CN115740312A - 核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，坯料放置在带凹槽和限位的扩孔内模上，上砧下压、芯棒带动坯料旋转进行模锻约束变形，包括：690镍基合金钢锭切除处理，至少两镦两拔开坯；锻件扩孔成形，始锻温度为1000～1220℃，终锻温度≥850℃；每次压下量≥当前坯料厚度的12％，每次压下结束后坯料沿逆时针转动18°，进行第二次压下，重复压下、旋转直至目标锻件尺寸，性能热处理，超声波、尺寸、无损、微观组织与性能和晶间腐蚀检测，检测合格即得。本发明相较于环轧工艺生产效率更高，在锻件变形区域内实现三向压应力状态，提高镍基合金锻件产品的综合力学性能。

Description

核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔 成形方法

技术领域

本发明涉及核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法。

背景技术

大型锻件是指1000吨以上锻造水压机生产的自由锻件，可以将其分为大型轴类件、大型饼类件和大型环件。大型环件作为大型锻件的关键类别，在航空航天、核电、石化、交通及深海等重要工业领域具有十分广泛的应用，其生产能力和技术水平是衡量一个国家的工业发展水平和关键技术装备自给能力的重要标准。随着我国经济水平不断发展，综合国力不断增强，工业生产也面临着国际、国内竞争等各种严峻挑战。因此，提升大型环件生产过程中的质量控制水平，保障大型环件在使用过程中的安全性和可靠性，对于提高我国工业发展水平和国际竞争力具有重要作用。

核岛镍基合金异形环件属核岛堆芯关键承重构件，安装于压力壳内，其内部安装核燃料组件。主要功能为核燃料组件提供定位和支撑，为控制棒启动，调整功率，停堆提供可靠导向，吸收控制棒落棒时的冲击能量，为流体介质合理分配通道，屏蔽中子和伽马射线以减少压力壳的辐射损伤，为中子注量率和温度测量提供固定支撑及导向，为堆芯熔化事故下的跌落提供二次安全保障。因此，对其微观组织状态和力学性能要求严苛。

工业上制备大型环件的生产过程大致可以分为下料、墩粗、冲孔、扩孔等工序，其中扩孔工序是使坯料壁厚减薄，内、外径尺寸达到最终环件标准的重要步骤，因此也是整个工艺流程中必不可少的关键环节。坯料在扩孔过程中，内部的碳化物及粗大树枝状铸态组织被打碎，细化了内部晶粒，提升了均匀性，同时有效减少了疏松和空洞等缺陷，使环件的力学性能获得显著提升。

常用的扩孔方法包括径、轴向轧制(简称环轧)、马架扩孔等工艺，其中环轧工艺通过驱动辊带动环件旋转，同时芯辊进行径向轧制运动，使得环件壁厚减薄，内、外径增加，上、下锥辊对环件进行轴向进给，降低环件高度，最终获得目标尺寸的环件。其难点主要在于对轧制过程中各种进给速度的控制，如驱动辊转速、芯辊径向进给速度、轴向进给速度以及锥辊的后退速度等。只有各种速度条件相互匹配才能最终完成轧制过程，否则容易使环件出现各种缺陷及尺寸误差，如严重宽展、锥度、壁厚和高度不均匀、凹坑和局部压扁等缺陷。目前，对于径轴向进给速度并没有系统性理论研究。此外，在环件坯料的热变形过程中会发生动态再结晶，生成平均晶粒尺寸较小的等轴再结晶晶粒，从而起到细化原始铸态组织，提高环件综合力学性能的目的。但是由于环轧工艺在设置芯辊径向进给速度时，需要防止径向进给速度太大造成的卡辊现象及环件失稳等情况，还要考虑径、轴向速度相匹配的问题。因此，在径、轴向轧制过程中，坯料径向发生连续小变形量变形，坯料在单位时间内的变形量可能无法满足大部分晶粒动态再结晶所需的临界变形量，导致坯料最终平均晶粒尺寸相较于扩孔前没有发生明显细化，只是沿着周向被大幅度拉长。

