鎳基合金管材擠壓及組織控制

1鎳基合金的擠壓特點

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

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溫擠壓

1.4.3熱擠壓

1.4.4無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

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程中存在的問題

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)對再結(jié)晶組織的影響

2.3.2初始晶粒尺寸對熱變形特性的影響

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熱變形過程中的組織演變及模型構(gòu)建

2.5.2動態(tài)再結(jié)晶

2.5.3亞動態(tài)再結(jié)晶

2.5.4晶粒長大

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動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程

3.4G3合金亞動態(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合金的亞動態(tài)再結(jié)晶組織演化規(guī)律

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

3.4.4亞動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程

3.5G3合金再結(jié)晶晶粒長大方程

3.5.1G3合金晶粒長大階段的組織演化規(guī)律

3.5.2晶粒長大模型驗證

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合金凝固過程中的元素再分配規(guī)律

4.3.4合金元素對GH536平衡析出相的影響規(guī)律

4.3.5合金元素對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程中的動態(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正交試驗的設(shè)計

6.4.4適宜參數(shù)組合的確定

6.5合金特征對擠壓工藝的關(guān)聯(lián)影響性

6.6GH625和825合金管材擠壓過程數(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

《鎳基合金管材擠壓及組織控制》以材料變形過程的再結(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)計準(zhǔn)則和組織控制原則相結(jié)合，同時利用計算材料學(xué)的基本手段對合金的變形規(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程中坯料的優(yōu)化設(shè)計、模具損傷與潤滑及管材組織控制的關(guān)聯(lián)性。

圍繞鎳基合金管材熱擠壓特點，開展了鎳基合金熱變形過程的相演變、熱變形過程的組織演變、有限元計算模型及組織預(yù)報模型的建立及熱擠壓工藝的優(yōu)化設(shè)計等方面的研究，取得了大量的實驗數(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，成功地擠出了國內(nèi)首支700℃超超臨界電站用740H管材，滿足了ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，驗證了提出的可控擠出性準(zhǔn)則的實用性。對典型鎳基合金在現(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擠出性的各項準(zhǔn)則，包括：溫度準(zhǔn)則、載荷準(zhǔn)則、組織準(zhǔn)則、潤滑準(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，建立了玻璃潤滑膜厚度、完成一次熱擠壓所需玻璃墊厚度的理論計算方法。并結(jié)合具體的擠壓設(shè)備和工藝條件，提出了基于模具潤滑、模具最高工作溫度的潤滑準(zhǔn)則和模具準(zhǔn)則。通過物理模擬實驗、數(shù)值模擬計算和理論分析得到了熱擠壓過程中主要工藝參數(shù)對管坯溫度分布、擠壓載荷變化的影響規(guī)律，并利用熱力學(xué)計算、力學(xué)性能測試以及現(xiàn)場設(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，并以此劃分出對管材擠壓利弊不同的加工區(qū)間；通過構(gòu)建合金熱變形的動態(tài)再結(jié)晶和晶粒長大數(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。分別針對以上各單一準(zhǔn)則，對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擠出性準(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，計算各區(qū)間的交集，得到符合可控擠出性的優(yōu)選工藝參數(shù)。利用可控擠出性準(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，成功熱擠壓出國內(nèi)首支滿足組織控制要求的740H荒管，同時得到生產(chǎn)高質(zhì)量740H合金管材全過程的主要工藝參數(shù)。 總之，建立的組織可控的擠出性準(zhǔn)則及研究方法能夠為國內(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

目前鎳基合金管材極具市場需求，又尚缺系統(tǒng)的擠壓控制理論，加之又引進(jìn)國內(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。因此本項目以對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)問題作為研究對象。以申請人初步試驗和計算獲得的鎳基合金熱加工過程組織控制、材料變形行為與高速大變形特點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)域的長期合作和完備的研發(fā)基地為研究基礎(chǔ)。通過理論分析、實驗、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實驗，圍繞鎳基合金管材熱擠壓特點，結(jié)合材料學(xué)特征重點開展擠壓過程材料學(xué)行為、熱效應(yīng)、摩擦潤滑和模具磨損及力能參數(shù)表征等突出的科學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。據(jù)此，針對寶鋼引進(jìn)的大型擠壓機(jī)開展工藝優(yōu)化和坯料、模具優(yōu)化設(shè)計的應(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、實際生產(chǎn)有效的理論指導(dǎo)，為我國鎳基合金熱擠壓管材的制備奠定理論和設(shè)計基礎(chǔ)。

當(dāng)擠壓筒加熱功率過大時, 很容易導(dǎo)致擠壓筒軟化, 破壞擠壓筒預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu), 因此, 對擠壓筒進(jìn)行溫度控制非常必要。擠壓筒溫度穩(wěn)定, 不僅能夠保證擠壓筒的正常使用性能, 還會延長其使用壽命。

