新型能源装备中大型锻件均质化热制造的科学基础Word文件下载.docx
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3）大型锻件成形过程热开裂机理与预测：
研究夹杂与基体的性能差异导致夹杂性裂纹和微观裂纹扩展的条件，塑性变形路径和应力状态对夹杂性缺陷变化和脱落的影响规律。
研究典型大锻件材料的热开裂临界应变与温度和变形速度的关系和复杂变形状态下材料热开裂的损伤判据。
分析热开裂条件与宏观变形和锻造工艺参数的关系，针对镦粗、拔长、滚圆等自由锻工艺，提出避免或减少热开裂的锻造工艺参数范围；
4）成形成性多场多尺度数值模拟与工艺创新：
建立包含压实状态判别、微观组织演化、热开裂预报等成形成性指标的“精度可靠、宏微观结合”的大锻件成形数值仿真平台，形成单火多次成形连续仿真的能力。
研究核电水室封头等复杂结构大锻件锻造成形的合适工艺参数，探讨避免锻造缺陷、合理利用原材料的成形途径。
提出基于数值模拟的工艺参数评估方法和优化策略，建立不同类型大锻件的最优锻造工艺数据库。
3.针对科学问题三“热加工全流程组织、缺陷的遗传特征与最终状态控制机理”，开展以下研究：
1）大型锻件组织和缺陷的遗传和继承关系：
研究铸锭中不同晶粒形态和混合形式、异质相的不同存在方式（夹杂和异质核心）以及宏观偏析程度的锻造成形行为及其在锻造成形和热处理成性后的演变，锻造变形量和变形不均匀性对固态相变的影响。
构建晶粒、异质相和偏析在热加工全流程的变化图谱；
2）热加工制造各环节组织和缺陷的容限规则：
研究锻造成形对不同形态、尺度的铸造孔洞和异质相的改造能力，锻造成形和热处理成性对铸锭宏观偏析、晶粒尺寸和形态差异度的接受容限。
确定热加工制造各环节对组织、缺陷和变形不均匀性的容限规则；
3）锻后热处理过程中的相变行为和晶粒演化：
研究不同锻后组织和奥氏体条件下过冷奥氏体分解的相变机制、特征和动力学；
针对大型锻件加热与冷却缓慢，多次正火难以细化晶粒的问题，研究锻后多道次加热、冷却过程中的相变规律，通过预先低温奥氏体化、等温分解、阶梯分段冷却等不同方式在奥氏体内部形成不同分解产物等途径切断组织遗传的高效锻后热处理新方法；
4）锻件性能热处理中的均质化相变协同调控：
研究锻件热处理成性过程中相变和组织的时间、空间依赖性和宏、微观相关性，组织结构与强韧性、脆性间的关系，加热、冷却过程中应力应变的时间、空间变化和裂纹形成条件。
4．针对“大型锻件的虚拟热加工制造”问题开展以下研究：
1）多包合浇大型铸锭中熔体流动和宏观偏析的数值建模：
研究多包合浇过程中熔体多域流动与单包浇注参数关系的数值表征方法，通过各包成分调整铸锭宏观偏析的数值控制模型；
研究与Thermo-Calc耦合实现对大型钢锭凝固过程微观组织演变及其空间相关性的模拟和预测方法；
研究基于能量、动量、质量守恒并考虑多元混合、凝固收缩、多组元分凝和等轴晶沉降等现象的大型铸锭凝固宏观偏析数学模型及其求解算法；
2）大型锻件高温成形的多尺度多物理场耦合建模：
研究锻造过程中界面传热、辐射传热、界面摩擦系数等热、力模拟边界条件的数学模型；
宏观变形下的微观行为及其数值表达方法、应力场－温度场－组织场的耦合模型和数值仿真策略；
建立大锻件成形过程多尺度多物理场耦合作用的数值仿真平台，实现对成形过程温度场、变形场、组织和缺陷演化的多道次连续计算和模拟仿真；
3）大型锻件加热-冷却-固态相变的多体耦合建模与数值模拟：
研究大型锻件加热、冷却过程中的传热方式和多物体多场耦合综合换热的数值表达和计算策略；
