镍基合金管材挤压变形机理

目前镍基合金管材极具市场需求，又尚缺系统的挤压控制理论，加之又引进国内最大6000吨卧式挤压机（宝钢），造成高速大吨位镍基合金挤压生产几近空白。因此本项目以对镍基合金管材热挤压的理论和工艺优化体系提出迫切要求的关键科学问题作为研究对象。以申请人初步试验和计算获得的镍基合金热加工过程组织控制、材料变形行为与高速大变形特点有明显互作用的研究积累为突破口，以北科大和宝钢特殊钢分公司在研究领域的长期合作和完备的研发基地为研究基础。通过理论分析、实验、数值模拟及现场实验，围绕镍基合金管材热挤压特点，结合材料学特征重点开展挤压过程材料学行为、热效应、摩擦润滑和模具磨损及力能参数表征等突出的科学问题进行系统研究。据此，针对宝钢引进的大型挤压机开展工艺优化和坯料、模具优化设计的应用研究，建立科学可行的镍基合金管材热挤压理论体系、实际生产有效的理论指导，为我国镍基合金热挤压管材的制备奠定理论和设计基础。

围绕镍基合金管材热挤压特点，开展了镍基合金热变形过程的相演变、热变形过程的组织演变、有限元计算模型及组织预报模型的建立及热挤压工艺的优化设计等方面的研究，取得了大量的实验数据和工艺优化的理论依据，并给出了镍基合金管材热挤压组织可控工艺优化控制的通用研究方法，最终利用研究成果，成功地挤出了国内首支700℃超超临界电站用740H管材，满足了ASME标准要求，验证了提出的可控挤出性准则的实用性。对典型镍基合金在现行热加工规范范围内的析出相回溶和随后脱溶规律进行了系统研究。建立了镍基合金管材可控挤出性的各项准则，包括：温度准则、载荷准则、组织准则、润滑准则、模具准则和荒管组织精确控制准则。首先结合传热学、流体力学及有限元模拟，建立了玻璃润滑膜厚度、完成一次热挤压所需玻璃垫厚度的理论计算方法。并结合具体的挤压设备和工艺条件，提出了基于模具润滑、模具最高工作温度的润滑准则和模具准则。通过物理模拟实验、数值模拟计算和理论分析得到了热挤压过程中主要工艺参数对管坯温度分布、挤压载荷变化的影响规律，并利用热力学计算、力学性能测试以及现场设备调研制定了判定标准，由此建立了管材可挤出性的温度准则和载荷准则；通过基于耗散理论的组织分析方法，建立了可挤出性组织准则，并以此划分出对管材挤压利弊不同的加工区间；通过构建合金热变形的动态再结晶和晶粒长大数学模型，并将其耦合于有限元软件之中，得到了挤压工艺参数对荒管组织的影响规律，由此建立了热挤压荒管的组织精确控制准则。分别针对以上各单一准则，对镍基合金管材热挤压的工艺参数进行优选。. 进一步考虑了单一准则间的交互作用，提出了综合各准则互关联基础上的再优化分析方法，建立镍基合金管材的可控挤出性准则，并阐述了使用该准则优选挤压工艺参数的研究方法：首先筛选出满足单一准则的工艺参数范围，将某工艺参数适合于不同准则的区间进行比较，计算各区间的交集，得到符合可控挤出性的优选工艺参数。利用可控挤出性准则优选出管坯预热温度为1160℃，挤压初始速度为100mm/s，挤压比为5.9的工艺参数组合，成功热挤压出国内首支满足组织控制要求的740H荒管，同时得到生产高质量740H合金管材全过程的主要工艺参数。. 总之，建立的组织可控的挤出性准则及研究方法能够为国内的镍基合金管材热挤压提供理论依据和可操作的工艺优选方法。