[01207989]大规格镍合金管材精确挤压表面微观形貌模拟及预测数学模型研究

1.课题来源与背景 目前各地日益严重的雾霾使控制大气污染物的排放成为当务之急,促使对 清洁、高效能源的需求日益迫切。发展清洁能源、提高能源利用率是解决这些 问题的关键。目前各国正在大力研制的 700℃以上超超临界发电技术具有能耗 低、环保性能好、技术含量高的特点,经过不懈的努力,目前机组热效率已经 能够达到 50%以上。但超超临界机组蒸汽参数的提高对锅炉部件及其材料的可 靠性提出了更高的要求,主要表现在对电站锅炉中的厚壁管、过热器/再热器管 以及水冷壁管等高温管的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工 性能的要求大幅度提高。普通的耐热钢管难以满足要求,而镍基高温合金因其 独特的抗高温腐蚀性能而成为超超临界火电机组管材的首选。 2.研究目的与意义 挤压过程是一个多目标统一的成形过程,影响因素众多且各因素之间的影响错 综复杂,这使得大口径 GH3625 管材的精确挤压成形工艺开发极其困难,其中管 材表面宏微观形貌如何控制是其精确挤压成形首先要解决的关键问题,也是联 系高温合金基础理论研究与挤压成形的重要纽带。因而本课题将大口径镍管挤压成形过程中表面形貌的控制机理作为研究对象。 3.主要论点与论据 本申请针对镍合金管材精确挤压成形工艺开发中的核心问题,即镍合金管材表面形貌的控制方法开展了系统的研究。研究过程中主要是采用实验研究、 数值模拟、物理模拟三者相结合的方法,建立高精度的大口径 GH3625 合金管材挤压多因素多场耦合数值模拟模型,研究工艺和模具参量对镍管表面形貌形成过程的影响规律及优化方法,研 究管材表面宏观缺陷的产生机理及控制方法。 对热模拟实验机进行改造,分析镍管的内外表面形貌、表面成分和表面 微观组织结构、粗糙度等之间的关系,建立表面微观结构与宏观形貌之间的数 学联系。改变传统的以调试为主的挤压工艺润滑剂确定方法,构建热挤压过程中 润滑剂工作效果的数值模拟模型,将润滑和模具表面形貌引入数值模拟模拟模 型中,研究镍管宏观表面形貌与微观组织结构演变、工艺要素与表面微结构的 响应关系。 通过开展基础实验分析与实际 GH3625 管材挤压,观察管材表面微观形 貌与材料微观组织结构分布情况,总结二者的定性关系。推导镍管表面精度与润滑状态、模具表面状态、工艺参数之间的数学模型,即 Ra=f（初始粗糙度、成形速度、挤压比、润滑剂厚度、接触压力等）。 4.创见与创新 目前针对具体成形工艺的零件表面形貌数值模拟都是立足于二维简单模 型,而将模具形貌和润滑状态作为常数直接忽略。本申请将润滑剂和物体粗糙 形貌加入数值模拟模型中,建立了 GH3625 合金管材表面形貌的三维分析模型。 由于对 GH3625 合金挤压成形的研究都集中在锻态,忽略了对铸态 GH3625 合金挤压成形特性的研究。本申请对不同均匀化处理后的铸态 G3625 合金进行分析,研究了其挤压过程中的表面宏微观形貌的演变规律。 建立了镍管表面精度与润滑状态（润滑剂种类、润滑剂厚度）、模具表面状态（初始粗糙度、喷丸强度、弹丸直径）、工艺参数（模具参数、初始晶粒度、成形速度、挤压比、接触压力等）之间的数学模型,从而直接指导 了GH3625 合金管材精确挤压工艺的制定。 5.社会经济效益 目前本项目对 GH3625 合金塑性成形中微观组织调控和挤压时表面形貌控制的相 关成果已经在金川公司 GH3625 合金焊丝生产工艺中应用,拓展了其有色加工产 业链,提升了企业的核心竞争力和经济效益,为其打好产业基础高级化、产业链 现代化攻坚战提供了有力支撑。 6.历年获奖情况 入选 2018 年甘肃省杰出青年科学基金资助计划 入选 2020 年度兰州理工大学红柳优秀青年支持计划, 获得甘肃省有色冶金工业科技进步二等奖 1 项 7.成果 发表SCI论文十篇。