CN114226618B - 基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺 - Google Patents

基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺 Download PDF

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Abstract

基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺，属于锻造技术领域，解决大型轴类锻件终锻成形工艺晶粒组织细匀化控制的技术问题，解决方案为：针对大型轴类件“因大而生”的混晶问题，结合多道次非连续热锻实验与等温热处理实验进行探索，通过分析锻造‑热处理工艺界面上的混晶度演变及作用，确定锻造晶粒不均匀的工艺容限，建立大型轴类锻件终锻成形的最佳锻造工艺窗口，在此基础上探索和提出面向大型轴类锻件终锻成形的反向控制锻造工艺分析与设计方法，从而创新大型轴类锻件终锻成形工艺。本发明最终能够实现大型锻件晶粒组织的细匀化控制。

Description

基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺
技术领域
本发明属于锻造技术领域，具体涉及的是基于混晶调控的大型轴类件终锻成形的反向控制工艺。
背景技术
大型轴类件通常经多火次锻造完成，在考虑压机载荷的同时，为了防止锻件开裂，各火次或者同一火次间会对坯料回炉加热并保温，导致上一火次锻后细化的晶粒往往会因下一火次回炉加热、保温或变形而再次长大，出现粗晶或者混晶的现象，所以锻件最终成形和晶粒组织的细匀化控制需要通过最后一火次来完成，因此对大型轴类件终锻成形工艺的控制至关重要。以拔长为基本工艺的大型轴类件终锻成形时，由于温度场和应变场分布不均匀，加之轴类件各阶梯轴锻造先后顺序不同，加重了锻后混晶的现象。锻后严重的混晶组织会给进一步的热处理工艺带来困难，导致产品屈服强度，塑性和冲击韧性下降，脆性转变温度将升高，制约大锻件的使用性能和服役水平。
当前，在锻造工艺方面，Subramanian和Zhu等研究了“多道次轧制工艺中晶粒尺寸控制和混晶的消除”，提出应完全抑制道次间静态再结晶的发生来消除混晶现象。Miao等研究表明，完全静态再结晶时存在一个晶粒均匀形核的变形温度范围，在非再结晶温度范围内，若工艺设计不当，可能会触发局部动态再结晶，从而导致混晶的形成。陈飞等通过数值模拟与物理模拟研究发现提高变形均匀性可有效控制晶粒组织的不均匀现象。在热处理工艺方面，张思清等通过比较几种热处理工艺对1Cr12Mo耐热钢粗大晶粒的影响，指出两次亚温淬火+高温回火能够使该材料获得细小的晶粒组织。陈睿恺以30Cr2Ni4MoV钢为研究对象，提出了等温转变能有效地细化锻后奥氏体晶粒。陶新刚通过过冷奥氏体等温转变来细化X12钢的奥氏体晶粒，对其晶粒细化的机制进行了阐述，设计了合理的锻后热处理工艺，能够有效的切断超超临界转子钢的组织遗传现象。由上可知锻造和热处理过程中晶粒组织控制的研究已有大量报道，但这些学者大多将二者剥离开分别进行研究的，忽略了锻造与热处理工艺对晶粒组织调控的界面问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，解决大型轴类锻件终锻成形工艺晶粒组织细匀化控制的技术问题，本发明提供一种基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺。