然而，马架扩孔技术则是通过旋转芯棒带动环形坯料旋转一定角度后，再进行大压下量变形，因此可以通过单次压下达到触发材料发生动态再结晶的临界变形量，进而大幅度细化晶粒并提高材料的均质性，以提升镍基合金环件的宏微观力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，即带材料流动轴向约束的马架扩孔方法，可以成形多种截面镍基合金环形零件，由于局部变形量较大(超过材料发生动态再结晶所需要的临界应变)，比传统的轧制环件晶粒组织更细小(≥6级)。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，将坯料放置在带凹槽和限位的扩孔内模上，上砧下压、芯棒带动坯料旋转进行模锻约束变形，包括以下步骤：

步骤1：采用真空感应炉+电渣重熔的冶炼方式制备690镍基合金钢锭；

步骤2：钢锭切除处理，其中去除锭头≥6％、去除锭尾≥9％；

步骤3：切除处理后的钢锭进行至少两镦两拔的开坯处理，且锻件各区域锻造比≥5；

步骤4：锻件扩孔成形，其中锻件始锻温度为1000～1220℃，终锻温度≥850℃；每次压下量≥当前坯料厚度的12％，保证每次变形材料的应变超过690镍基合金发生动态再结晶的临界变形量；每次压下结束后，坯料沿着逆时针方向转动18°，再进行第二次压下，压机压下速率≥5毫米/秒，整个变形过程包括坯料的转动移位的时间≤12分钟，重复压下、旋转直至目标锻件尺寸；

步骤5：步骤4得到的异形环件进行性能热处理前粗加工；

步骤6：性能热处理；

步骤7：性能热处理后粗加工与超声波检测；

步骤8：尺寸检测；

步骤9：无损检测；

步骤10：微观组织与性能检测；

步骤11：晶间腐蚀检测；

步骤12：经过上述检测合格后，得到核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件。

作为优选，步骤4中，所述扩孔模具定位结构采用马架扩孔定位结构，包括马架和套于其上的带型面扩孔芯棒；

所述带型面扩孔芯棒上带有不同尺寸的环状凸起；

环形坯料套于所述马架上，其轴向内侧与所述带型面扩孔芯棒接触，其上方轴向外侧压有上扩孔砧，其下方径向外侧通过挡块固定于所述马架间。

作为优选，步骤4中，所述锻件扩孔成形的压下过程包括：所述扩孔芯棒上的环状凸起限制环件坯料的轴向流动，上扩孔砧压下完成一次变形后，再将坯料旋转一定角度，完成第二次变形，如此循环，完成环件扩孔成形。

作为优选，步骤6中，所述性能热处理的工艺过程为：(1000～1150)℃×(0.5～1.5)小时+水冷+(705-725)℃×(5～6)小时+水冷。

作为优选，步骤9中，所述无损检测包括对锻件进行超声波检验、液体渗透检验及目视检验。

作为优选，步骤10中，所述微观组织与性能检测的过程为：在沿着环件周向每隔120°取样，取样位置沿着轴向取样数≥10个，对晶粒度进行评级，同时按照国家军用行业标准(GJB)加工拉伸和冲击试样进行拉伸和落锤试验。

作为优选，步骤11中，所述晶间腐蚀检测根据GB/T 4334-2008E对各试料进行晶间腐蚀试验，试样经过650℃保温2h的敏化处理，观测材料有无晶间腐蚀倾向。

本发明提出将坯料放置带凹槽和限位的扩孔内模上，上砧下压、芯棒带动坯料旋转，取名为“带材料流动轴向约束的马架扩孔新方法”，巧妙借用模锻约束变形的工作原理，增加单次变形过程中受三向压应力材料的体积，促进热态镍基合金材料充填凸台型腔的同时，扩孔至目标尺寸。另外，将坯料放置到带轴向约束的芯棒上，具体尺寸根据环件尺寸设计，锻件变形区域始终处于相对封闭的空间，变形材料区域主要承受三向压应力，提升锻件内部质量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明相较于径、轴向轧制(简称环轧)工艺生产效率更高，能够在锻件变形区域内实现三向压应力状态，有利于锻件内部疏松等缺陷的锻合，单次变形量更大，利于触发动态再结晶，可以使环件内部晶粒尺寸进一步细化，提高镍基合金锻件产品的综合力学性能。