将求解域扩展到对热交换有不可忽视影响的整个区域的扩展求解域模型和加热过程温度、组织和热应力及其空间变化的精确预测方法。
5.针对“大型锻件的热加工制造特点和组织评估”，开展以下研究：
1）物理模拟研究：
基于相似准则的大型钢锭多包合浇及夹杂物运动水力学模拟试验方法研究；
采用不同浓度及体积分数的流体，研究不同包次的模拟“钢水”经中包、导流管混合后在钢锭模中的初始浓度分布及充填特性。
对锻造和热处理过程，以计算机数值模拟结果为指导，研究并建立实验室小试样物理模拟与大型锻件实际生产之间的映射关系，为大型锻件生产工艺评估提供技术基础；
2）大型锻件（铸锭）的测温、解剖和取样研究：
研究典型大型钢锭、锻件的测温策略、数据采集和处理方法；
3）大锻件成形工艺的创成方法研究：
研究大型锻件锻造位移进给和转动进给过程中形状成形精度的数学表达方法，建立不同类型大锻件的最优锻造工艺数据库，为优化变形工艺、实现对大锻件形状和性能的主动调控提供控制平台；
4）基于计算流体动力学的大型锻件热处理装备的优化设计方法：
针对大型锻件对热处理装备提出的严苛要求，研究基于计算流体动力学的装备设计方法和加热－冷却策略，揭示不同装备、不同结构对温度场、流场均匀性影响的规律，为大型锻件热处理装备的优化设计和改进提供科学依据。
二、预期目标
总体目标及五年预期目标
1.总体目标：
本项针对新一代核电、火电等新型能源装备中大型锻件的热加工极端制造过程，揭示由“大”而引起的铸锭和锻件组织与缺陷的时间、空间特征及工序间的遗传关系、非均匀热变形与组织和缺陷演变之间的映射规律，提出大型锻件热制造全流程的组织和缺陷控制原理及协调机制。
预期将从宏观和微观的角度展现大型锻件热制造中材料的“全息”变化过程，建立比较完善的大型锻件热加工宏、微观定量分析方法和虚拟制造理论，使大型锻件热制造流程的工艺参数制定做到“有章可循”，奠定我国新型能源装备中大型锻件均质化热加工制造的科学基础，并发展极端热制造过程的虚拟化研究方法；
解决大型锻件生产在偶然中求―成功‖的盲目性，实现大锻件热加工从“工序目标控制的加工”到“全流程综合控制的制造”的跃升、从在偶然中求成功的“摸索制造”到以科学求质量、以技术保成功的“技术成熟”的跃升，并为追求“高效率低消耗”的“高品质制造”、最终实现从材料设计到制造技术自主创新的―高技术制造‖奠定科学和技术基础。
2五年预期目标:
以第三代核电装备中的核岛整体顶盖、常规岛低压转子、高压转子锻件及其代表性材料X12CrMoWVNb10.1.1、3.5%NiCrMoV和SA508-3钢为模型，与中国第一重型机械集团公司、上海重型机器厂有限公司进行紧密的产学研合作，使锻件的均质化显著改善、性能提高；
建立以高性能均质化为目标的大型锻件热加工制造全流程调控体系，解决我国大型锻件热制造技术基础的关键科学问题，实现“技术成熟”热加工制造，发展大型锻件铸造成锭、锻造成形和热处理成性的若干关键技术并在两个企业得到应用；
使我国大型锻件热加工制造水平跻身国际前列，为大型锻件的―高品质制造‖提供理论基础和科学的分析方法。
在理论研究方面
1）建立大型铸锭成分调控和流动调控的多包协同浇注原理和宏观偏析－多域流动－浇注模式间的数值控制模型；
揭示铸锭晶粒组织和缺陷的时间、空间关系和宏、微观相关性，发展多包协同调控方法和外场、异质相强制均质化方法；
2）揭示大型铸锭锻造成形过程中缺陷形成和组织变化规律、宏观力学量场对大型锻件原始缺陷演化和热开裂的影响规律；