本发明的设计构思为：针对大型轴类锻件“因大而生”的混晶问题，结合多道次非连续热锻实验与等温热处理实验进行探索，通过分析锻造-热处理工艺界面上的混晶度演变及作用，确定锻造晶粒不均匀的工艺容限，建立大型轴类锻件终锻成形的最佳锻造工艺窗口，在此基础上探索和提出面向大型轴类锻件终锻成形的反向控制锻造工艺分析与设计方法，从而创新大型轴类锻件终锻成形工艺，最终实现大型轴类锻件晶粒组织的细匀化控制。
本发明通过以下技术方案解决背景技术部分所述现有技术中存在的不足：
基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺，包括以下步骤：
S1、建立终锻成形锻造工艺窗口：
S1-1、根据锻态钢锭的裂纹萌生临界变形量模型，绘制裂纹萌生临界工艺曲线，工艺曲线下方的区域为锻造工艺安全区域；
S1-2、采用上平砧、下V砧拔长工艺，以热变形温度T为横坐标，以锻比为纵坐标，绘制坯料横截面平均晶粒尺寸为75μm时的曲线，曲线上方为平均晶粒尺寸细小区域；
S1-3、根据锻后热处理能接受的终锻成形后晶粒组织混晶度等级要求，绘制同一混晶度等级的工艺容限曲线，工艺容限曲线的外侧区域为满足锻后热处理混晶度等级要求的工艺容限区域；
S1-4、将上述步骤S1-1～S1-3绘制的锻造工艺安全区域、平均晶粒尺寸细小区域与工艺容限区域叠加在同一坐标系中，重合区域即为大型轴类锻件的锻造工艺窗口；
S2、通过步骤S1建立的终锻成形锻造工艺窗口参数确定最后一火次各阶梯轴的锻造顺序、初始锻造温度和锻比，从而反推最后一火次锻造前坯料的形状尺寸，并将坯料预锻成若干直径不同的阶梯轴，最终完成大型轴类件终锻成形工艺的反向控制。
进一步地，所述步骤S1-1包括以下步骤：
S1-1-1、根据高温拉伸实验获得应力-应变曲线，曲线上峰值应变点作为裂纹萌生标志点，在该点进行卸载实验，然后测量卸载后试样缩颈处的最小直径；
S1-1-2、基于NormalizedCockcroft&Latham准则，采用DEFORM-2D软件模拟步骤S1-1-1相同变形条件下的高温拉伸卸载实验，直至模拟卸载后试样缩颈处的最小直径与步骤S1-1-1卸载实验后试样缩颈处的最小直径一致时，从DEFORM-2D软件读出此时的最大损伤值，即为裂纹萌生临界损伤值，并且拟合得到裂纹萌生临界损伤值模型；
S1-1-3、根据裂纹萌生临界损伤值模型，获得各变形条件下的临界损伤值，基于DEFORM-3D软件进行镦粗实验，当圆柱鼓肚外缘部位的最大损伤值达到对应变形条件下的临界损伤值时，读取此时对应的变形量，即为临界变形量，拟合各变形条件下临界变形量与各变形参数之间的关系，获得临界变形量模型；
S1-1-4、将临界变形量换算成锻比，绘制裂纹萌生临界工艺曲线。
进一步地，所述步骤S1-2包括以下步骤：
S1-2-1、采用DEFORM-3D软件对大型轴类锻件的钢锭进行上平砧、下V砧拔长工艺数值模拟；
S1-2-2、通过步骤S1-2-1数值模拟获得坯料横截面各位置处的平均晶粒尺寸，当横截面内的平均晶粒尺寸为75μm时，记录此时的锻比；
S1-2-3、将步骤S1-2记录的锻比作为纵坐标，以热变形温度T为横坐标，绘制坯料横截面平均晶粒尺寸为75μm时的曲线。进一步地，实际锻造过程中根据所需平均晶粒尺寸，在坯料横截面平均晶粒尺寸细化工艺曲线上方选择相应的锻比。
进一步地，所述步骤S1-3包括以下步骤：
S1-3-1、采用上平砧、下V砧进行大型轴类锻件钢锭的终锻拔长实验，对锻后坯料横截面各位置处晶粒组织的混晶度等级进行评价；
S1-3-2、取锻后坯料混晶度等级最大位置处的试样进行等温热处理实验，对热处理后各位置处晶粒组织的混晶度等级再次进行评定；
S1-3-3、对比各变形条件下步骤S1-3-1锻后晶粒组织的混晶度等级与步骤S1-3-2等温热处理后晶粒组织的混晶度等级，确定锻后热处理工艺能够接受的混晶度等级容限为5级；
S1-3-4、绘制混晶度等级均为5级时的工艺容限曲线。