附图说明

图1是实施例中移动堆核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件的结构示意图。

图2是实施例中带有轴向约束凸起的扩孔芯棒结构示意图。

图3是实施例中带轴向约束变形的马架扩孔结构示意图。

图4是实施例中移动堆核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件工艺原理示意图。

图5是实施例中扩孔成形工艺过程示意图。

图6是实施例中镍基合金环件变形前后微观组织；(a)扩孔前的晶粒组织；(b)扩孔后的晶粒组织。

图7是实施例中不同截面形状镍基合金环件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，流量分配裙筒锻件由于内壁有一圈凸起小台阶，其成形技术难点在于其内壁凸起较小，作为核岛压力容器里面的承力构件要求保证锻造纤维全流线，且晶粒度≥6级，难以采用传统的环形锻件的成形工艺(环轧、马架扩孔等)进行制造：

如果采用传统的等厚环形锻件的成形工艺，从而包络内壁凸起部分，那么需要大幅增加锻件厚度，成形条件复杂，切削加工余量大，材料利用率低，生产周期长，且切削加工会割断锻造形成的纤维流线，大幅度弱化锻件服役性能；

如果采用传统马架扩孔工艺，坯料径向承受压应力，轴向承受拉应力，材料在周向流动的同时沿轴向流动，径向尺寸增长速度慢，扩孔效率相对较低，不利于坯料中心部位缺陷的消除，且材料在无额外约束的条件下，难以充填内壁凸起小台阶。

如图2和3所示，本发明采用的马架扩孔变形结构由马架、带轴向约束的扩孔芯棒及上扩孔砧构成，扩孔芯棒上带有一定尺寸的环状凸起用于限制环件坯料的轴向流动，上扩孔砧压下完成一次变形后，再将坯料旋转一定角度，完成第二次变形，如此循环，可实现环件成形。通过设置芯棒上环件凸起限制坯料沿轴向流动，使得坯料在轧制变形区内受到三向压力作用，有利于锻件内部疏松等缺陷的锻合，还可以使锻件内部晶粒尺寸进一步细化，提高综合力学性能。

芯棒上的凸起特征可根据实际情况进行调整，具体参数包括凸起高度H，间距宽度W。通过调整特征参数，可以适应不用尺寸异形镍基合金环件的锻造过程，使其达到最佳成形效果。可见，本发明的轴向限制马架扩孔工艺具有较强的组织细化能力，可降低锻件内部缺陷，提高环件径向增长效率，且可成形带有局部凸起特征的异形环件。该工艺操作简单，具备工业应用的潜力。

实施例1

本实施例提供核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，核岛堆内构件对锻件的纯净度和晶粒度有非常严苛的要求，流量分配裙筒热制造及性能检测评估，具体步骤如下：

(1)690镍基合金铸锭采用真空感应炉+电渣重熔的冶炼方式；

(2)钢锭切除处理工艺：去除锭头≥6％、去除锭尾≥9％；

(3)钢锭开坯工艺：为确保整个截面上的金属都能锻透，锻件内部组织均匀，至少进行两镦两拔，锻件各区域锻造比≥5；

(4)锻件始锻温度1200±20℃，终锻温度≥850℃；每次压下量≥当前坯料厚度的12％，确保每次变形材料的应变超过690镍基合金发生动态再结晶的临界变形量；每次压下结束后，坯料沿着逆时针方向转动18°，再进行第二次压下，压机压下速率≥5毫米/秒，整个变形过程包括坯料的转动移位的时间≤12分钟，防止温度降低导致环件变形开裂。扩孔模具定位如图4所示，压下过程如图5所示，重复压下、旋转直至目标锻件尺寸；

(5)性能热处理前粗加工：异形环件的性能热处理的外形应尽可能接近最终交货尺寸，因此性能热处理前需要对锻件进行粗加工，加工尺寸一般是在最终交货尺寸上再加一定的热处理余量，同时为了避免尖角、沟槽等结构造成固溶处理时开裂；

(6)性能热处理制度为：(1000～1150)℃×(0.5～1.5)小时+水冷+(715±10)℃×(5～6)小时+水冷；

(7)性能热处理后粗加工与超声检测：在最终机加工后，由于存在部分区域不能进行超声波检验，需要提前至最接近最终阶段的阶段检验。因此锻件在成品加工前，需进行粗加工，并进行超声波检测；