形成大型锻件压实状态的评估方法，建立多工步成形情况下材料微观组织演变定量模拟方法，给出控制晶粒均匀度的变形工艺参数确定规则；
3）揭示大型锻件热加工全流程组织、缺陷的遗传特征和继承关系以及工序间的调控容限，锻件最终状态控制机理，探明热处理过程固态相变的区域性特征及其对加热、冷却策略的依赖性，建立基于扩展求解域的数值仿真模型，发展固态相变的均质化协同调控方法。
在应用技术方面
1）突破大型铸锭宏观偏析控制的技术瓶颈，发展基于单包成分差异、浇速不同、多包综合协调的大型铸锭多包合浇成分和偏析调控技术，使铸锭宏观偏析比降至1.2-1.5。
2）形成大型铸锭脉冲电场强制均质化技术，研制出大型铸锭脉冲电流施加装置，实现初生等轴晶向铸锭中心的迁移、促进晶粒组织均匀化，使铸锭晶粒尺寸的区域差别降至20－30倍；
3）形成基于微量元素调控的异质相强化形核方法，促进10-30微米的异质相的非均质形核，改善夹杂物存在状态；
4）确定热制造各环节组织和缺陷的容限规则，发展基于均质化目标控制的热制造全流程协调方法；
5）发展大型锻件材料缺陷与组织演变预报技术和调控方法，锻件锻造探伤达到II级以上、晶粒度III级以上、晶粒均匀度90%；
6）形成可用于实际大型锻件的数值模拟软件，解决数值模拟中扩展求解域、边界条件处理和求解算法问题，通过仿真计算准确―再现‖热加工参量对锻件组织形成的影响，实现大型锻件热加工全流程的虚拟制造；
7）提出基于数值模拟的工艺参数评估方法和优化策略，建立不同类型大型锻件的最优锻造和热处理工艺数据库；
8）发展基于计算流体动力学的大型锻件热处理装备的优化设计方法并应用于大型锻件锻件的热处理。
9）三个典型锻件的均质化目标和性能指标为：
在本项目研究中，拟在国内外重要刊物发表论文150篇以上，申请专利30多项，撰写专著2－4部，获报省部级以上奖励2－3项，培养中青年学术带头人5－8名、研究生80名。
三、研究方案
1）学术思路：
本项目以提升我国大型锻件制造水平、满足新型能源装备对高性能大型锻件的重大需求为目的，紧紧围绕大型锻件热制造成形成性中的均质化这一带有普遍性的关键科学问题开展多学科交叉研究，揭示大型锻件热加工制造全流程组织性能形成的规律，通过在大型锻件均质化共性理论和关键技术上取得创新突破，为大型锻件的高性能制造提供理论基础和技术支撑。
项目的学术思路如图3。
图3项目的学术思路
2）技术途径：
由于大型锻件的实体实验无法在实验室进行，因此，本项目研究过程的技术途径为：
现场数据采集－模拟实验－理论建模－数值模拟－模拟实验验证－实体实验（图4）。
图4总体研究路线示意图
现场数据采集：
分别针对上海重型机器厂和中国一重的大型锻件生产，进行浇注过程、铸锭、锻件组织取样、锻件热加工流程和环境数据采集；
通过实验测定补充实际生产中的界面物性数据；
模拟实验方法：
小型多极电渣重熔和真空多包浇注、多包合浇多元异质流体的水力学模拟和小型钢锭铸造，并通过改变参数模拟实际铸锭不同部位的凝固组织；
不同组织的铸锭经锻造变形、锻后热处理以及热模拟实验并全面分析组织、成分、相分布；
数学建模和模拟方法：
A.在凝固过程模拟方面，采用多尺度任意固相反扩散的凝固偏析模型和高效率求解流体流动P-V非线性耦合的电磁场/凝固收缩扩展的Direct-SIMPLE数值算法等；
B.根据流体力学理论，建立带自由表面的多相异质流体湍射流及自然对流数学模型。
采用数值计算钢锭多包合浇过程中多元流体混合及充填后的初始浓度场，并在耦合流动、传热与凝固基础上，研究钢水充填与凝固过程中夹杂物的运动与分布规律。
