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核电主管道材料316LN不锈钢管塑性成形过程晶粒细化

作者:admin 来源: 日期:2018/8/3 12:03:12 人气:15

AP1000核电主管道材料为316LN,该钢种无法通过热处理细化晶粒,需在锻造过程中保证产品的晶粒度要求。该文研究了316LN不锈钢管单道次和多道次变形条件下的动态再结晶行为,获得316LN不锈钢管在锻造成形中的晶粒细化判据;提出了上平下V砧的改进砧形,对锻件采用大圆角V砧以及上下不等砧宽比进行拔长,采用数值模拟和物理模拟相结合的方法,研究了拔长过程应力应变分布规律,并确定合理的工艺参数,有效地提高锻件变形区域的等效应变及均匀分布,达到锻件变形均匀和晶粒细化的目的。该结果对核电主管道锻造工艺方案优化具有理论参考价值。

核电主管道是核电蒸气供应系统输出堆芯热能的大型厚壁管道,属于核一级关键部件。AP1000核电主管道用钢为奥氏体不锈钢,牌号为316LN。该钢种在加热或冷却的过程中没有相变,因此不能通过热处理细化晶粒。为了达到最终产品的晶粒度要求(ASTM2级或更细的ASTM4级),主管道的锻造成形起着关键的作用[1-3]。目前,国内外在同步进行AP1000核电主管道的研制工作。核电主管道锻造成形包括镦粗、拔长、分料、整圆等工序,其关键工序是拔长。上平下V砧法拔长较无Mannesmann效应的锻造(freefromMannesmanneffect,FM)法和宽砧大压下量锻造(widedieheavyblowforging,WHF)法具有更高的拔长效率;较宽砧大压下量上下V砧(KD)法对压机的吨位要求低,且上平下V砧拔长时,锻件圆截面应变分布不对称,更有利于提高最终管坯产品的质量[4-5]。因此,本文提出上平下V砧的改进砧形,采用数值模拟和物理模拟相结合的方法,对锻件采用大圆角V砧以及上下不等砧宽比进行拔长的实验研究,探讨通过改进砧形提高锻件等效应变分布的可能性,以解决316LN不锈钢管锻造过程晶粒细化和晶粒均匀性问题。

1、316LN不锈钢管的动态再结晶行为与晶粒细化

低层错能的金属材料在热塑性变形过程中,动态再结晶是其主要的软化机制。316LN不锈钢管为典型低层错能钢,在再结晶温度线以上可以发生动态再结晶。动态再结晶是以无畸变的晶核生成、长大形成再结晶晶粒代替含有高位错密度的形变晶粒的过程,在消除大量位错的同时可以达到细化晶粒的目的。图1a为1100℃时,316LN不锈钢管原始试样显微组织;图1b为1100℃、应变速率为0.01s-1时,316LN不锈钢管发生完全动态再结晶的试样显微组织。

核电主管道锻造时应变速率可达0.01s-1量级。热力学模拟实验[6]得到了316LN不锈钢管发生完全动态再结晶的规律,即随着真实应变的增加,流动应力趋于稳态,其临界的真实应变值为稳态应变εs。根据实验结果,稳态应变εs和Z参数之间存在以下关系:εs=0.153Z0.044。其中,Z为Zener-Hollomon参数,即温度补偿应变速率因子。316LN不锈钢管发生动态再结晶后的晶粒尺寸dDRX与Z参数之间的关系为dDRX=6.108×106Z-0.392。根据以上公式,可以计算获得316LN不锈钢管在应变速率为0.01s-1条件下,各个温度的稳态应变εs以及晶粒尺寸dDRX,如表1中所示。

ASTM4级的晶粒大小大约为80μm,因此在锻造的过程中,如果能保证每个温度条件下,316LN不锈钢管的真实应变大于稳态应变,则锻造后的晶粒尺寸可以达到ASTM4级或更细。在锻造的过程中,锻件温度是逐渐降低的。本文通过热力学模拟实验[7],研究了316LN不锈钢管多道次变形条件下的动态再结晶行为。图2中为316LN不锈钢管在不同变形温度梯度、应变速率为0.01s-1条件下的双道次变形试样显微组织。其中:T1,T2,ε1和ε2分别为第1、2道次的变形温度和应变量。用截线法计算得到其晶粒尺寸分别为(a)50.5μm和(b)23.8μm,满足晶粒度要求。因此,在1050~1200℃的高温区,在锻造条件允许的情况下,增大316LN不锈钢管锻造时的变形量,有利于保证动态再结晶的充分发生和晶粒细化。

