某牌號低活化馬氏體鋼U形件成形工藝研究

徐杰，李向博

(合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

核能因其巨大的能量密度和較少的溫室氣體排放等優(yōu)點，從20世紀50年代開始便得到各國政府的重視和支持，得以迅速發(fā)展。目前核電已占世界發(fā)電總量的17%左右，發(fā)達國家此比例更是高達20%～30%[1]。核聚變因為其高的能量密度、廣泛的原料來源等，使其具有廣闊的應用前景[2]。核聚變反應現(xiàn)在還處于實驗室研究階段，距離真正的商業(yè)應用還有一段距離，其中主要的技術難題之一是，聚變堆包層的設計制造以及材料本身選擇和制造[3—5]。

聚變堆包層是未來聚變堆部件的核心，是實現(xiàn)聚變能轉(zhuǎn)換和核燃料增殖的關鍵部件。針對聚變堆包層所處的特殊工況條件，要求包層材料具有較強的抗高能中子輻照能力、低活化、良好的機械性能和與冷卻劑、增殖劑之間具有良好的相容性[4，6]。根據(jù)對材料的特殊要求，世界各主要發(fā)達國家均在研究自己的聚變堆包層用材料。中國獨立自主研究的低活化馬氏體鋼作為聚變堆包層第一壁的備選材料，具有低活化、抗氧化、抗輻照、一定的力學性能，具有廣闊的研究前景和巨大的商業(yè)應用價值[7—8]。

圖1 包層第一壁結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the first wall of the blanket

現(xiàn)階段國內(nèi)外關于聚變堆包層第一壁的加工方法主要為機械加工結合后續(xù)的彎板和焊板相結合方法，存在著材料利用率低、工序多、生產(chǎn)效率低的不足;而且產(chǎn)品形狀尺寸精度和力學性能較低，工藝不穩(wěn)定[9]。文中提出一種新的針對具有聚變堆包層第一壁特征位置尺寸的U形件加工方法——近凈擠壓成形，為制造尺寸精度高、組織性能好的聚變堆其他復雜形狀的零部件提供新的思路和方法[11—13]，具有一定的理論與技術意義。

1 實驗

實驗用材料為中國科學院核物理研究所提供的低活化馬氏體鋼，該材料為鑄造態(tài)。材料送由中國科學院金屬研究所進行檢測得到其精確的成分和含量。具體檢測方法為:分別在鑄坯的前端(錠坯底部，遠離冒口位置)、中部(錠坯中部)和后端(錠坯頂部，靠近冒口位置)各取5組試樣切成10 mm×10 mm×10 mm小塊。在每個試樣表面隨機選取5個點，并在選中的點上進行EDS(Energy Dispersive Spectrometer)電子束(探針)點分析，分別檢測其各自的成分含量，并計算其材料各組分的平均值。檢測并計算得到的材料各組分主要含量(質(zhì)量分數(shù))為:C 0.007% ～0.01%，Cr 8.8% ～10.0%，W 1.3% ～1.5%，Mn 0.3% ～0.5%，F(xiàn)e 剩余。

從中國科學院金屬研究所提供的低活化鋼主要合金元素化學成分可知，Cr9W1MnVTa低活化馬氏體鋼其自身合金元素種類復雜，化學成分Cr，W和Mn等含量較高，其對材料成形過程中最大成形載荷的影響比較復雜[14—15]。

其中鉻能顯著提高材料的強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，是該低活化馬氏體鋼主要合金元素。元素鎢的加入，主要因為其密度大、耐高溫，可以較大程度地提高材料的硬度和耐磨性。在該低活化馬氏體鋼冶煉過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。在鋼中加入一定量的錳時，較一般的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能。鉭(Ta)與低活化鋼中的C和N可形成碳氮化物，這些析出相可以阻礙位錯的運動，穩(wěn)定馬氏體板條結構，從而對基體起到了一定的強韌化作用。Ta還能改善鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)和強度，相對于9Cr-2WV鋼，9Cr-2WVTa鋼在同等輻照條件下具有更低的DBTT。

此次實驗欲成形的零件如圖2所示。整個零件外形呈現(xiàn)為U形形狀，外圍尺寸為110 mm×95 mm，尺寸較大，成形載荷高，設備噸位要求高;外壁厚度為5 mm，高為11 mm，高寬比為2.2，金屬塑性流動劇烈，成形困難;內(nèi)壁厚度為12 mm，內(nèi)外壁厚度相差較大，金屬流動不均勻;實驗前坯料經(jīng)線切割加工為U形形狀以便順利放入模腔。在1000 t液壓機上進行相關實驗，記錄實驗過程中最大載荷和下壓速度。

圖2 U形件示意圖Fig.2 Schematic of U-shaped part

根據(jù)材料自身的變形特點和實際實驗要求確定合理的實驗方案。具體方案如表1所示。

表1 U形件擠壓工藝方案Table1 Extrusion process program for U-shaped part

2 結果與分析

2.1 成形速度對成形載荷的影響

圖3為圓角半徑為5 mm，溫度800℃條件下不同下壓速度成形最大載荷曲線。如圖3所示，整個材料成形過程中的成形載荷隨著下壓速度的增加而增加，在擠壓速度為2 mm/s時達到最大載荷385 t。