C.对于锻造缺陷的建模和模拟，引入细观代表体元模型建立缺陷演变与宏观力学量场的关系，将空洞看作是无刚度的特殊相材料，采用代表体元模型建立空洞型缺陷的变形与宏观力学量场的关系，分析大型锻件不同位置空洞的演化规律。
根据再结晶和原子扩散机理，研究缺陷的修复过程和修复判据。
D.针对热锻过程的微观组织演化，采用两种方法：
一是成形过程的数值模拟——小试件物理模拟——实验室测试相结合的思路，模拟大型锻件多道次成形过程的微观组织演变过程，形成有预报能力的微观组织演变数学模型。
二是建立微观组织演变的元胞自动机模拟方法，从物理本质上模拟位错密度在动态回复、动态再结晶、静态回复和静态再结晶中的演化过程，揭示位错能驱动下的高温奥氏体晶粒动态和静态再结晶的演化规律，追踪非连续成形过程的晶粒演化过程。
E.针对难以直接测量的边界条件，通过正问题和反问题的联合求解确定界面传热和摩擦边界条件，从而建立能够反映实际情况的大型锻件热、力耦合成形过程的数值仿真模型。
通过优化方法，可以根据正问题的计算结果推算反问题的解答。
F.基于奥氏体化相变动力学定量模型、热弹塑性力学本构模型、传热理论和有限元数值分析方法，将大型锻件复杂加热过程进行温度、组织和热应力的数值计算，实现加热过程最大限度的温度均匀化，奥氏体化均匀化和最佳的热应力分布。
实体实验验证：
选择AP1000核电压力容器（材料：
SA5083）和100万千瓦超超临界机组的高中压转子（材料：
X12CrMoWVNb10.1.1）进行实体实验验证。
3）创新性与特色：
1）本项目针对大型锻件的铸造成锭、锻造成形和热处理成性的热加工制造全流程并以大型锻件的均质化为主控目标进行系统、综合研究，而不是仅面向其中的某个环节；
对全流程各环节组织与缺陷演变进行数学建模和仿真预报，形成全流程组织性能的调控方法；
2）提出了以均质化为主线的三个重要关系，即：
“流体多域流动、晶粒组织、缺陷、变形和固态相变”的“时间、空间关系”、“宏观、微观关系”和“遗传、继承关系”，并通过三个关系解决大型锻件均质化热制造的三个关键科学问题；
3）提出了大型锻件热加工制造全流程组织、缺陷的遗传和继承问题，并通过对遗传和继承问题的研究，确定热加工各环节的容限准则和窗口，从而使工序目标控制的锻件热加工提升到全流程综合调控的锻件“热制造”，在性能控制上既能“承上启下”，又能“追宗溯源”；
4）形成比较完善的大型锻件热加工制造各环节多尺度综合数值模拟方法和相应软件，通过虚拟热制造再现变形和宏、微观演变等物理量的时间空间分布，为评估大锻件成形工艺的可靠性提供理论基础和分析方法。
5）项目采取产学研紧密结合的推进方式，将基础研究的进展及时应用于大型锻件的生产实际并从生产实际中汲取实时数据从而对物理和数值模型进行修正，从源头上把握工程问题的实质和研究成果的工程实用性与针对性。
4）可行性分析：
本项目是在深入分析大型锻件生产企业的技术现状、广泛收集和整理国内外大量相关研究资料的基础上，结合各申请单位多年来围绕大型锻件成形的探索经验提出来的。
课题组对项目的实施方案进行了系统的规划，对课题所涉及的建模技术与实验测试有了针对性的解决方法。
A.现场数据采集和实体实验：
基于与企业的良好合作，对熔炼铸造、锻造和热处理过程中的合金熔体、熔渣（初始、中间、终了）、铸型、铸件、锻件、模具、加热炉、冷却介质等进行温度、流量、电量、压力的现场数据采集，跟踪锻件热加工全流程并记录数据，对铸锭、锻件进行部位采样，分析组织、成分、缺陷等的分布状态。
根据研究工作的进展，调整锻件热加工参数进行实体实验、采集数据。
实体实验工作分别在中国一重和上海重型机器厂进行。