进一步地，所述步骤S1-3-2中等温热处理步骤为：首先，以15℃/s的冷却速度冷却至700℃保温120h，切断组织遗传现象；然后，以15℃/s的加热速度加热至950℃保温1h。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明充分考虑了锻造-热处理工艺界面上的混晶度演变及作用，确定了锻造晶粒不均匀的工艺容限，建立大型轴类件终锻成形的最佳锻造工艺窗口，探索了面向大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺分析与设计方法，最终优化了大型轴类锻件的终锻成形工艺。
附图说明
图1为拔长工艺示意图；
图2为具体取样位置示意图；
图3为各变形条件下锻后坯料横截面P3位置处的显微组织形貌图；其中，图(a1)～(a3)的锻比为1.1，图(b1)～(b3)的锻比为1.2，图(c1)～(c3)的锻比为1.3，图(d1)～(d3)的锻比为1.4，图(e1)～(e3)的锻比为1.5，各图中加热温度均为1180℃～1250℃；
图4为各变形条件下锻后坯料横截面P3位置处的试样经等温热处理后的显微组织形貌图；其中，图(a1)～(a3)的锻比为1.1，图(b1)～(b3)的锻比为1.2，图(c1)～(c3)的锻比为1.3，图(d1)～(d3)的锻比为1.4，图(e1)～(e3)的锻比为1.5，各图中加热温度均为1180℃～1250℃；
图5为各变形条件下锻后晶粒组织的混晶度等级与等温热处理后的混晶度等级对比图；
图6为裂纹萌生临界工艺曲线图；
图7为坯料横截面平均晶粒尺寸细化工艺曲线图；
图8为满足热处理混晶度等级容限的工艺曲线图；
图9为锻态12％Cr超超临界转子钢的最佳终锻成形工艺窗口；
图10超超临界中压转子成品锻件示意图；
图11超超临界中压转子最后一火锻前初始形状尺寸示意图；
图12超超临界中压转子最后一火锻后形状尺寸示意图；
图13超超临界中压转子各阶梯轴横截面晶粒尺寸分布图；其中，图(a)为图12中Ⅰ-Ⅰ段的截面图；(b)为图12中Ⅱ-Ⅱ段的截面图；(c)为图12中Ⅲ-Ⅲ段的截面图；(d)为图12中Ⅳ-Ⅳ段的截面图；(e)为图12中Ⅴ-Ⅴ段的截面图；
图14缩比实验后各轴段锻后坯料横截面P3位置处的晶粒组织截面图；其中，图(a)为图12中Ⅰ-Ⅰ段的截面图；(b)为图12中Ⅱ-Ⅱ段的截面图；(c)为图12中Ⅲ-Ⅲ段的截面图；(d)为图12中Ⅳ-Ⅳ段的截面图；(e)为图12中Ⅴ-Ⅴ段的截面图；
图15各轴段锻后坯料横截面P3位置处的平均晶粒尺寸实验值与模拟值对比图；
图16缩比实验后各轴段热处理后坯料横截面P3位置处的晶粒组织图；其中，图(a)为图12中Ⅰ-Ⅰ段的截面图；(b)为图12中Ⅱ-Ⅱ段的截面图；(c)为图12中Ⅲ-Ⅲ段的截面图；(d)为图12中Ⅳ-Ⅳ段的截面图；(e)为图12中Ⅴ-Ⅴ段的截面图；
图17锻造和热处理实验后各轴段P3位置处的混晶度等级对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
根据本领域技术人员的公知常识，本发明中所述“大型轴类锻件”特指通过1000吨以上液压机、5吨以上自由锻锤锻造生产的自由锻件及由6000吨以上热模锻设备、10吨以上模锻锤生产的轴类锻件。
(一)、基础研究
一、实验方法
如图1所示，通常大型轴类锻件的终锻成形工艺为上平砧、下V砧拔长工艺，具体取样位置如图2所示。
对不同变形条件下拔长后坯料横截面各位置处的晶粒组织进行混晶度评定时，发现靠近坯料表面位置P3和P5处由于变形不均匀，其混晶度等级是坯料整个横截面上最大的，故选取各变形条件下锻后坯料P3位置处的试样代替大型转子终锻成形后的试样进行热处理实验，热处理实验采用陶新刚博士提出的等温热处理方法，以15℃/s的冷却速度冷却至700℃保温120h，切断组织遗传现象；然后以15℃/s的加热速度加热至950℃保温1h，水冷后对其进行金相腐蚀，观察微观组织形貌。
二、锻后晶粒组织
