鎳基合金管材擠壓變形機理

《鎳基合金管材擠壓變形機理》是依託北京科技大學，由董建新擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：鎳基合金管材擠壓變形機理
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：董建新
• 項目類別：聯合基金項目

項目摘要

目前鎳基合金管材極具市場需求，又尚缺系統的擠壓控制理論，加之又引進國內最大6000噸臥式擠壓機（寶鋼），造成高速大噸位鎳基合金擠壓生產幾近空白。因此本項目以對鎳基合金管材熱擠壓的理論和工藝最佳化體系提出迫切要求的關鍵科學問題作為研究對象。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域的長期合作和完備的研發基地為研究基礎。通過理論分析、實驗、數值模擬及現場實驗，圍繞鎳基合金管材熱擠壓特點，結合材料學特徵重點開展擠壓過程材料學行為、熱效應、摩擦潤滑和模具磨損及力能參數表征等突出的科學問題進行系統研究。據此，針對寶鋼引進的大型擠壓機開展工藝最佳化和坯料、模具最佳化設計的套用研究，建立科學可行的鎳基合金管材熱擠壓理論體系、實際生產有效的理論指導，為我國鎳基合金熱擠壓管材的製備奠定理論和設計基礎。

結題摘要

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報模型的建立及熱擠壓工藝的最佳化設計等方面的研究，取得了大量的實驗數據和工藝最佳化的理論依據，並給出了鎳基合金管材熱擠壓組織可控工藝最佳化控制的通用研究方法，最終利用研究成果，成功地擠出了國內首支700℃超超臨界電站用740H管材，滿足了ASME標準要求，驗證了提出的可控擠出性準則的實用性。對典型鎳基合金在現行熱加工規範範圍內的析出相回溶和隨後脫溶規律進行了系統研究。建立了鎳基合金管材可控擠出性的各項準則，包括：溫度準則、載荷準則、組織準則、潤滑準則、模具準則和荒管組織精確控制準則。首先結合傳熱學、流體力學及有限元模擬，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。並結合具體的擠壓設備和工藝條件，提出了基於模具潤滑、模具最高工作溫度的潤滑準則和模具準則。通過物理模擬實驗、數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對管坯溫度分布、擠壓載荷變化的影響規律，並利用熱力學計算、力學性能測試以及現場設備調研製定了判定標準，由此建立了管材可擠出性的溫度準則和載荷準則；通過基於耗散理論的組織分析方法，建立了可擠出性組織準則，並以此劃分出對管材擠壓利弊不同的加工區間；通過構建合金熱變形的動態再結晶和晶粒長大數學模型，並將其耦合於有限元軟體之中，得到了擠壓工藝參數對荒管組織的影響規律，由此建立了熱擠壓荒管的組織精確控制準則。分別針對以上各單一準則，對鎳基合金管材熱擠壓的工藝參數進行優選。進一步考慮了單一準則間的互動作用，提出了綜合各準則互關聯基礎上的再最佳化分析方法，建立鎳基合金管材的可控擠出性準則，並闡述了使用該準則優選擠壓工藝參數的研究方法：首先篩選出滿足單一準則的工藝參數範圍，將某工藝參數適合於不同準則的區間進行比較，計算各區間的交集，得到符合可控擠出性的優選工藝參數。利用可控擠出性準則優選出管坯預熱溫度為1160℃，擠壓初始速度為100mm/s，擠壓比為5.9的工藝參數組合，成功熱擠壓出國內首支滿足組織控制要求的740H荒管，同時得到生產高質量740H合金管材全過程的主要工藝參數。 總之，建立的組織可控的擠出性準則及研究方法能夠為國內的鎳基合金管材熱擠壓提供理論依據和可操作的工藝優選方法。