技术领域
[0001] 本发明属于有色金属材料设计和加工制备技术领域，一种大尺寸低稀土高强镁合金挤压材短流程制备方法。
相关背景技术
[0002] 镁合金是目前最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车、军工、电子等领域具有广阔的应用前景。作为结构材料，力学性能是最重要的指标之一。遗憾的是，相比传统的铝合金、钛合金等有色金属结构材料，强度低严重限制了镁合金的规模化应用，特别是在航空航天、国防军工等高技术领域。大量的研究表明，稀土镁合金是最具有开发潜力的超高强镁合金体系，其中代表性的Mg‑Gd‑Y基合金的强度可达500MPa以上，可媲美中等强度的变形铝合金。但是，此类高强镁合金含有大量的稀土元素（>12wt.%），这导致了高成本、高密度、成型性能差和成材率低等问题，不利于商用应用。由于高强Mg‑Gd‑Y基合金的主要强化机制是沉淀强化和固溶强化，降低稀土含量势必会削弱强化效果，导致强化大幅度下降。目前，低稀土（<6wt.%）镁合金挤压材的屈服强度通常低于400MPa。因此，如何在低稀土镁合金中实现超高强度是亟需解决的瓶颈难题。
[0003] 由于镁合金的霍尔派齐系数较大，所以细晶强化是镁合金的非常重要强化机制。但是，只有当晶粒细化至亚微米以下，才能获得良好的晶粒细化效果。目前，制备亚微米晶粒的技术主要包括高压扭转、等径角挤压、旋锻、累积叠轧等大塑性变形技术。虽然这些大塑性变形技术能够获得超细晶、甚至纳米晶，但是这些技术对设备要求高、生产效率低、只适宜小尺寸样品加工，而且目前仅限于实验室水平，无法满足工业级制造的要求。综上所述，虽然可以通过大塑性变形技术制备超细晶的低稀土镁合金，使其获得高的强度，但是这种途径很难制备出大尺寸的材料，且不能实现工业生产。
[0004] 针对大尺寸低稀土镁合金挤压材强度低的关键瓶颈问题，本发明专利提出了一种大尺寸低稀土高强镁合金挤压材短流程制备方法。基于异质构型的微观结构设计，采用低温小挤压比的变形工艺，构筑高比例的强织构的未再结晶区和高密度的动态析出相，从而实现高强度。相比传统的高温大挤压比工艺，低温小挤压比可加工大尺寸坯料，设备要求低，生产效率高，易于批量生产。同时，采用该工艺加工低稀土镁合金，无需长时间时效处理，即可实现高强度。相比高温大挤压比工艺+长时间时效处理，低温小挤压比具有短流程制备的优点。因此，本发明专利提出了一种大尺寸低稀土高强镁合金挤压材短流程制备方法同时满足了低稀土镁合金高强和大尺寸的技术要求，解决了低稀土镁合金挤压材强度低、小尺寸的关键瓶颈技术问题。
具体实施方式
[0023] 以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
[0024] 实施例1本实施例采用的合金成分为Mg‑5.0Sm‑0.6Zn‑0.4Zr合金。
[0025] 采用大炉熔炼、半连续铸造技术制备出直径90mm、长度800mm的圆柱形铸棒，然后在520ºC保温6h进行均匀化处理。机械加工成直径80mm、高度100mm的圆柱坯料进行反挤压加工。挤压温度为300ºC，挤压比为4，挤压速率0.3mm/s，挤压前将坯料在320ºC保温30min，挤压模具保温1h以上，挤压结束后立即冷水淬火，最后得到直径为40mm的大尺寸挤压棒材。
[0026] 根据GB/T 228.1‑2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》对实施例1的Mg‑5.0Sm‑0.6Zn‑0.4Zr挤压棒材进行室温拉伸试验测试，拉伸方向平行于挤压棒的挤压方向。
[0027] 结果表明：屈服强度为405MPa，抗拉强度为414MPa，延伸率为9.5%。
[0028] 实施例2本实施例采用的合金成分为Mg‑3.8Sm‑1Yb‑0.5Zn‑0.4Zr合金。
[0029] 采用大炉熔炼、半连续铸造技术制备出直径100mm、长度1000mm的圆柱形铸棒，然后在515ºC保温12h进行均匀化处理。机械加工成直径80mm、高度100mm的圆柱坯料进行反挤压加工。挤压温度为300ºC，挤压比为6，挤压速率0.1mm/s，挤压前将坯料在300ºC保温40min，挤压模具保温1h以上，挤压结束后立即冷水淬火，最后得到直径为32mm的大尺寸挤压棒材。