上海重型机器厂（距交大4公里）与上海交通大学联合成立了“大型铸锻件工程技术中心”，项目推荐首席李建国教授是该中心主任，上海交通大学在上海重型机器厂的冶炼、耐火材料、铸、锻、热处理各环节都派驻有研究人员跟踪生产，有条件对锻件热加工全流程进行数据采集和参与解剖样件分析。
B.模拟实验：
通过小型多电极电渣熔铸和多包合浇浇注，模拟电极中断等系统不稳定性行为，通过高速摄影等采集流场、温度场数据；
改变熔铸条件模拟大铸锭不同部位的凝固组织形成；
制备不同组织的小铸锭进行锻造变形和热处理，可以实现对大锻件不同部位组织和缺陷演变的实验模拟；
另外，在申请单位有充分的条件完成材料的热力模拟实验和测试材料的相关数据，为微观组织的模拟和缺陷演化的模拟提供各种测试数据。
通过相似原理进行多包合浇的水力学模拟，采集各部位的流速数据；
采用模拟夹杂考察夹杂在浇注过程中的迁移行为。
通过这些实验为建立浇注流动模型提供建模数据和测试模型预报结果。
C.建模与仿真：
将在两个层面上开展建模与仿真工作：
一是宏观层面，即分别针对多电极耦合作用下的电渣熔铸过程、多包浇铸和凝固过程、多工步锻造过程和热处理改性过程建立数值仿真模型；
二是微细观层面，针对铸造凝固的微观组织形成、锻造过程微观组织演变和缺陷演化、热处理过程的相变等建立相应的数学模型。
已有的研究结果表明，微细观层面的物理量都可以表示为材料参数和宏观过程物理量的函数形式，因此通过集成宏微观的仿真模型，不仅可以实现对铸造、锻造和热处理宏观过程的仿真，也可以实现对组织和缺陷演化等微细观变化过程的预报。
这些工作在各课题承担单位都有长期的研究工作积累和雄厚的研究工作基础。
D.全流程调控:
通过实验测试和数值模拟，获得微观组织和缺陷的演化与宏观过程参量之间的关联规律，就可以据此得到热加工各环节之间的组织与缺陷遗传和继承关系，从而可确定各环节的加工参数窗口，实现热加工全流程的组织与缺陷演化的调控。
以上各过程均有相应的实验条件、建模理论和软件技术作为支撑，项目集中了国内长期从事材料热加工特别是大型锻件研究的6个优势研究群体，在相关领域有着多年的研究工作积累，有我国大型锻件生产的主要基地作为参加单位和协作实验基地，以多个国家重点实验室、工程研究中心和教育部重点实验室为依托，组织了一支强有力的研究队伍，为本项目的完成提供了人才保障。
项目组成员与国际同行之间保持着密切的学术交流，能够保证研究工作的前沿性。
综上所述，本项目在人才队伍、实验条件、建模方法和仿真手段等方面都有充分的保障，经过课题组成员的努力，能够取得预期的研究成果。
四、年度计划
年度
研究内容
预期目标
第
一
年
1.大型铸锭浇注过程的水力学模拟研究；
模拟研究流动和夹杂物运动状态以及考虑等轴晶移动的偏析模型研究；
2.铸锭冷却凝固过程中的数据采集和铸锭组织研究；
三种典型核电用钢中异质相的种类和形核界面条件；
3.空洞在多道次多方向压拉过程中的变形规律；
开展代表体元模型的研究，建立材料内部空洞型缺陷的演变与外场应力应变的数学模型；
构造满足大锻件锻透性要求的工艺参数可行空间，提出大锻件控性的建模方法；
4.三种核电用钢的相变动力学、奥氏体长大动力学和力学性能测试和分析，微观组织的定量研究；
5.铸锭中异质相演变的热历史相关性、铸锭晶粒组织的不均匀性在锻造过程中的遗传。
1.建立简化铸锭的考虑等轴晶移动的偏析模型，探明夹杂物在浇包和中间包中的运动规律；
2.获取铸锭浇注、凝固的数据信息、铸锭晶粒组织、异质相和偏析的分布信息；