图3中为316LN不锈钢管双道次变形条件下的高温流动应力曲线。温度梯度1100~1050℃时,道次2的流动应力曲线没有达到稳态,其稳态应变εs>0.60;温度梯度1200~1150℃时,道次2的流动应力曲线已经达到稳态,其稳态应变εs约为0.58。因此,后续道次发生动态再结晶的稳态应变值基本上不受初始道次的影响。在可锻温度的低温区900~1050℃时,316LN不锈钢管的变形抗力比较大,达到完全动态再结晶所需的稳态应变值和压机吨位也比较大,316LN不锈钢管很难达到完全动态再结晶,考虑预防裂纹缺陷的萌生、锻造设备条件和锻造可操作性(采用单一变形量),因此316LN不锈钢管锻造过程高温区完全动态再结晶是实现晶粒细化的主要技术手段。综上所述,在316LN不锈钢管的锻造过程中,通过动态再结晶可以细化晶粒。如果以1050℃发生完全动态再结晶为参考标准,则锻造过程中的真实应变应大于0.655。考虑到温度降低的因素,真实应变越大越好。核电主管道锻件锻造过程中,控制316LN不锈钢管产生完全动态再结晶的工艺条件,并提高锻件塑性变形的均匀性,是解决316LN不锈钢管晶粒细化和晶粒均匀性的关键。

2模型的构建及模拟方法

AP1000核电主管道锻件主拔长工艺前锻件圆截面直径D0尺寸约为2050mm。本文的实验研究建立在上平下V砧法的基础上[8],将下V砧两工作面采用大圆角过渡以及单独改变下V砧的砧宽比;上砧为砧宽比为0.6的平砧,即砧宽为1230mm,V砧砧角采用生产实际中普遍使用的120°,如图4中所示。为了叙述方便,实验结果显示的坐标设置为:中心径线以坯料中心为坐标原点,坯料上端为10,下端为-10;XZ面的中心轴线以坯料中心为坐标原点,坯料右端为10,坯料左端为-10。数值模拟使用Deform3D软件作为模拟平台,采用三维刚塑性有限元模型,模拟坯料尺寸与真实锻件尺寸按1∶1的比例进行构造。为简化计算、提高计算精度和效率,根据对称性条件,取锻件的1/4作为研究对象。在高温锻造情况下摩擦因子取0.4,水压机速率设定为20mm/s,压下率为16%,模拟材料模型由主管道用钢316LN通过实验测得。物理模拟采用纯度为99.99%经过大锻比锻造的纯铅作为模拟材料[9]。根据模拟相似性准则,模拟试件尺寸与真实锻件按1∶33的比例构造。实验时将试件沿子午面剖开并在截面上刻划栅线,采用低熔点Wood合金将试件焊合,在液压实验机上进行上平下V砧法拔长实验。实验中上下砧采用室温模具钢以确保试样上下端面摩擦符合模拟相似条件,在实验中控制应变速率ε·≤10-4s-1,保证试样内部再结晶进行充分,无硬化现象。基于四节点等参数单元理论和Euler大变形公式,采用坐标网格法对实验数据进行处理[10]。

3上平下V砧改进砧形及变形分布规律

实际生产中,使用传统上平下V砧拔长时,锻件下端没有约束,易向V砧砧角间隙处流动。加大圆角半径后,这一流动的趋势受到阻碍,锻件内部会获得更多的压应力和等效应变。当大圆角半径R与坯料半径R0比值在0.8~1.2之间时,能显著增加或改善等效应变的分布;其中比值为1时,即半径相等时,锻件与V砧接触面积最大,其等效应变峰值可达到最大值,见图5a。在锻造的过程中,拉应力容易产生裂纹,应该避免,过渡圆角砧形能显著减小坯料下半部分的拉应力,见图5b。