[0030] 根据GB/T 228.1‑2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》对实施例3的Mg‑4.2Sm‑1Yb‑0.5Zn‑0.4Zr挤压棒材进行室温拉伸试验测试，拉伸方向平行于挤压棒的挤压方向。
[0031] 结果表明：屈服强度为425MPa，抗拉强度为430MPa，延伸率为7.8%。
[0032] 实施例3本实施例采用的合金成分为Mg‑3.5Sm‑1Nd‑0.6Zn‑0.3Zr合金。
[0033] 采用大炉熔炼、半连续铸造技术制备出直径90mm、长度600mm的圆柱形铸棒，然后在520ºC保温10h进行均匀化处理。机械加工成直径80mm、高度100mm的圆柱坯料进行反挤压加工。挤压温度为320ºC，挤压比为6，挤压速率0.2mm/s，挤压前将坯料在320ºC保温40min，挤压模具保温1h以上，挤压结束后立即冷水淬火，最后得到直径为32mm的大尺寸挤压棒材。
[0034] 根据GB/T 228.1‑2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》对实施例3的Mg‑4.5Sm‑1Nd‑0.6Zn‑0.3Zr挤压棒材进行室温拉伸试验测试，拉伸方向平行于挤压棒的挤压方向。
[0035] 结果表明：屈服强度为402MPa，抗拉强度为405MPa，延伸率为8.2%。
[0036] 实施例4本实施例采用的合金成分为Mg‑3Yb‑1Nd‑0.6Zn‑0.4Zr合金。
[0037] 采用大炉熔炼、半连续铸造技术制备出直径90mm、长度800mm的圆柱形铸棒，然后在510ºC保温12h进行均匀化处理。机械加工成直径80mm、高度100mm的圆柱坯料进行反挤压加工。挤压温度为300ºC，挤压比为4，挤压速率0.03mm/s，挤压前将坯料在300ºC保温40min，挤压模具保温1h以上，挤压结束后立即冷水淬火，最后得到直径为32mm的大尺寸挤压棒材。
[0038] 根据GB/T 228.1‑2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》对实施例4的Mg‑3Yb‑1Nd‑0.6Zn‑0.4Zr挤压棒材进行室温拉伸试验测试，拉伸方向平行于挤压棒的挤压方向。
[0039] 结果表明：屈服强度为408MPa，抗拉强度为412MPa，延伸率为5.2%。
[0040] 对比例为了显示出本发明专利的优势，对实施例2的Mg‑4.2Sm‑1Yb‑0.5Zn‑0.4Zr合金采用传统的高温大挤压比工艺，进行对比分析。
[0041] 挤压前采用同样的制备工艺：采用大炉熔炼、半连续铸造技术制备出直径100mm、长度1000mm的圆柱形铸棒，然后在515ºC保温12h进行均匀化处理。机械加工成直径80mm、高度100mm的圆柱坯料进行高温大挤压比工艺加工。挤压温度为380ºC，挤压比为16，挤压速率0.3mm/s，挤压前将坯料在380ºC保温40min，挤压模具保温1h以上，挤压结束后立即冷水淬火，最后得到直径为20mm的大尺寸挤压棒材。
[0042] 根据GB/T 228.1‑2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对对比例的Mg‑4.2Sm‑1Yb‑0.5Zn‑0.4Zr挤压棒材进行室温拉伸试验测试，拉伸方向平行于挤压棒的挤压方向。
[0043] 结果表明：屈服强度为217MPa，抗拉强度为256MPa，延伸率为21.8%。
[0044] 可以看出，同样合金成分采用本发明专利的低温小挤压比工艺使得屈服强度提升200MPa以上，同时直径也增加了一倍，所以本发明专利提供的低稀土镁合金挤压材短流程制备方法同时满足了大尺寸、高强的目标。
[0045] 表1.实施例1‑3及对比例所制备棒材在挤压方向上的室温拉伸性能：实施例 抗拉强度（MPa） 屈服强度（MPa） 延伸率（%）
实施例1 414 405 9.5
实施例2 430 425 7.8
实施例3 405 402 8.2
实施例4 412 408 5.2
对比例 256 217 21.8
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
