鎳基合金管材擠壓變形機(jī)理項(xiàng)目摘要

目前鎳基合金管材極具市場(chǎng)需求，又尚缺系統(tǒng)的擠壓控制理論，加之又引進(jìn)國(guó)內(nèi)最大6000噸臥式擠壓機(jī)（寶鋼），造成高速大噸位鎳基合金擠壓生產(chǎn)幾近空白。因此本項(xiàng)目以對(duì)鎳基合金管材熱擠壓的理論和工藝優(yōu)化體系提出迫切要求的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題作為研究對(duì)象。以申請(qǐng)人初步試驗(yàn)和計(jì)算獲得的鎳基合金熱加工過(guò)程組織控制、材料變形行為與高速大變形特點(diǎn)有明顯互作用的研究積累為突破口，以北科大和寶鋼特殊鋼分公司在研究領(lǐng)域的長(zhǎng)期合作和完備的研發(fā)基地為研究基礎(chǔ)。通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，圍繞鎳基合金管材熱擠壓特點(diǎn)，結(jié)合材料學(xué)特征重點(diǎn)開(kāi)展擠壓過(guò)程材料學(xué)行為、熱效應(yīng)、摩擦潤(rùn)滑和模具磨損及力能參數(shù)表征等突出的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究。據(jù)此，針對(duì)寶鋼引進(jìn)的大型擠壓機(jī)開(kāi)展工藝優(yōu)化和坯料、模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究，建立科學(xué)可行的鎳基合金管材熱擠壓理論體系、實(shí)際生產(chǎn)有效的理論指導(dǎo)，為我國(guó)鎳基合金熱擠壓管材的制備奠定理論和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

圍繞鎳基合金管材熱擠壓特點(diǎn)，開(kāi)展了鎳基合金熱變形過(guò)程的相演變、熱變形過(guò)程的組織演變、有限元計(jì)算模型及組織預(yù)報(bào)模型的建立及熱擠壓工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究，取得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工藝優(yōu)化的理論依據(jù)，并給出了鎳基合金管材熱擠壓組織可控工藝優(yōu)化控制的通用研究方法，最終利用研究成果，成功地?cái)D出了國(guó)內(nèi)首支700℃超超臨界電站用740H管材，滿足了ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了提出的可控?cái)D出性準(zhǔn)則的實(shí)用性。對(duì)典型鎳基合金在現(xiàn)行熱加工規(guī)范范圍內(nèi)的析出相回溶和隨后脫溶規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究。建立了鎳基合金管材可控?cái)D出性的各項(xiàng)準(zhǔn)則，包括：溫度準(zhǔn)則、載荷準(zhǔn)則、組織準(zhǔn)則、潤(rùn)滑準(zhǔn)則、模具準(zhǔn)則和荒管組織精確控制準(zhǔn)則。首先結(jié)合傳熱學(xué)、流體力學(xué)及有限元模擬，建立了玻璃潤(rùn)滑膜厚度、完成一次熱擠壓所需玻璃墊厚度的理論計(jì)算方法。并結(jié)合具體的擠壓設(shè)備和工藝條件，提出了基于模具潤(rùn)滑、模具最高工作溫度的潤(rùn)滑準(zhǔn)則和模具準(zhǔn)則。通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算和理論分析得到了熱擠壓過(guò)程中主要工藝參數(shù)對(duì)管坯溫度分布、擠壓載荷變化的影響規(guī)律，并利用熱力學(xué)計(jì)算、力學(xué)性能測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)研制定了判定標(biāo)準(zhǔn)，由此建立了管材可擠出性的溫度準(zhǔn)則和載荷準(zhǔn)則；通過(guò)基于耗散理論的組織分析方法，建立了可擠出性組織準(zhǔn)則，并以此劃分出對(duì)管材擠壓利弊不同的加工區(qū)間；通過(guò)構(gòu)建合金熱變形的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大數(shù)學(xué)模型，并將其耦合于有限元軟件之中，得到了擠壓工藝參數(shù)對(duì)荒管組織的影響規(guī)律，由此建立了熱擠壓荒管的組織精確控制準(zhǔn)則。分別針對(duì)以上各單一準(zhǔn)則，對(duì)鎳基合金管材熱擠壓的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。 進(jìn)一步考慮了單一準(zhǔn)則間的交互作用，提出了綜合各準(zhǔn)則互關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)上的再優(yōu)化分析方法，建立鎳基合金管材的可控?cái)D出性準(zhǔn)則，并闡述了使用該準(zhǔn)則優(yōu)選擠壓工藝參數(shù)的研究方法：首先篩選出滿足單一準(zhǔn)則的工藝參數(shù)范圍，將某工藝參數(shù)適合于不同準(zhǔn)則的區(qū)間進(jìn)行比較，計(jì)算各區(qū)間的交集，得到符合可控?cái)D出性的優(yōu)選工藝參數(shù)。利用可控?cái)D出性準(zhǔn)則優(yōu)選出管坯預(yù)熱溫度為1160℃，擠壓初始速度為100mm/s，擠壓比為5.9的工藝參數(shù)組合，成功熱擠壓出國(guó)內(nèi)首支滿足組織控制要求的740H荒管，同時(shí)得到生產(chǎn)高質(zhì)量740H合金管材全過(guò)程的主要工藝參數(shù)。 總之，建立的組織可控的擠出性準(zhǔn)則及研究方法能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)的鎳基合金管材熱擠壓提供理論依據(jù)和可操作的工藝優(yōu)選方法。 2100433B

