1Cr12Ni3Mo2VN核电特大型叶片省力成形方法及组织控制

摘要

作为第三代核电常规岛汽轮机组中的关键部件——特大型末级长叶片，叶片的排气面积越大，汽轮机的效率也越高。特大型叶片对性能的高要求，是由叶片的材质、晶粒组织、锻造流线等内在品质来保证。采用锻造工艺制造的大叶片能够满足这些要求，研发特大型核电叶片成形技术是制造高品质叶片的保障，是汽轮机高新技术发展的关键之一。本文基于特大型叶片省力成形方法，研究了1Cr12Ni3Mo2VN核电钢的热变形行为，建立了高温本构方程、动态再结晶临界应变模型和动态再结晶Yada模型，为特大型叶片省力成形技术的多场耦合模拟奠定基础；提出了叶片闭式成形辊锻坯料尺寸迭代算法和研究了多火次锻造对微观组织的影响。
　　明确了省力成形技术原理，提出了特大型核电叶片省力成形方法并确定工艺流程，新技术先采用近净形辊锻成形叶身后模锻成形剩余叶根、凸台及叶冠，减小每次成形的投影面积而达到省力目的。
　　在变形温度不变时，真应力随着应变速率的增大而增大，1Cr12Ni3Mo2VN钢是应变速率敏感材料；发生动态再结晶临界应变值随应变速率增加而增大；在应变速率时不变时，临界应变值随着温度的降低而增加；在低应变速率变形时，再结晶组织为混晶，晶粒尺寸很不均匀，随应变速率增加，再结晶组织为均匀等轴晶粒；设计锻造工艺时应采用合适的变形速度以获得较细、均匀的再结晶组织；在低应变速率下，再结晶形核是通过晶界弓出机制形核，而在高应变速率条件下，再结晶形核是通过亚晶聚集形核。
　　采用应变为0.2的数据，通过线性回归的方法计算出了双曲正弦形式的Arrhenius本构方程的材料参数；采用动态再结晶热压缩实验数据，构建了临界应变模型、动态再结晶的Yada模型。
　　分析叶片近净形辊锻原理和特点，决定了叶片在辊锻时，金属主要朝长度方向流动，宽度方向基本没有金属流动，为确保叶片在辊锻过程中不发生侧向弯曲，引入了金属流过各个特征截面的速度相等的条件，提出了一种迭代算法计算大叶片辊锻坯料尺寸，并根据该算法计算了辊锻各道次的坯料尺寸；确定了大叶片原材料尺寸选取的原则，采用综合考虑叶根、叶冠和凸台拉筋三部分的截面面积和各部分的变形情况来选择原材料。
　　采用多场耦合有限元模拟了特大型叶片省力成形技术的各个工序，分析了各个工序的可行性和成形后的晶粒组织状态，结果证明特大型叶片省力成形技术可以采用较小吨位设备制造出尺寸合格、晶粒组织符合要求的叶片。
　　通过热压缩实验研究了多火次锻造对1Cr12Ni3Mo2VN钢的晶粒组织的影响，验证特大型叶片省力成形技术多场耦合的正确性和可靠性；多火次锻造的微观组织具有一定的遗传型，但最终晶粒组织主要由最后一火次变形来决定，实验结果得到叶根的晶粒度为6级，叶身的晶粒度为6.5级，达到了4级的要求；最后一道工序变形温度不能低于1050℃，采用1100~1150℃为宜，变形量大于20%。现场实验验证了镦头工艺和模锻制坯工艺是可行的，现有设备能够满足镦头和模锻制坯的要求；实际生产中将采用半开式镦头工艺。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2文献综述

1.3 研究内容和技术路线

1.4 论文的创新点

第二章 1Cr12Ni3Mo2VN叶片钢热变形行为研究

2.1 实验方法

2.1 1Cr12Ni3Mo2VN高温本构方程

2.2 动态再结晶研究

2.3 动态再结晶模型

2.4模型验证

2.5 本章小结

第三章 省力成形技术原理及工艺优化

3.1 省力成形技术原理

3.2 特大型叶片省力成形技术工艺流程

3.3 坯料尺寸计算方法

3.4 镦头工艺设计及优化

3.5 模锻制坯工艺参数优化

3.6 叶根模锻工艺设计原则

3.7 终锻工艺设计原则

3.8 本章小结

第四章 特大型叶片省力成形技术多场耦合模拟分析

4.1 材料库建立

4.2 镦头工艺多场耦合分析

4.3 模锻制坯多场耦合分析

4.4 近净形辊锻工艺分析

4.5 叶根模锻成形及多场耦合分析

4.6 叶片终锻成形及多场耦合分析

4.7 本章小结

第五章 多火次锻造对1Cr12Ni3Mo2VN组织影响

5.1 多火次锻造对叶根组织影响

5.2 多火次锻造对叶身组织影响

5.3 本章小结

第六章 特大型叶片省力成形技术实验验证

6.1 镦头工艺实验

6.2模锻制坯实验

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文和参加科研情况

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