3.建立大锻件缺陷演化方式的空洞压实判定准则、宏观力学量场与大锻件原始缺陷体积演化和形状演化关系的数学模型，提出复杂锻造过程压实状态评估方法。
4.获取三种材料的动力学曲线，探明等温与连续冷却条件下的微观组织变化规律，发展微观组织的定量计算方法；
5.探明铸锭中异质相的行为对热历史的依赖条件，揭示大型锻件中异质相遗传的起始行为和非均匀晶粒的变形规律及其协调条件，提出大型锻件原始晶粒组织的可调整窗口和锻造容限。
二
1.研究大型铸锭多包合浇过程中中间包、铸锭和两相区内高温熔体的流动行为,进行实验铸锭的凝固微观组织模拟,凝固收缩及等轴晶移动条件下的宏观偏析数学模型;
2.异质相和脉冲电流强化形核和增殖研究，异质相种类及其与凝固组织的关系；
研究缓冷条件下脉冲电流促进生核和晶粒运动及增殖规律。
3.研究典型大锻件材料导致第一次晶粒快速长大的临界变形量和织构大晶粒对应的变形量；
研究工艺参数对最终晶粒状态的影响规律；
开展一火多次变形过程数值模拟和实验研究，探讨微观组织的演化规律。
4.大型锻件扩展求解域的建模和多体多场耦合换热的计算策略，基于计算流体动力学的装备设计和加热冷却策略，切断组织遗传的新热处理工艺；
5.异质相在锻件变形过程中的行为和非均匀变形锻件的锻后热处理：
研究铸锭中不同种类、分布的异质相在锻件固态变形过程中的演变过程；
研究不同变形量的晶粒组织在锻后热处理过程中的演变，变形条件对锻后热处理的影响。
1.探明多包合时浇夹杂物的上浮规律,实现模拟铸锭凝固组织与实测结果一致和考虑凝固收缩及等轴晶移动条件下模拟得出的实验铸锭的宏观偏析在主要特征方面与实测一致;
2.揭示大型铸锭凝固过程中流场、温度场和凝固组织及缺陷形成规律，异质核心促进生核可能性与条件和脉冲电流促进大型铸锭形核的条件和机制。
3.建立大型铸锭材料高温流变应力模型和微观组织演变模型，揭示宏观热力学场与微观组织结构之间的互动关系。
4.发展基于计算流体动力学的装备设计和加热冷却技术，建立温度、相变和应力应变耦合数值模型和锻件热处理开裂变形预测模型；
5.揭示铸锭中不同异质相的变形遗传规律，提出锻件对铸锭异质相的调控窗口和容限准则；
探明不同变形量晶粒的锻后热处理相变规律，提出变形晶粒组织的热处理容限准则。
三
1.研究大型铸锭多包合浇过程中中间包温度、成分、浇注程序与金属熔体的多域多相流动行为和质、能传递的关系和大型铸锭凝固组织模型的校核。
采用校核后的大型铸锭凝固组织模型参数；
2.研究脉冲电流导入方式及其与作用效果的关系，研制适用于大钢锭的脉冲电源和电流导入装置。
多极电渣熔铸过程中夹杂的行为。
3.研究建立界面传热、辐射传热、界面摩擦系数等热力模拟边界条件数学模型；
研究多道次成形的物理仿真方法和应力应变测试原理，构建大锻件成形过程多尺度多物理场耦合作用的数值仿真平台；
4.锻件热处理过程扩展求解域与多场耦合的数值模拟，基于流体动力学模型的热处理装备设计以及流场均匀性研究；
5.研究铸锭中的宏、微观偏析在锻造成形和后续热处理的变化规律以及热处理对成分不均匀性的调整容限；
研究宏、微观偏析之间的耦合变化，成分偏析的遗传对异质相遗传的影响。
1.实现数值模拟的宏观偏析与实验铸锭整体上一致，探明大型铸锭多包合浇减小宏观偏析的机理。
确定浇注程序、熔体温度和成分调控的基本准则，开发和完善大型铸锭多包合浇宏观偏析模拟分析软件；
2.提出形成促进夹杂形核、实现夹杂无害化利用的新方法。
形成脉冲电流促进生核技术并完成脉冲
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