(8)尺寸检测：成品加工采用数控车床、立式车床等设备，确保尺寸精度及粗糙度满足要求。成品加工后，按采购图纸及技术规范的要求对锻件进行尺寸检测；

(9)无损检测：按图纸及技术规范的要求对锻件进行超声波检验、液体渗透检验及目视检验；

(10)微观组织与性能检测：在沿着环件周向每隔120°取样，取样位置沿着轴向取样数≥10个，对晶粒度进行评级；同时按照GJB，加工拉伸和冲击试样进行拉伸和落锤试验，图6所示为扩孔前和扩孔后，异形环件中心区域晶粒组织照片。

(11)晶间腐蚀检测试验：根据GB/T 4334-2008E法对各试料进行了晶间腐蚀试验，试样经过650℃保温2h的敏化处理，观测材料有无晶间腐蚀倾向，证明原材料的C元素含量和热处理工艺过程是否均得到有效控制。

本发明提出的“带材料流动轴向约束的马架扩孔新方法”可以成形多种截面镍基合金环形零件，由于局部变形量较大(超过材料发生动态再结晶所需要的临界应变)，比传统的轧制环件的晶粒组织更细小(≥6级)，可成形的截面形状如图7所示。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，其特征在于，坯料放置在带凹槽和限位的扩孔内模上，上砧下压、芯棒带动坯料旋转进行模锻约束变形，包括以下步骤：

步骤1：采用真空感应炉+电渣重熔的冶炼方式制备690镍基合金钢锭；

步骤2：钢锭切除处理，其中去除锭头≥6％、去除锭尾≥9％；

步骤3：切除处理后的钢锭进行至少两镦两拔的开坯处理，且锻件各区域锻造比≥5；

步骤4：锻件扩孔成形，其中锻件始锻温度为1000～1220℃，终锻温度≥850℃；每次压下量≥当前坯料厚度的12％，保证每次变形材料的应变超过690镍基合金发生动态再结晶的临界变形量；每次压下结束后，坯料沿着逆时针方向转动18°，再进行第二次压下，压机压下速率≥5毫米/秒，整个变形过程包括坯料的转动移位的时间≤12分钟，重复压下、旋转直至目标锻件尺寸；

步骤5：步骤4得到的异形环件进行性能热处理前粗加工；

步骤6：性能热处理；

步骤7：性能热处理后粗加工与超声波检测；

步骤8：尺寸检测；

步骤9：无损检测；

步骤10：微观组织与性能检测；

步骤11：晶间腐蚀检测；

步骤12：经过上述检测合格后，得到核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件。

2.核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，其特征在于，步骤4中，所述扩孔模具定位结构采用马架扩孔定位结构，包括马架和套于其上的带型面扩孔芯棒；

所述带型面扩孔芯棒上带有不同尺寸的环状凸起；

环形坯料套于所述马架上，其轴向内侧与所述带型面扩孔芯棒接触，其上方轴向外侧压有上扩孔砧，其下方通过挡块固定于所述马架间。

3.核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，其特征在于，步骤4中，所述锻件扩孔成形的压下过程包括：所述扩孔芯棒上的环状凸起限制环件坯料的轴向流动，上扩孔砧压下完成一次变形后，再将坯料旋转一定角度，完成第二次变形，如此循环，完成环件扩孔成形。

4.核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，其特征在于，步骤4中，步骤6中，所述性能热处理的工艺过程为：1000～1150℃×0.5～1.5小时+水冷+705-725℃×5～6小时+水冷。

5.核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，其特征在于，步骤4中，步骤9中，所述无损检测包括对锻件进行超声波检验、液体渗透检验及目视检验。

6.核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，其特征在于，步骤4中，步骤10中，所述微观组织与性能检测的过程为：在沿着环件周向每隔120°取样，取样位置沿着轴向取样数≥10个，对晶粒度进行评级，同时按照国家军用行业标准加工拉伸和冲击试样进行拉伸和落锤试验。

7.核岛流量分配裙筒镍基合金异形环件带轴向约束的近终扩孔成形方法，其特征在于，步骤4中，步骤11中，所述晶间腐蚀检测根据GB/T 4334-2008E对各试料进行晶间腐蚀试验，试样经过650℃保温2h的敏化处理，观测材料有无晶间腐蚀倾向。

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