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项目名称：新型能源装备中大型锻件均质化热制造的科学基础首席科学家：李建国上海交通大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：上海市科委一、关键科学问题及研究内容主要研究内容1.针对科学问题一“大型铸锭多包调控浇注原理与多尺度组织形成规律”，开展以下研究：1)多包合浇大型铸锭过程中高温熔体的多域流动行为及其表征：研究中间包、铸锭和两相区内高温熔体的流动行为，流速和流向的时间、空间特征和宏、微观关系及其与宏观物理量的相关性；2)多相熔体多域流动的质、能传递及其调控方法：研究多域流动对溶质场、温度场和异质相传递的影响，质、能传递－流动行为－宏观物理量间的相关性，多包成分和浇速协调的协调关系；3)铸锭晶粒组织的时间、空间特征和宏、微观关系：研究铸锭晶粒尺寸、形态的空间分布特征，区域晶粒组织的形成和区域间的制约关系，微区生长条件对晶粒宏观形貌的影响；4)脉冲外场作用下大型铸锭晶粒的等轴化条件和机理：研究脉冲电流作用下表面和型壁初生晶粒的运动方向和速度，初生晶粒对抑制柱状晶生长的作用和条件以及脉冲电流的作用方式；5)大型铸锭的异质强化形核机制：研究合金中的微量元素对异质相形态和尺度的影响，异质相种类、形貌和尺度及其强化异质形核的过冷度特征，促进异质相行核的工艺条件。2.针对科学问题二“大型钢锭热锻成形的缺陷与组织演化理论”，开展以下研究：1)大型锻件开坯过程内部空洞型缺陷的演变规律与消除：研究大型铸锭内部缺陷的分布规律和形貌特征，考虑变形主方向发生变化的镦粗和拔长过程，建立缩孔缩松型缺陷体积随宏观力学量场变化的代表体元模型和压实判据。研究夹层、异金属、二次相等内生夹杂物在不同锻造工艺条件下的变化过程、不同缺陷处局部应力分布规律和缺陷形貌的变化规律，揭示导致宏观缺陷产生的因素和条件；2)大型锻件热成形微观组织的演变规律、数学建模与均质化控制：研究大型锻件典型用钢在加热和变形过程中的微观组织演变规律和唯象数学模型。针对多次压下的自由锻过程，研究以位错密度与变形和再结晶关系为线索的“变形—回复—动态再结晶—亚动态再结晶和静态再结晶”微观组织演变的元胞自动机模拟方法，结合物理实验，揭示大型锻件所特有的粗大晶粒组织与粗大晶界的产生条件与变化规律，掌握温度与变形量对组织均匀性和力学性能的影响规律及作用效果，提出避免和消除“混晶”及织构大晶粒的技术手段；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。主要研究内容铸造成锭、锻造成形到热处理成性的组织缺陷遗传和继承关系大型铸锭的多域、多相流动和质、能传递凝固过程中缺陷和晶粒形成的时空特征、微宏观关系和强化均质方法锻造成形过程中缺陷和组织的变化以及宏观物理量的影响和评估方法热处理成性过程中固态相变的时空依赖性和微宏观相关性以及宏观物理量的影响大型铸锭多包调控浇注原理与多尺度组织形成规律大型铸锭热锻成形的缺陷与组织演化理论关键科学问题热加工全流程