《鎳基合金管材擠壓及組織控制》以材料變形過(guò)程的再結(jié)晶行為和晶粒演化的材料學(xué)特征為基礎(chǔ)，將微觀的材料變形機(jī)理與高溫合金的宏觀加工參數(shù)、模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和組織控制原則相結(jié)合，同時(shí)利用計(jì)算材料學(xué)的基本手段對(duì)合金的變形規(guī)律及加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究了高溫合金擠壓變形過(guò)程中坯料的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模具損傷與潤(rùn)滑及管材組織控制的關(guān)聯(lián)性。

1鎳基合金的擠壓特點(diǎn)

1.1擠壓成型技術(shù)

1.1.1擠壓成型技術(shù)的分類

1.1.2擠壓加工的特點(diǎn)

1.2鎂合金管材的擠壓成型

1.3鋁合金的擠壓成型

1.4鋼鐵材料的擠壓成型

1.4.1冷擠壓

1.4.2溫?cái)D壓

1.4.3熱擠壓

1.4.4無(wú)縫鋼管的熱擠壓技術(shù)

1.5鎳基合金管材的生產(chǎn)工藝

1.5.1感應(yīng)加熱擴(kuò)孔

1.5.2熱擠壓

1.5.3冷軋/冷拔 熱處理

1.6典型鎳基合金的特點(diǎn)

1.6.1蒸汽發(fā)生器傳熱管690合金

1.6.2油井管G3合金

1.7鎳基合金管材制備過(guò)程中存在的問(wèn)題

1.7.1成材率

1.7.2荒管內(nèi)表面橘皮狀缺陷

1.7.3冷軋管和成品管內(nèi)表面絲狀皺折

1.7.4成品管內(nèi)壁細(xì)晶層及晶粒尺寸不均勻性

1.7.5油井管G3合金荒管開(kāi)裂

1.7.6坯料溫升引起的熱塑性降低

參考文獻(xiàn)

2鎳基合金690的熱變形行為

2.1流變應(yīng)力的影響規(guī)律

2.1.1熱變形行為的研究方案

2.1.2流變應(yīng)力曲線

2.2本構(gòu)關(guān)系的構(gòu)建及驗(yàn)證

2.3再結(jié)晶組織的影響規(guī)律

2.3.1熱變形參數(shù)對(duì)再結(jié)晶組織的影響

2.3.2初始晶粒尺寸對(duì)熱變形特性的影響

2.3.3再結(jié)晶圖

2.4加工圖的建立及應(yīng)用分析

2.4.1加工圖的建立

2.4.2加工圖的分析

2.4.3管材熱擠壓的控制原則

2.5熱變形組織演變模型及擠壓組織控制

2.5.1熱變形過(guò)程中的組織演變及模型構(gòu)建

2.5.2動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

2.5.3亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

2.5.4晶粒長(zhǎng)大

參考文獻(xiàn)

