[发明专利]一种高性能稀土镁合金差速循环扩挤的制坯模具

说明书

本发明公开一种高性能稀土镁合金差速循环扩挤的制坯模具，包括上模具组件、“T”形凸模、分体凹模和下模具组件，分体凹模包括上凹模和下凹模，上凹模具有上长方体型腔和上半多边形膨胀型腔，下凹模具有下长方体型腔以及下半多边形膨胀型腔，上凹模和下凹模合并形成多边形膨胀型腔，下半多边形膨胀型腔两侧设有差速角，两侧差速角所在高度不一；下模具组件包括实体的第一下模板、垫块和带有通孔的第二下模板，第一下模板用于镦粗时固定在下凹模的下方，并且垫块封堵下长方体型腔。本发明通过改变凹模型腔结构改变金属流动状态，引入剪切变形，实现应变增长，既可以减少变形次数，也能增大应变效果，提高生产效率，细化晶粒组织，优化第二相结构。

技术领域

本发明属于金属塑性加工工艺及成形技术领域，特别涉及一种高性能稀土镁合金差速循环扩挤的制坯模具。

背景技术

镁合金是最轻的结构材料，具有比强度、比刚度高，耐腐蚀性、电磁屏蔽性、抗蠕变性好的特点，目前镁合金在一般结构件中得到了很好的应用：如AZ91D镁合金板材在汽车覆盖件上的应用，AZ80镁合金在汽车轮毂上的应用。随着装备轻量化的发展，镁合金逐渐成为航空航天重要结构件铝合金材料的最佳替代品。镁合金为密排六方晶体结构，常温条件下变形滑移系难以启动，因此镁合金对温度条件较为敏感，一般传统镁合金难以支撑重要结构件的高温使用，随着镁合金研究的深入，向镁合金中添加稀土元素，不仅可以提高镁合金的强度及耐腐蚀性，也可以提高其高温力学性能。Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金是近些年来研究较多的一种耐热稀土镁合金，研究发现合金内的长周期堆垛相(long period stackingordered，LPSO)相同时可以提高合金的强度和塑性，在300℃高温条件下同样表现出优异的性能。根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)经验公式可以知道，晶粒尺寸越小，材料的屈服强度越高。因此，细化晶粒，改善镁合金的第二相分布是航空航天等重要结构件镁合金提升性能的重要手段。

大塑性变形可以明显提高材料的力学性能，是制备高强韧镁合金坯料的重要方法。目前高强韧镁合金复杂板状构件，一般采用大塑性变形开坯来保证构件性能，再加上直接切削或精密锻造(后续少量切削)获取所需形状。循环扩挤(Cyclic Expansion-Extrusion,CEE)最初是由帕迪斯(Pardis)等人在往复挤压(Cyclic Extrusion-Compression,CEC)的基础上发展起来，用于研究铝合金棒料的微观组织与力学性能，目的是为了得到超细的晶粒组织，改善合金力学性能。CEE变形技术是一种变形前后试样形状不发生变化的剧烈塑性成形技术，通过反复多次镦粗加上正挤压试样会产生大的应变，可以有效的细化晶粒，获得一定尺寸的超细晶粒。随着CEE变形技术的成熟与发展，逐渐被应用于其他合金材料中，如AZ91镁合金管材、AA1050铝合金块体和棒状材料等。巴贝伊(Babaei)等人研究了循环扩挤对AZ91镁合金管材的组织与性能的影响，经过2道次循环扩挤变形之后，晶粒尺寸达到1μm左右，伸长率从1.6％提升到了8.1％，屈服强度与抗拉强度相对于原始态各自提升了2.9与2.6倍。相比往复挤压和反复镦挤工艺，循环扩挤变形是一种不需要背压的成形工艺，所以它对于模具的设计要求简单，并且不容易出现折叠等缺陷，是一种非常有前景的新型大塑性变形工艺。同时，循环扩挤单道次应变较少的问题较为突出，繁琐的多道次变形是制约其发展的一项问题。

基于航天结构件对高强耐热Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的高性能要求，本案提出一种差速循环扩挤改性的新型大塑性变形模具。

发明内容

本发明的目的是对高强耐热Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金引入大塑性变形细化镁合金晶粒，调整第二相分布，通过改变型腔结构，将剪切变形力引入到传统循环扩挤中，实现金属流动过程中差速流动，增强金属综合力学性能，同时解决传统循环扩挤累计应变小，变形道次繁琐的难题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：