锻件热变形过程中硬性夹杂物的破碎与弥散机理研究

The excessive amount of inclusions is one of the main reasons of unqualified high-end large-scale free forging and vital aviation die forgings. Modern forging process still play important role to break the rigid inclusions and make them dispersed in the hot forging process. Due to the lack of scientific explanations for the breakage and migration and dispersion of rigid inclusions in the metal matrix, the production experience is still important basis for the development of many forging processes. In the present research, the thermodynamic properties of Al2O3 are tested by an in-house non-metallic high temperature compression test device to study the breakage and dispersion of Al2O3 rigid inclusions in the metal matrix. The modern technology of 3D printing is introduced to prepare the metal specimens with fixed-point implanted Al2O3 and randomly implanted Al2O3. The deformation properties of Al2O3 under high temperature and mechanical conditions of Al2O3 inclusions breakage are obtained, through a series of thermal deformation experiments, to reveal the dispersion law of Al2O3 inclusions under the condition of thermal deformation. Combined with finite element numerical simulation, ultimately, the numerical analysis method and process rules of a forging process parameters and Al2O3 rigid inclusions diffusion behavior are formed to provide theoretical support for the production of high-end large-scale forging and vital aviation forgings.

夹杂物超标是高端大型自由锻件和重要航空模锻件不合格的主要原因之一。在热锻过程中将非金属硬性夹杂物破碎并使其弥散，依然是现代锻造工艺的重要作用之一。由于缺乏对硬性夹杂物在金属基体内部破碎、迁移和弥散行为的科学解释，所以到现在为止，生产经验依然是许多锻造工艺制定的重要依据。针对Al2O3硬性夹杂物在金属基体内部的破碎和弥散问题，本项目拟通过自行研制的非金属高温压缩实验装置对Al2O3的热力学性能进行测试，引进现代3D打印技术制备内部定点植入Al2O3的金属试样和内部随机植入Al2O3的锻件试样，通过系列热变形实验，获得Al2O3的高温变形性能和Al2O3夹杂物破碎的力学条件，揭示Al2O3夹杂物在热变形条件下的弥散规律。结合有限元数值模拟，最终形成关于锻造工艺参数与Al2O3硬性夹杂物破碎弥散行为的数值分析方法及工艺规则，为高端大型锻件和重要航空锻件的生产提供理论支持。

大型锻件被广泛应用于国防军工、航空航天等重要领域，其生产能力与产品质量是衡量国家工业发展水平的重要标志。目前我国由于整体锻造水平较为落后，导致锻件合格率偏低，由此造成的巨大经济损失与能源浪费在一定程度上制约着我国的经济发展与工业建设。.钢中非金属夹杂物的存在通常会导致锻件力学性能和服役性能的大幅下降甚至报废,由于服役环境恶劣，具有较高质量要求的大型锻件对非金属夹杂物的尺寸及分布状态有严格的限制。通过冶炼工艺不能完全避免基体中非金属夹杂物存在，必须在锻造环节通过热变形将其破碎并使其随基体金属的进一步变形而迁移和弥散。.Al2O3夹杂作为最典型的硬性夹杂物，常常因与基体材料的不协调变形而发生自身的破碎及其与基体材料的脱黏现象，这也是锻造裂纹的主要来源。现阶段对于Al2O3夹杂锻造过程变形行为的研究较少，其高温破碎机理与变形特征尚不明确，同时对锻造工艺的制订缺乏科学合理的指导。本项目采用高温烧结方法制备了具有不同气孔率的Al2O3夹杂，通过夹杂热压缩实验获取了其在高温变形下的力学响应，建立了夹杂高温破碎强度的预测模型。采用3D打印方法结合粉末冶金方法制备了内置夹杂物的金属试样，通过单向镦粗和复杂路径锻造变形实验分析了各因素对Al2O3夹杂破碎和弥散行为的影响规律，并搭建了用于跨尺度分析夹杂物破碎与弥散行为的有限元模拟平台。.本项目为实现Al2O3夹杂的有效破碎与弥散提供了相关理论支撑，对促进相关锻造成形技术的创新与进步具有一定的指导作用。