文／趙曉光·貴州航天新力科技有限公司

本文通過試驗研究了溫度、變形量對316LN 合金晶粒尺寸的變化影響規(guī)律；設(shè)計了一種漸進成形的模具，研究了U 形鍛件彎曲成形過程變化特點，解決了成形和脫模等難題；采用模擬仿真分析手段，研究了溫度、變形量、彎曲成形多因素耦合條件下的晶粒尺寸變化規(guī)律，制訂了U 形鍛件一體化成形的工藝參數(shù)，得到了形狀和性能滿足要求的復(fù)雜U 形鍛件。

極向場線圈U 形支撐是ITER 極向場線圈支撐系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，要承受強電磁場力、放電瞬時脈沖和地震載荷等強載荷，需要有良好的強度，同時需要良好的低溫性能和韌性，以保證能夠承受由于超導(dǎo)線圈冷卻和放電破裂等造成的超導(dǎo)線圈環(huán)向和徑向的收縮。

極向場線圈U 形支撐鍛件(圖1)的顯著特點是尺寸大和材料特殊。316LN 材料變形抗力大，鍛造溫度范圍窄；316LN 單相奧氏體無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，晶粒度無法通過后續(xù)熱處理進行細化；復(fù)雜變截面隨形鍛造技術(shù)操作復(fù)雜，鍛造工序多。鍛件尺寸越大，形狀越復(fù)雜，操作難度就越大，多種不利條件的疊加耦合，使得特種316LN 材料鍛件異形變截面一體化成形改性技術(shù)難度呈指數(shù)級增加。

圖1 316LN 復(fù)雜U 形鍛件示意圖

對于大尺寸的U 形鍛件，彎曲成形過程中存在比較多的問題。板料在彎曲過程中底部首先會被折彎，形成弧形底部(圖2)，造成模具和坯料分離，容易出現(xiàn)中心偏移；U 形鍛件在完成彎曲變形后，在最終成形階段，由于底部為弧形，需要上模施加壓力才能使整個底部變平整(圖3)，隨著溫度的降低，316LN材料的變形抗力非常大，對模具會造成較大的損傷，降低模具壽命；由于下模是一個封閉模具，且深度較深，鍛件成形后出模難度比較大，使鍛件長時間處于高溫下無法得到有效的冷卻，造成晶粒度的粗大，導(dǎo)致產(chǎn)品最終組織粗大，降低綜合性能。

圖2 底部弧形(坯料和模具分離)圖

圖3 最終成形時底部弧形圖

因此，本文研究的重點：一是多因素耦合下的晶粒度控制技術(shù)；二是模具設(shè)計及變形溫度和變形量的優(yōu)化，保證鍛件最終的組織均勻和晶粒度細小。

晶粒度調(diào)控技術(shù)研究

在工程實際中，溫度和變形量經(jīng)常相互耦合對晶粒度的變化產(chǎn)生影響，針對不同的復(fù)雜異形鍛件，成形時需要不同的鍛造火次。本試驗的主要目的是研究鍛件在多火次、小變形量或無變形量條件下，加熱溫度和變形量對晶粒度的影響。掌握鍛件在加熱和變形過程中的變化規(guī)律，從而為制定合理的鍛造工藝參數(shù)提供支撐。

本文選取初始晶粒度為4級，規(guī)格為φ100mm×200mm 的316LN-C3 鍛棒為研究對象，主要進行如下試驗，以確定316LN不銹鋼鍛造工藝對晶粒度的影響。

⑴加熱溫度對316LN 晶粒度的影響。綜合考慮工程化的實際情況和設(shè)備情況，加熱溫度選擇1050℃、1100℃、1150℃、1180℃，保溫80min，然后入水冷卻，截取試樣觀察晶粒度的變化情況。

⑵一火次加熱溫度和變形量對316LN晶粒度的影響。選取1050℃、1100℃、1150℃、1180℃四個溫度，將試樣加熱，到溫保溫80min 后，分別進行10%、15%、20%、30%的變形量鍛造，變形結(jié)束后進行水冷。

加熱溫度對316LN 晶粒度的影響

在D/4 位置截取試樣進行晶粒度觀察。從試驗結(jié)果來看，1050℃時，晶粒度與初始晶粒度相差不大，并沒有明顯晶粒長大；1100℃時，晶粒度變?yōu)? 級，1150℃時，晶粒度僅有1 ～2 級。由此可以看出，在低于1050℃時加熱，晶粒度變化不大，鍛件超過1050℃時開始有晶粒長大，超過1150℃長大速度變快。