增大上平下V砧的砧宽比,可以增加砧子与坯料的接触面积,使坯料内部获得更多的压应力,预防裂纹的产生,但是也增大了压机载荷。由FM法和FM上下V砧拔长法[11-12]得到启发,本文仅增大V砧砧宽比,在增大坯料内部等效应变分布的同时,以求达到压机载荷增大的幅度较小。当V砧砧宽比逐渐增大时,坯料内部等效应变也是逐渐增大;当V砧增大为V台时,等效应变达到最大值,如图6a所示。从应力状态分析,V砧砧宽的增大有利于消除中心拉应力,且砧宽比越大压应力越大;但当V砧砧宽比大于0.9时,坯料下半部分4/5D0至下表面区域拉应力增大较为明显,如图6b所示。因此,V砧砧宽比应小于0.9。将上下砧宽比分别为0.6和0.8的组合砧简记为0.6—0.8。如表2中所示,与组合砧0.6—0.6相比较,组合砧0.8—0.8拔长时,应变峰值增大5.88%,上砧载荷需增加26.13%;组合砧0.6—0.8拔长时,应变峰值增大7.65%,上砧载荷增大8.63%。因此,采用上下不等砧宽比拔长时,在改善了中心径线等效应变的同时,上砧载荷只有较小幅度的增大,达到了优化工艺的效果。

综上所述,对锻件采用大圆角V砧或上下不等砧宽比拔长,均可以增加或改善锻件等效应变分布。当压下率为16%时,改进组合砧(大圆角半径比值1.0、V砧砧宽比0.8)与普通砧形(砧宽比0.6)拔长后中心径线等效应变峰值分别为0.400和0.340,即组合砧显著增大了坯料截面的等效应变。为了验证数值模拟实验得到结论的正确性,分别进行了普通砧形以及组合砧形拔长的物理模拟。通过数据处理后,试样的中心截面等效应变分布如图7中所示。比较可知,组合砧可以显著增大试件中心的等效应变分布。在压下率不变的情况下,采用改进的组合砧形,可以获得更好的应变分布状态,这和数值模拟得出了一致的结论。对于物理模拟实验,由于采用坐标网格法进行四节点网格的截取,进行了一定的近似,因此实验结果会有误差,但这不影响对变形分布规律的分析。

4改进砧形连砧翻转拔长工艺对晶粒细化的作用

实际生产中,316LN锻件采用连砧拔长和翻转工艺,即上下不等砧宽比拔长在完成一个道次拔长后才进行翻转和下一道次拔长,其关键是翻转变形对等效应变分布规律和晶粒细化的影响,因此本文着重研究了大圆角V砧、翻转角度为22.5°的翻转拔长,至于不等砧宽比拔长及其他翻转方案需今后进一步进行研究。当压下率不同时,大圆角V砧拔长的应力应变分布规律不尽相同,因此考虑到翻转次数以及计算量等问题,翻转压下率定为8%,并与普通砧形翻转拔长的结果进行对比,如图8中所示。随着半径比值的增大,大圆角V砧显著增大了坯料内部等效应变,由0.6增大到0.8,大于前文要求的真实应变0.655,达到实现完全动态再结晶的要求;坯料整体的等效应变分布更为均匀,坯料内部获得了几乎和边缘一致的等效应变,消除了坯料内部的“空洞”,如图9中所示。因此,大圆角V砧连砧翻转拔长有利于316LN不锈钢管塑性成形过程的晶粒细化和晶粒均匀性。

某重机企业核电主管道锻造成形结果验证了本文研究结论的合理性和正确性,因篇幅限制,这里不再赘述。

5结论

1)在316LN不锈钢管的锻造过程中,控制锻造变形的真实应变应大于0.655;可以通过316LN不锈钢管动态再结晶实现晶粒细化,达到产品的晶粒度要求。2)采用大圆角V砧和上下不等砧宽比拔长时,可以有效地增加或改善等效应变的分布。建议大圆角半径比值取0.8~1.2;当上砧砧宽比0.6时,V砧砧宽比应小于0.9,建议取0.8。3)大圆角V砧翻转拔长提高了坯料内部的等效应变,坯料整体的等效应变分布更为均匀,消除了坯料内部的“空洞”。316LN不锈钢管锻造过程中,采用改进砧形连砧翻转拔长,有利于解决其晶粒细化和晶粒均匀性的问题。