大型核电封头用钢20MnNiMo热塑性变形行为的研究及应用

摘要

大锻件通常用着重要承载件和大型结构件。随着我国经济的快速增长，经济发展对电能的需求与日俱增，核电作为一种经济、清洁、可靠的替代能源已经被世界各国所认可。大锻件作为核电设备中的重要结构部件，其需求量会越来越大。但由于我国对大锻件的研究起步较晚，制造大锻件的能力设备难以达到要求，因而很多核电用大锻件都依赖进口，这不仅价格昂贵，而且受制于人，严重阻碍我国核电事业的发展。因此提高大锻件的制造能力将成为我国核电发展刻不容缓的任务之一，具有十分重要的意义。
　　 本文以大型核电封头用钢20MnNiMo在不同变形条件下的流变应力曲线为研究对象，结合数学分析方法建立了能准确表征材料热塑性变形行为的高温流变应力模型和微观组织演变模型，并基于动态材料模型研究20MnNiMo钢在不同变形区域内的可加工性，在此研究的基础上呈现大型核电整体封头锻造成形和微观组织演变相耦合的数值模拟，为大型核电封头实际生产提供参考和现场指导。
　　 通过将20MnNiMo钢试样在Gleeble-1500热模拟机进行高温压缩试验，得到试样在不同变形条件下的真应力-应变曲线，在Sellars模型的基础上建立了两种不同的流变应力模型，即变参数Arrhenius和两段式Laasraoui流变应力模型，对比两种模型，发现两段式模型计算所得到的曲线与试验值吻合较好，最大相对误差在10％之内，说明该模型能较为真实地反映20MnNiMo钢高温流变行为。
　　 基于动态材料模型的加工图理论，以20MnNiMo钢真应力.应变数据作为计算应变速率敏感系数m、能量耗散因子n、失稳判据ξ三重判据的底层材料模型，最终绘制出包含应变在内的20MnNiMo钢热加工图。结果表明：随着应变量的增加，热加工安全区域增加，说明在应变量较大时，变形温度和应变速率在较宽的范围内都不会出现流变失稳现象，从而可减少锻件加热次数，提高生产效率。
　　 最后，利用DEFORM-3D数值模拟软件再现大型核电整体封头逐次旋转循环锻造成形工艺过程。结果表明：采用小变形逐次旋转成形工艺，锻件在整个锻造循环过程变形均匀，锻件内侧球面始终处于三向压应力状态，锻件内发生完全动态再结晶的区域达到95.4％，锻件内侧球面处的平均晶粒尺寸在10μm以下，基本达到产品零件内部组织晶粒度要求。通过实际生产试验，锻件整体成形情况良好，形状尺寸基本达到图纸要求，无表面裂纹和折叠缺陷产生，锻件各部位变形均匀，组织、性能均匀，可以满足大型核电封头的各项技术指标要求。