一火次加熱溫度和變形量對316LN晶粒度的影響

經(jīng)過10%～30%的鍛造變形后，分別從D/4位置截取試樣進行晶粒度觀察。從試驗結(jié)果來看，溫度越低，變形量越大，晶粒度越細。10%變形量時，在1050℃時，晶粒度基本沒有變化，其他幾種溫度條件下均存在不同程度的晶粒度粗化；在15%變形量時，晶粒度較10%變形量均有了不同程度的細化，1050℃和1100℃的晶粒度均已達到初始晶粒度的狀態(tài)，1150℃和1180℃晶粒度仍然比較粗；在20%和30%變形量時，晶粒度細化效果均比較明顯。

分析討論

從試驗結(jié)果看，加熱溫度超過1050℃時，晶粒開始長大，超過1150℃時長大非常明顯，因此，再加熱溫度不宜超過1150 ℃，根據(jù)變形量選擇1050 ～1100℃比較合適。變形量在15%時，晶粒得到比較明顯的細化。初始晶粒度控制在3 ～4 級，再加熱溫度控制在900 ～1050℃時，多火次小變形量(＜10%)或無變形量時，晶粒度不受加熱總時間的影響，仍然能比較有效地控制在2 ～3 級。

U 形鍛件漸進彎曲成形技術(shù)研究

模具設(shè)計及彎曲成形模擬分析

本文提出采用帶有壓邊裝置的漸進精密成形模具(圖4)，在模具上設(shè)置壓縮彈簧，彈簧的壓縮力使板料在變形過程中不發(fā)生底部彎曲現(xiàn)象；316LN 材料變形抗力大，采用漸進多次彎曲的模具，使彎曲成形過程由一次整體彎曲變成多次漸進彎曲，降低了對壓機的壓力要求，同時使模具承受的力被分散，提高模具的使用壽命；如圖5 所示，考慮到316LN 晶粒的長大規(guī)律，漸進成形的方式降低了變形所需的壓力，可以將坯料加熱溫度控制在950 ～1050℃，保證在整個彎曲成形過程中，晶粒長大速度變慢且可控，進而實現(xiàn)精確彎曲成形，得到晶粒組織均勻且尺寸精確的鍛件；最終成形后，壓縮彈簧伸長，在彈性力的作用下使上模向上運動，反作用力使鍛件向下運動，上模與鍛件實現(xiàn)自動分離，同時帶動鍛件和下模實現(xiàn)分離，能夠比較輕松的完成脫模。

圖4 漸進彎曲成形模具

圖5 漸進彎曲成形模擬

彎曲成形過程晶粒尺寸變化模擬

設(shè)計選取1000℃、1050 ℃、1100℃三種溫度條件，坯料初始晶粒尺寸設(shè)置為100μm，借助于模擬仿真的方法，研究U 形鍛件成形過程中晶粒尺寸和組織變化情況(圖6、圖7、圖8)。

圖6 1000℃時U 形鍛件彎曲晶粒變化情況

圖7 1050℃時U 形鍛件彎曲晶粒變化情況

圖8 1100℃時U 形鍛件彎曲晶粒變化情況

通過模擬仿真研究發(fā)現(xiàn)，在1000℃條件下，完成彎曲成形后最終鍛件的最大晶粒尺寸變化為107μm，晶粒尺寸長大率為7%，發(fā)生彎曲變形部位晶粒尺寸得到細化；在1050℃條件下，完成彎曲成形后最終鍛件的晶粒尺寸變化為121μm，晶粒尺寸長大率為21%，發(fā)生彎曲變形部位晶粒尺寸得到細化；在1100℃條件下，完成彎曲成形后最終鍛件的晶粒尺寸變化為148μm，晶粒尺寸長大率為48%，發(fā)生彎曲變形部位晶粒尺寸得到細化。

結(jié)論

通過研究，采用漸進彎曲成形，鍛件的形狀和組織性能均滿足技術(shù)要求。主要體現(xiàn)在以下兩點：

⑴漸進彎曲成形過程抗力降低，成形尺寸良好，鍛件易脫模；

⑵成形溫度選取在900 ～1050℃，在無變形量的情況下，晶粒尺寸長大率小于30%，滿足標準要求。