图3所示为各变形条件下锻后坯料横截面P3位置处的显微组织。从图3(a1)～(a3)观察到原奥氏体晶界大多呈锯齿状，仅有少量再结晶小晶粒出现。锻比1.2时，从晶粒细匀化程度来看，各变形温度的晶粒组织与锻比1.1时的晶粒组织相比都得到了明显细化，但由于再结晶的发生，局部视野内混晶现象极其严重，如图3(b1)～(b3)所示。当锻比增加至1.3时，从图3(c1)～(c3)看出各变形温度下P3位置处的晶粒尺寸得到了进一步细化，并且锻造温度越高晶粒细化程度越大，但依然能够看到较大的原始粗晶。锻比增加至1.4时，从图3(d1)～(d3)来看晶粒均匀性与锻比1.3时有所提高，但依旧不是很均匀。从图3(e1)～(e3)看出锻比1.5时各锻造温度下P3位置处的混晶现象进一步得到改善，晶粒组织更均匀细小。
三、热处理后晶粒组织
图4所示为各变形条件下锻后坯料横截面P3位置处的试样经等温热处理后的显微组织。与图3对比可知相同变形条件下等温热处理后的晶粒组织较锻后晶粒组织的细匀化程度得到了明显提高，说明等温热处理能够有效的改善锻后晶粒组织均匀化程度。
(二)、在实验前基础性研究的前提下，对锻造-热处理工艺界面上的混晶度演变及作用进行研究
对锻后和等温热处理实验后的晶粒组织进行晶粒度等级和混晶度等级评定，评定结果分别如表1和表2所示。
表1各变形条件下锻后与热处理后的平均晶粒尺寸对比
表2锻后混晶度等级(MF)与热处理后混晶度等级(MH)对比
Note:MF—mixedgrainsgradeafterforging,MH—mixedgrainsgradeafterheattreatment
由表1和表2可知，相同变形条件下等温热处理后的晶粒组织较锻后晶粒组织的细匀化程度得到了明显改善。
图5所示为二者的混晶度等级对比情况，图中平面上方代表混晶度等级大于3级，平面代表混晶度等级等于3级，平面下方代表混晶度等级小于3级。通常对于超超临界中压转子成品锻件来说，当混晶度等级超过3级时即判定存在混晶缺陷，从图5中观察到热处理后仍有一部分变形条件下的混晶度等级超过3级，表明等温热处理对锻后混晶缺陷的控制存在一定的工艺容限。从表2中的对比情况可知当锻后晶粒组织的混晶度等级大于5级时经等温热处理后其混晶度等级依然大于3级，即混晶缺陷依旧存在；当锻后晶粒组织的混晶度等级低于5级时经热处理后其混晶度等级均小于3级，满足中压转子成品对混晶度等级的要求。由此推断在中压转子混晶缺陷的消除方面，锻造-热处理工艺之间的界面为5级混晶度等级，即锻后热处理对混晶缺陷控制的工艺容限为5级。
(三)、基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺，包括以下步骤：
S1、建立终锻成形锻造工艺窗口：
本发明中，上平下V砧终锻拔长实验常在液压机上进行，该类设备运行时应变速率一般在0.1s-1左右。因此以应变速率为0.1s-1的工艺条件为例，在确保终锻成形后转子不产生裂纹的前提下，其晶粒组织实现细匀化同时满足锻后热处理工艺对混晶度等级的容限要求，结合数值模拟与物理实验，得到了转子终锻成形时的最佳锻造工艺窗口，具体步骤为：
S1-1、根据锻态钢锭的裂纹萌生临界变形量模型，绘制裂纹萌生临界工艺曲线，工艺曲线下方的区域为锻造工艺安全区域；
S1-1-1、根据高温拉伸实验获得应力应变曲线，曲线上峰值应变点作为裂纹萌生标志点，在该点进行卸载实验，然后测量卸载后试样缩颈处的最小直径；
S1-1-2、基于NormalizedCockcroft&Latham准则，采用DEFORM-2D软件模拟步骤S1-1-1相同变形条件下的高温拉伸卸载实验，直至模拟卸载后试样缩颈处的最小直径与步骤S1-1-1卸载实验后试样缩颈处的最小直径一致时，从DEFORM-2D软件读出此时的最大损伤值，即为裂纹萌生临界损伤值，并且拟合得到裂纹萌生临界损伤值模型；