圖3 3種擠壓速度條件下材料的成形載荷Fig.3 Material forming load under three different extrusion speeds

經(jīng)典的金屬塑性成形理論認為，變形速度的提高，單位時間內(nèi)發(fā)熱率增加，使變形抗力增加。另一方面變形速度的提高縮短了變形時間，使材料在變形過程中的位錯發(fā)展時間不充足，位錯形成的數(shù)量較少，材料滑移困難，成形的變形抗力增加。這二者對材料成形過程中成形載荷起到相反的作用。宏觀表現(xiàn)上，材料成形載荷變化主要依據(jù)二者具體在成形過程中對變形抗力變化影響程度的大小。此次低活化馬氏體鋼U形件成形過程中，對模具外圍添加加熱圈，溫度波動幅度在±15℃，成形過程近似為等溫塑性成形，所以因變形速度提高而引起的位錯數(shù)量不足是影響成形載荷的最重要因素。

2.2 圓角半徑對成形載荷的影響

圖4為擠壓速度為0.5 mm/s，溫度800℃條件下不同圓角半徑成形的最大載荷曲線。如圖4所示，材料成形最大載荷隨著圓角半徑的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖4 3種圓角半徑條件下材料的成形載荷Fig.4 Material forming load under three different fillet radius

凸模圓角半徑是材料成形中關鍵的因素之一。圓角半徑如果過小，不僅增大金屬流動阻力，增加材料在圓角半徑處開裂的趨勢，使成形件難以完成整個成形過程，而且過小的圓角半徑對于模具的磨損也較大，嚴重降低了模具的使用壽命。材料成形過程中圓角處的阻力主要由兩部分組成:一部分是材料在圓角處因變形而產(chǎn)生的變形阻力，變形阻力的大小主要和圓角半徑相關，圓角半徑越小，變形阻力越大;另一部是摩擦阻力，是材料流過圓角時材料表面與凸模圓角表面摩擦而產(chǎn)生的，它主要與凸模成形力、材料和模具的表面狀態(tài)相關，凸模成形力越大，表面狀態(tài)越惡化，摩擦阻力就越大。

2.3 溫度對成形載荷的影響

圖5為圓角半徑為5 mm，下壓速度為0.5 mm/s條件下不同溫度成形的最大載荷曲線。如圖5所示，整個成形過程中最大載荷隨著溫度的增加而減小，在800℃時最小，為330 t。相比較于擠壓速度和凸模圓角半徑，溫度對零件成形載荷影響更大。成形載荷從800℃時的330 t上升到700℃時的460 t，載荷的變化范圍明顯高于其他兩因素。

圖5 3種溫度條件下材料的成形載荷Fig.5 Material forming load at three different temperatures

金屬的變形抗力幾乎都隨著成形溫度的升高而降低，因為溫度的升高使金屬原子間的結合力降低，金屬滑移的切應力也隨之降低。微觀尺度上的原子結合力的減小，在宏觀反映為整個材料成形過程中最大成形載荷的降低。

2.4 零件成形初步結果

在不同參數(shù)條件下，進行了該低活化馬氏體鋼U形件成形試制實驗。選取實驗成形效果較優(yōu)的試件進行其尺寸的測量，測量方法為每組數(shù)據(jù)測量5次求其平均值。較優(yōu)的成形參數(shù)為成形溫度為800℃，凸模圓角半徑為5 mm，成形速度為0.5 mm/s。測量結果如表2所示。

表2 試件測量結果Table2 Specimen measurement results

成形零件各處設計尺寸和實際測量尺寸之間的誤差整體較小，其中對U形件尺寸要求較高的垂直截面通道截面面積和轉(zhuǎn)角通道截面面積誤差均在5%以內(nèi)，分別為2.34%和4.34%，相比于傳統(tǒng)的加工方法有較大提高，尺寸精度明顯提升。誤差最大處發(fā)生在內(nèi)直壁高度處，誤差為8%。由于U形件內(nèi)直壁設計厚度為12 mm，相比于外直壁厚度方向尺寸較大，材料成形過程中需要流動的金屬體積和成形力也較大，容易形成金屬充填不飽滿現(xiàn)象，造成U形件內(nèi)直壁高度偏小。

圖6 U形件實驗試制Fig.6 Experimental trial of U-shaped part

3 結論

通過等溫精密擠壓工藝對某牌號低活化馬氏體鋼進行U形件的擠壓成形，與聚變堆包層第一壁的傳統(tǒng)加工工藝相比，提高了其成形尺寸精度和材料的利用率，具有較大的理論和實踐意義。

1)在成形溫度為800℃，擠壓速度為0.5 mm/s，凸模圓角半徑為5 mm條件下，得到的U形件試件尺寸精度較傳統(tǒng)的加工工藝有較大提高，各處流道截面面積誤差均不超過5%。

2)擠壓溫度對材料成形過程中的成形載荷有較大影響。隨著成形溫度的提高，材料的成形載荷總體呈上升趨勢。材料成形載荷升高主要原因為溫度的升高使金屬原子間的結合力降低，金屬流動所需的滑動切應力減小。

3)通過對比實驗，較為合理的該牌號低活化馬氏體鋼進行U形件等溫精密成形工藝參數(shù)為:成形溫度為800℃，擠壓速度為0.5 mm/s，凸模圓角半徑為5 mm。

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