擠壓筒溫度控制包括控制最高溫、控制最低溫、控制溫升和溫差、分區(qū)加熱、熱電偶多點測量。

1 溫升和溫差控制

擠壓筒突然加熱可能會產(chǎn)生較高熱應(yīng)力, 導(dǎo)致擠壓筒組件開裂, 或內(nèi)襯相對于外套移動。為盡量減小擠壓筒熱應(yīng)力, 需要控制擠壓筒溫升, 使其溫度梯度最小。一般情況下, 擠壓筒加熱到需要溫度時, 保溫時間必須超過8 h 以上, 溫升速率應(yīng)不超過50℃/h- 1 。在擠壓過程中, 擠壓筒溫度應(yīng)盡量低于450℃。一旦產(chǎn)生過熱, 擠壓筒硬度會發(fā)生軟化, 只能重新進(jìn)行熱處理。

控制擠壓筒溫差即控制溫度徑向、軸向分布。溫度徑向分布很難控制, 原因在于: 擠壓過程中,擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)孔靠近熱坯錠, 內(nèi)襯內(nèi)表面溫度最高,而且其溫度徑向分布遵循非線性溫度曲線。一般情況下, 擠壓過程中的擠壓筒外套不會比內(nèi)襯溫度高, 但如果擠壓筒外套內(nèi)安裝環(huán)形電阻加熱器, 由于控制熱電偶遠(yuǎn)離加熱器, 擠壓筒外套可能會比內(nèi)襯溫度高, 在這種情況下, 如果擠壓筒再承受較大壓力, 將會損壞擠壓筒內(nèi)襯。

擠壓筒溫度軸向分布相對變化小。擠壓筒兩端存在熱量損失, 這將導(dǎo)致擠壓筒兩端比中心溫度低, 而且可能使擠壓筒中心凸起。另外, 擠壓筒?？诙藴囟缺冗M(jìn)口端溫度高, 這是由于熱坯錠在?？诙说耐Ａ魰r間較長。

2 分區(qū)加熱

在擠壓過程中, 由于熱坯錠及熱坯錠與內(nèi)襯之間摩擦產(chǎn)生了大量熱能, 因此, 通常只需要在擠壓筒內(nèi)相應(yīng)區(qū)域補(bǔ)充很少熱量, 以保證擠壓筒溫度分布均勻。例如, 擠壓筒進(jìn)口端和模口端存在溫差,為保持軸向溫度分布均勻, 前、后兩個區(qū)域分別采用獨(dú)立加熱系統(tǒng), 通過各自熱電偶識別, 測量前、后區(qū)域溫差并進(jìn)行補(bǔ)償。另外, 擠壓筒頂部和底部沿周向和徑向也分別對應(yīng)設(shè)置多個測溫點, 以及冷卻區(qū)。對于軸向長度較短的擠壓筒, 可以考慮僅在進(jìn)口端和?？诙嗽O(shè)計獨(dú)立加熱區(qū)域; 若擠壓筒較長, 則應(yīng)沿擠壓筒長度方向增加加熱區(qū)域, 加熱區(qū)域數(shù)量及各區(qū)域間隔根據(jù)加熱元件功率確定。

擠壓筒頂部和底部也需要獨(dú)立加熱系統(tǒng), 原因在于: 擠壓筒底部失去的熱量會上升到頂部, 導(dǎo)致頂部比底部溫度高, 即擠壓筒上半部分比下半部分熱。與熱傳導(dǎo)相比, 盡管通過此種方式傳遞的熱量并不大, 但為獲得均勻應(yīng)力場, 在擠壓筒底部增加獨(dú)立加熱系統(tǒng)仍是非常必要的。

對于大型擠壓機(jī), 擠壓筒軸向和徑向尺寸均較大, 為獲得理想的擠壓筒加熱狀態(tài), 不得不采用多個獨(dú)立加熱系統(tǒng), 而且必須對擠壓筒溫度及溫度變化率進(jìn)行程序控制, 使溫度嚴(yán)格按給定溫控曲線變化。現(xiàn)代大型擠壓機(jī)生產(chǎn)線上普遍應(yīng)用PLC 作為溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)核心, 通過上位機(jī)對溫度控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和顯示, 并進(jìn)行故障報警和警告。PLC 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理: 根據(jù)溫度檢測值與給定值偏差, 通過PLC 程序控制脈沖發(fā)生器的脈沖輸出寬度, 進(jìn)而控制調(diào)功器啟動和停止, 改變加熱元件通電時間, 對加熱元件功率進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)硬件主要包括測溫?zé)犭娕肌⒛M量輸入模塊、可編程序控制器、數(shù)字量輸入和輸出模塊、按鈕、繼電器、指示燈、報警和輔助觸點等。