S1-1-3、根据裂纹萌生临界损伤值模型，获得各变形条件下的临界损伤值，由于临界损伤值在实际锻造过程不能直接得到，故需要将其转化为临界变形量，基于DEFORM-3D软件进行镦粗实验，当圆柱鼓肚外缘部位的最大损伤值达到对应变形条件下的临界损伤值时，读取此时对应的变形量，即为临界变形量，拟合各变形条件下临界变形量与各变形参数之间的关系，获得临界变形量模型；
S1-1-4、将临界变形量换算成锻比，绘制裂纹萌生临界工艺曲线，如图6所示。
S1-2、采用上平砧、下V砧拔长工艺，以热变形温度T为横坐标，以锻比为纵坐标，绘制坯料横截面平均晶粒尺寸为75μm时的曲线，包括以下步骤：
S1-2-1、采用DEFORM-3D软件对大型轴类锻件的钢锭进行上平砧、下V砧拔长工艺数值模拟；
S1-2-2、通过步骤S1-2-1数值模拟获得坯料横截面各位置处的平均晶粒尺寸，当横截面内的平均晶粒尺寸为75μm时，记录此时的锻比。所述步骤S1-2-2中锻比的选取为图7所示箭头方向，实际锻造过程中根据所需平均晶粒尺寸在该区域内延箭头方向选择相应锻比即可；
S1-2-3、将步骤S1-2-2记录的锻比作为纵坐标，以热变形温度T为横坐标，绘制坯料横截面平均晶粒尺寸细化工艺曲线，曲线上方为平均晶粒尺寸细小区域，如图7所示。
S1-3、根据锻后热处理能接受的终锻成形后晶粒组织混晶度等级要求，绘制同一混晶度等级的工艺容限曲线，包括以下步骤：
S1-3-1、采用上平下V砧进行12％Cr超超临界转子钢的终锻拔长实验，对锻后坯料横截面各位置处晶粒组织的混晶度等级进行评价，发现坯料P3位置处的混晶度等级最大；
S1-3-2、取锻后坯料混晶度等级最大位置处的试样进行等温热处理实验，等温热处理步骤为：首先，以15℃/s的冷却速度冷却至700℃保温120h，切断组织遗传现象；然后，以15℃/s的加热速度加热至950℃保温1h，对热处理后各位置处晶粒组织的混晶度等级再次进行评定；
S1-3-3、对比各变形条件下步骤S2-3-1锻后晶粒组织的混晶度等级与步骤S1-3-2等温热处理后晶粒组织的混晶度等级，可知等温热处理后晶粒组织的细匀化程度得到了明显改善，但对比发现当锻后晶粒组织的混晶度等级大于5级时经等温热处理后其混晶度等级依然大于3级(即仍然存在混晶缺陷)，确定锻后热处理工艺能够接受的混晶度等级容限为5级；
S1-3-4、以各变形条件下坯料横截面晶粒组织的混晶度等级小于等于5级时的锻比为纵坐标，绘制满足锻后热处理混晶度等级工艺容限的工艺曲线，工艺容限曲线的外侧区域为满足锻后热处理混晶度等级要求的工艺容限区域，如图8所示。
S1-4、将上述步骤S1-1～S1-3绘制的锻造工艺安全区域、平均晶粒尺寸细小区域与工艺容限区域叠加在同一坐标系中，重合区域即为大型轴类锻件的锻造工艺窗口，如图9所示。
S2、通过步骤S1建立的终锻成形锻造工艺窗口参数确定最后一火次各阶梯轴的锻造顺序、初始锻造温度和锻比，反推最后一火次锻造前坯料的形状尺寸，从而将坯料预锻成若干直径不同的阶梯轴，最终完成大型轴类锻件终锻成形工艺的反向控制
以下采用12％Cr超超临界中压转子成品锻件作为本发明所述的“大型轴类锻件”，12％Cr超超临界转子钢因具有极佳的蠕变持久强度和抗腐蚀能力等综合力学性能被广泛的用作超超临界高中压转子材料，由于转子长期工作在高速旋转、高温和高压的恶劣环境中，因而对其质量要求极高。
(一)、工艺方案制定
如图10所示，中压转子成品共有五个直径不同的阶梯轴，并且最大和最小轴段之间直径尺寸相差较大，若采用最后一火直接锻出五个轴段会导致最小直径轴段处的锻比过大，超出最佳锻造工艺窗口，导致裂纹萌生。
