测。
多道次变形试验的参数设计，包括挤压速度，温度，润滑选择，等温试验设计温度包括380℃、440℃、480℃、500℃；挤压速度选择0.8mm/s、1.0mm/s、1.5mm/s；润滑选择为油基石墨、干石墨粉两种，试验条件准备好之后，进行Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金棒料的一道次挤压试验。
本发明与传统的墩粗拔长制坯方法相比，有益效果在于：(1)累积应变大。传统的制坯方法应变很难超过1，变形效果有限。本发明的制坯方法是基于SPD大塑性变形技术提出的方法，应变远大于传统的墩粗拔长方法。(2)多种应力结合。传统方法一般受到应力较为单一，拉应力或者压应力。本发明的制坯方法，将多种应力结合，球形舱53的设计实现了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的墩粗与挤出过程，同时球形舱53与垂直型腔51与水平型腔52的连接处实现了金属的剪切应力变形。(3)变形均匀性好。传统墩粗方法一般为开放性制坯，材料大变形区域集中在金属内部的易变形区，而与凸模2与凹模5接触的难变形区则基本不发生变形，这就造成了材料变形的不均匀。本发明中球形舱53的设计实现了金属的墩粗挤出复合变形，增强了材料的均匀性。
本发明与ECAE方法相比，具有以下有益效果：(1)变形力小。双向挤出结构的设计相比ECAE大大减小了成形力，增加机器寿命，降低成本。(2)球形舱53设计变形更大。ECAE技术作为广泛研究的大塑性变形方法，其对晶粒细化和材料性能提高有着积极的促进作用。本发明相比ECAE设计了球形舱53，与ECAE技术拥有相同剪切变形，变形区域在剪切力的作用下发生大塑性高应力变形，使得晶粒细化，大块第二相破碎，组织均匀致密，得到性能良好的合金材料,此外，更增加了金属在球形舱53内墩粗挤出复合变形,可以获得更高效的制坯效率，而且通道连接处的球形腔设计使得材料在其内部的流动变成更加复杂的墩粗与挤出的混合流动方式，是一种金属流动方式多样化，累积应变大的新型大塑性变形制坯方法。
本发明与反复挤压RU方法相比，具有以下有益效果：(1)更加适合采用的Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金等含有块状较硬第二相的金属。根据上海交通大学的反复挤压设计，在垂直型腔51与水平型腔52处未设计圆角，一方面增强了剪切应力，但是对于Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金种含有的块状LPSO相，容易在变形时产生剪切裂纹。本发明设计的小圆角过度解决了这一问题。(2)球形舱53设计变形更充分。本发明中的球形仓设计实现了金属在空腔内的墩粗挤出复合变形，使材料的变形更加充分。
以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定，不仅限于单水平型腔模具结构，包括多水平型腔模具结构。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (3)

1.一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，该方法涉及一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形模具，该模具包括上模座、凸模和凹模，所述凸模为圆柱体，垂直安装在上模座上，所述凹模设置在凸模下方，所述凹模呈倒置“T”形，由直径相同的垂直型腔和水平型腔连通而成，同时在垂直型腔和水平型腔的相交处形成球形舱，球形舱分别与垂直型腔、水平型腔的连接处设有小圆角，垂直型腔供凸模进入，该方法具体为以下步骤：
S1：棒状下料；
S2：415℃×16h均匀化处理；
S3：模具装配；
S4：经过均匀化处理的棒状坯料从垂直型腔放入凹模内，然后凸模从上方置入垂直型腔，最后将模具和棒状坯料一并放入加热炉内进行加热保温，保温结束后，在万能材料试验机上进行恒温多道次变形试验：控制凸模匀速下降到凸模底面与水平型腔处保证坯料上表面的相对平整，上述为一道次变形试验，一道次变形试验结束后，取出坯料放入水中保护变形组织，待冷却后打磨掉挤压后坯料形成“半球形”结构，放入凹模内加到预定温度进行二道次变形试验；
S5：二道次变形试验之前将打磨过的坯料对准垂直型腔的位置摆放，摆放好位置后进行二道次变形实验，二道次变形试验完成后同样冷却、打磨、放入凹模中，为三道次变形做准备；
S6：三道次变形试验时，坯料的摆放位置沿用S5步骤的摆放位置，摆放好位置后进行三道次变形实验，试验完成后同样冷却、打磨，最终得到成品。
2.如权利要求1所述的一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，其特征在于：所述多道次变形试验包括三道次以上的变形试验，继续沿用路线变形规律进行试验，直至试验完成预期设定目标。
3.如权利要求1所述的一种Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金双向膨胀等通道挤压制坯的成形方法，其特征在于：所述凹模设有紧固螺钉，所述凹模分为上下两层，使用紧固螺钉固定在一起，分层面设置在水平型腔的直径所在的平行平面。
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