3鎳基合金G3的熱變形行為

3.1G3合金的本構(gòu)方程建立

3.1.1真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線

3.1.2峰值應(yīng)力的表征

3.1.3G3合金的本構(gòu)方程

3.2變形參數(shù)對(duì)微觀組織的影響

3.2.1變形溫度以及應(yīng)變速率的影響

3.2.2應(yīng)變量的影響

3.3動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為

3.3.1真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線

3.3.2顯微組織特征

3.3.3動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程

3.4G3合金亞動(dòng)態(tài)（靜態(tài)）再結(jié)晶行為

3.4.1雙道次熱壓縮后G3合金的熱變形特性

3.4.2G3合金的亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織演化規(guī)律

3.4.3熱變形參數(shù)對(duì)G3合金亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響

3.4.4亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程

3.5G3合金再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大方程

3.5.1G3合金晶粒長(zhǎng)大階段的組織演化規(guī)律

3.5.2晶粒長(zhǎng)大模型驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)

4鎳基合金GH536和825的熱變形行為

4.1GH536合金

4.1.1GH536的相組成及析出規(guī)律

4.1.2GH536合金熱加工性

4.1.3GH536合金的焊接性

4.1.4GH536合金的其他性能

4.2825合金

4.2.1825合金的熱加工性

4.2.2825合金的焊接性

4.2.3825合金的耐腐蝕性

4.3兩種合金的組織特征

4.3.1熱力學(xué)模擬方法

4.3.2GH536合金的熱力學(xué)平衡相

4.3.3GH536合金凝固過(guò)程中的元素再分配規(guī)律

4.3.4合金元素對(duì)GH536平衡析出相的影響規(guī)律

4.3.5合金元素對(duì)825合金平衡析出相的影響規(guī)律

4.3.6GH536合金相組成及相析出規(guī)律

4.3.7825合金的相組成及相析出規(guī)律

4.4兩種合金的熱變形特征

4.4.1兩種合金的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

4.4.2兩種合金的流變應(yīng)力本構(gòu)方程

4.4.3兩種合金熱加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為

參考文獻(xiàn)

5C—276和800H鎳基合金及熱變形行為

5.1C—276合金及其性能

5.1.1C—276合金生產(chǎn)過(guò)程

5.1.2C—276合金的性能

5.2C—276合金的組織特征

5.3C—276合金錠均勻化

5.3.1均勻化理論分析

5.3.2合金鑄錠的組織分析

5.3.3均勻化制度

5.3.4均勻化效果

5.4熱加工塑性

5.5熱變形行為

5.5.1變形參數(shù)對(duì)組織特征的影響

5.5.2熱壓縮流變曲線特征

5.5.3高溫壓縮的本構(gòu)關(guān)系

5.6800H合金及熱變形行為

5.6.1800H合金及性能

5.6.2800H合金的熱變形行為

5.6.3800H合金的熱加工圖

參考文獻(xiàn)

6鎳基合金管材基于工藝優(yōu)化的模擬

6.1金屬熱變形的數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀

6.1.1金屬塑性加工主要的數(shù)值模擬技術(shù)

6.1.2有限元法在金屬塑性加工中的應(yīng)用

6.2GH4169合金管材正擠壓的有限元模擬

6.2.1有限元模型的建立

6.2.2擠壓參數(shù)調(diào)整對(duì)結(jié)果的影響

6.3G3合金的管材擠壓工藝優(yōu)化有限元模擬

6.3.1有限元模型的建立

6.3.2材料特性與邊界條件的定義

6.3.3基準(zhǔn)參數(shù)選擇與參數(shù)調(diào)整方案

6.3.4基準(zhǔn)參數(shù)下擠壓模擬結(jié)果分析

6.3.5擠壓參數(shù)調(diào)整對(duì)結(jié)果的影響

6.4690合金管材擠壓的有限元模擬與正交試驗(yàn)優(yōu)化

6.4.1有限元模型的建立

6.4.2材料特性與邊界條件的定義

6.4.3正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

6.4.4適宜參數(shù)組合的確定

6.5合金特征對(duì)擠壓工藝的關(guān)聯(lián)影響性

6.6GH625和825合金管材擠壓過(guò)程數(shù)值模擬

6.6.1GH536合金管材擠壓模擬

6.6.2825合金管材擠壓模擬

參考文獻(xiàn)

……

7熱擠壓工藝與磨損和潤(rùn)滑

8熱擠壓工藝與組織控制

9690合金冷軋退火組織控制及管材組織可控性

參考文獻(xiàn) 2100433B

擠壓與隧道圍巖過(guò)應(yīng)力有關(guān)，常發(fā)生在低強(qiáng)度、有大變形的軟巖中，通常伴隨著大埋深和高應(yīng)力。2100433B