在本实施例中，如图11所示，通过锻造工艺窗口参数反推最后一火次锻前坯料的形状尺寸，在最后一火次锻前先将坯料锻出三个直径不同的阶梯轴1-1段(长度为3500mm，Φ1500mm)、2-2段(长度为2000mm，Φ1280mm)和3-3段(长度为1330mm，Φ1700mm)。然后根据反推的锻造工艺参数安排最后一火次各阶梯轴的锻造顺序、初始锻造温度和锻比，最终锻出中压转子成品五个不同直径部分的阶梯轴段，如图12所示，分别记为Ⅰ-Ⅰ段(长度为4335mm，Φ1300mm)、Ⅱ-Ⅱ段(长度＞1000mm，Φ1060mm)、Ⅲ-Ⅲ段(长度为700mm，Φ1010mm)、Ⅳ-Ⅳ段(长度＞1300mm，Φ880mm)和Ⅴ-Ⅴ段(长度为1000mm，Φ720mm)，具体各轴段最后一火次锻造工艺参数控制情况，如表3所示。由表3可知，轴段Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ分别由锻前1-1轴段、2-2轴段和3-3轴段经多道次非连续拔长后直接锻成，而轴段Ⅳ-Ⅳ和Ⅴ-Ⅴ是分别在轴段Ⅲ-Ⅲ和Ⅱ-Ⅱ的基础上经多道次非连续拔长后锻成。
表3超超临界中压转子终锻成形工艺控制表
(2)工艺的数值模拟分析
基于表3所示的最后一火次锻造工艺参数的制定情况，对转子最后一火次锻造过程进行数值模拟，初始坯料形状尺寸如图11。模拟结果如图12所示，由图12可知，工件成形良好，各轴锻尺寸全部满足图10中超超临界中压转子成品锻件的形状尺寸要求，并且为后续机加工留有余量。
图13所示为各轴段横截面晶粒尺寸分布情况，观察可知锻后各轴段的平均晶粒尺寸相差不大，整体均匀性较好，并且越靠前轴段横截面的晶粒尺寸分布越均匀。这是由于各轴段锻造顺序不同，譬如最先开始锻造的轴段Ⅰ-Ⅰ锻比虽然较小，虽不能充分发生动态再结晶机制来细化晶粒，但该轴段锻后保温时间却是这几个阶梯轴中最长的，能够充分利用道次间静态再结晶机制和亚动态再结晶机制来促使整个轴段晶粒细匀化，所以该轴段处晶粒尺寸分布最均匀，同时也说明了道次间再结晶机制在坯料晶粒组织细匀化过程中占有重要地位。考虑到越靠后锻成的轴段静态保温时间越短，道次间再结晶机制发生越不充分，故在锻比的制定上越靠后锻成的轴段相对比靠前锻成的轴段锻比较大，以此增加动态再结晶机制的细匀化作用，从而促使转子整体晶粒细匀化程度的提高。
(3)工艺的缩比实验验证
根据创新后的转子终锻成形工艺，在500N液压机上对超超临界中压转子的五个轴段进行1:10的缩比实验，各轴段锻比、初始锻造温度和锻造保温时间的控制与数值模拟过程一致。图14所示为各轴段坯料横截面上P3位置处的锻后晶粒组织，通过截线法测量各轴段P3位置处平均晶粒度等级均大于3级。图15所示为各轴段锻后坯料横截面P3位置处的平均晶粒尺寸实验值与模拟值对比情况，观察可知实验值与模拟值具有较好的一致性，二者最大误差不超过10.7％，这说明数值模拟准确性较高。对各轴段锻后横截面上P3位置处的晶粒组织进行混晶度等级评价，轴段Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ和Ⅴ-Ⅴ横截面上P3位置处的混晶度等级评价结果分别为3.08、3.42、4.03、3.95和4.78。
图16所示为缩比实验后转子各轴段坯料横截面P3位置处的试样进行等温热处理后的晶粒组织，观察可知热处理后晶粒组织明显细匀化，通过截线法测量各轴段Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ和Ⅴ-Ⅴ横截面上P3位置处的晶粒度等级均在7～8级之间。图17所示为热处理实验后各轴段P3位置处的混晶度等级与锻后相同位置混晶度等级的对比情况，由图可知热处理后的混晶度等级均小于2.5级。即基于优化后的转子终锻成形工艺后，采用等温热处理实验能够实现晶粒度等级在7～8级之间、混晶度等级小于2.5级的转子，满足超超临界中压转子成品对平均晶粒度等级和混晶度等级的需求，从而验证了超超临界中压转子创新后终锻成形工艺的优越性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺，其特征在于包括以下步骤：
S1、建立终锻成形锻造工艺窗口：
S1-1、根据锻态钢锭的裂纹萌生临界变形量模型，绘制裂纹萌生临界工艺曲线，工艺曲线下方的区域为锻造工艺安全区域；所述步骤S1-1包括以下步骤：
S1-1-1、根据高温拉伸实验获得应力-应变曲线，曲线上峰值应变点作为裂纹萌生标志点，在该点进行卸载实验，然后测量卸载后试样缩颈处的最小直径；
S1-1-2、基于NormalizedCockcroft&Latham准则，采用DEFORM-2D软件模拟步骤S1-1-1相同变形条件下的高温拉伸卸载实验，直至模拟卸载后试样缩颈处的最小直径与步骤S1-1-1卸载实验后试样缩颈处的最小直径一致时，从DEFORM-2D软件读出此时的最大损伤值，即为裂纹萌生临界损伤值，并且拟合得到裂纹萌生临界损伤值模型；
S1-1-3、根据裂纹萌生临界损伤值模型，获得各变形条件下的临界损伤值，基于DEFORM-3D软件进行镦粗实验，当圆柱鼓肚外缘部位的最大损伤值达到对应变形条件下的临界损伤值时，读取此时对应的变形量，即为临界变形量，拟合各变形条件下临界变形量与各变形参数之间的关系，获得临界变形量模型；
S1-1-4、将临界变形量换算成锻比，绘制裂纹萌生临界工艺曲线；
S1-2、采用上平砧、下V砧拔长工艺，以热变形温度T为横坐标，以锻比为纵坐标，绘制坯料横截面平均晶粒尺寸为75μm时的曲线，曲线上方为平均晶粒尺寸细小区域；所述步骤S1-2包括以下步骤：
S1-2-1、采用DEFORM-3D软件对大型轴类锻件的钢锭进行上平砧、下V砧拔长工艺数值模拟；
S1-2-2、通过步骤S1-2-1数值模拟获得坯料横截面各位置处的平均晶粒尺寸，当横截面内的平均晶粒尺寸为75μm时，记录此时的锻比；
S1-2-3、将步骤S1-2-2记录的锻比作为纵坐标，以热变形温度T为横坐标，绘制坯料横截面平均晶粒尺寸为75μm时的曲线；
S1-3、根据锻后热处理能接受的终锻成形后晶粒组织混晶度等级要求，绘制同一混晶度等级的工艺容限曲线，工艺容限曲线的外侧区域为满足锻后热处理混晶度等级要求的工艺容限区域；所述步骤S1-3包括以下步骤：
S1-3-1、采用上平砧、下V砧进行大型轴类锻件钢锭的终锻拔长实验，对锻后坯料横截面各位置处晶粒组织的混晶度等级进行评价；
S1-3-2、取锻后坯料混晶度等级最大位置处的试样进行等温热处理实验，对热处理后各位置处晶粒组织的混晶度等级再次进行评定；
S1-3-3、对比各变形条件下步骤S1-3-1锻后晶粒组织的混晶度等级与步骤S1-3-2等温热处理后晶粒组织的混晶度等级，确定锻后热处理工艺能够接受的混晶度等级容限为5级；
S1-3-4、绘制混晶度等级均为5级时的工艺容限曲线；
S1-4、将上述步骤S1-1～S1-3绘制的锻造工艺安全区域、平均晶粒尺寸细小区域与工艺容限区域叠加在同一坐标系中，重合区域即为大型轴类锻件的锻造工艺窗口；
S2、通过步骤S1建立的终锻成形锻造工艺窗口参数确定最后一火次各阶梯轴的锻造顺序、初始锻造温度和锻比，反推最后一火次锻造前坯料的形状尺寸，从而将坯料预锻成若干直径不同的阶梯轴，最终完成大型轴类锻件终锻成形工艺的反向控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺，其特征在于：实际锻造过程中根据所需平均晶粒尺寸，在坯料横截面平均晶粒尺寸细化工艺曲线上方选择相应锻比。
3.根据权利要求1所述的一种基于混晶调控的大型轴类锻件终锻成形的反向控制工艺，其特征在于：所述步骤S1-3-2中等温热处理步骤为：首先，以15℃/s的冷却速度冷却至700℃保温120h，切断组织遗传现象；然后，以15℃/s的加热速度加热至950℃保温1h。
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