徐杰，李向博

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

核能因其巨大的能量密度和較少的溫室氣體排放等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)50年代開始便得到各國(guó)政府的重視和支持，得以迅速發(fā)展。目前核電已占世界發(fā)電總量的17%左右，發(fā)達(dá)國(guó)家此比例更是高達(dá)20%～30%[1]。核聚變因?yàn)槠涓叩哪芰棵芏取V泛的原料來源等，使其具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。核聚變反應(yīng)現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離真正的商業(yè)應(yīng)用還有一段距離，其中主要的技術(shù)難題之一是，聚變堆包層的設(shè)計(jì)制造以及材料本身選擇和制造[3—5]。

聚變堆包層是未來聚變堆部件的核心，是實(shí)現(xiàn)聚變能轉(zhuǎn)換和核燃料增殖的關(guān)鍵部件。針對(duì)聚變堆包層所處的特殊工況條件，要求包層材料具有較強(qiáng)的抗高能中子輻照能力、低活化、良好的機(jī)械性能和與冷卻劑、增殖劑之間具有良好的相容性[4，6]。根據(jù)對(duì)材料的特殊要求，世界各主要發(fā)達(dá)國(guó)家均在研究自己的聚變堆包層用材料。中國(guó)獨(dú)立自主研究的低活化馬氏體鋼作為聚變堆包層第一壁的備選材料，具有低活化、抗氧化、抗輻照、一定的力學(xué)性能，具有廣闊的研究前景和巨大的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值[7—8]。

圖1 包層第一壁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the first wall of the blanket

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外關(guān)于聚變堆包層第一壁的加工方法主要為機(jī)械加工結(jié)合后續(xù)的彎板和焊板相結(jié)合方法，存在著材料利用率低、工序多、生產(chǎn)效率低的不足;而且產(chǎn)品形狀尺寸精度和力學(xué)性能較低，工藝不穩(wěn)定[9]。文中提出一種新的針對(duì)具有聚變堆包層第一壁特征位置尺寸的U形件加工方法——近凈擠壓成形，為制造尺寸精度高、組織性能好的聚變堆其他復(fù)雜形狀的零部件提供新的思路和方法[11—13]，具有一定的理論與技術(shù)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用材料為中國(guó)科學(xué)院核物理研究所提供的低活化馬氏體鋼，該材料為鑄造態(tài)。材料送由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所進(jìn)行檢測(cè)得到其精確的成分和含量。具體檢測(cè)方法為:分別在鑄坯的前端(錠坯底部，遠(yuǎn)離冒口位置)、中部(錠坯中部)和后端(錠坯頂部，靠近冒口位置)各取5組試樣切成10 mm×10 mm×10 mm小塊。在每個(gè)試樣表面隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，并在選中的點(diǎn)上進(jìn)行EDS(Energy Dispersive Spectrometer)電子束(探針)點(diǎn)分析，分別檢測(cè)其各自的成分含量，并計(jì)算其材料各組分的平均值。檢測(cè)并計(jì)算得到的材料各組分主要含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:C 0.007% ～0.01%，Cr 8.8% ～10.0%，W 1.3% ～1.5%，Mn 0.3% ～0.5%，F(xiàn)e 剩余。

從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所提供的低活化鋼主要合金元素化學(xué)成分可知，Cr9W1MnVTa低活化馬氏體鋼其自身合金元素種類復(fù)雜，化學(xué)成分Cr，W和Mn等含量較高，其對(duì)材料成形過程中最大成形載荷的影響比較復(fù)雜[14—15]。

其中鉻能顯著提高材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，是該低活化馬氏體鋼主要合金元素。元素鎢的加入，主要因?yàn)槠涿芏却蟆⒛透邷?，可以較大程度地提高材料的硬度和耐磨性。在該低活化馬氏體鋼冶煉過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。在鋼中加入一定量的錳時(shí)，較一般的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能。鉭(Ta)與低活化鋼中的C和N可形成碳氮化物，這些析出相可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定馬氏體板條結(jié)構(gòu)，從而對(duì)基體起到了一定的強(qiáng)韌化作用。Ta還能改善鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)和強(qiáng)度，相對(duì)于9Cr-2WV鋼，9Cr-2WVTa鋼在同等輻照條件下具有更低的DBTT。

此次實(shí)驗(yàn)欲成形的零件如圖2所示。整個(gè)零件外形呈現(xiàn)為U形形狀，外圍尺寸為110 mm×95 mm，尺寸較大，成形載荷高，設(shè)備噸位要求高;外壁厚度為5 mm，高為11 mm，高寬比為2.2，金屬塑性流動(dòng)劇烈，成形困難;內(nèi)壁厚度為12 mm，內(nèi)外壁厚度相差較大，金屬流動(dòng)不均勻;實(shí)驗(yàn)前坯料經(jīng)線切割加工為U形形狀以便順利放入模腔。在1000 t液壓機(jī)上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過程中最大載荷和下壓速度。

圖2 U形件示意圖Fig.2 Schematic of U-shaped part

根據(jù)材料自身的變形特點(diǎn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求確定合理的實(shí)驗(yàn)方案。具體方案如表1所示。

表1 U形件擠壓工藝方案Table1 Extrusion process program for U-shaped part

2 結(jié)果與分析

2.1 成形速度對(duì)成形載荷的影響

圖3為圓角半徑為5 mm，溫度800℃條件下不同下壓速度成形最大載荷曲線。如圖3所示，整個(gè)材料成形過程中的成形載荷隨著下壓速度的增加而增加，在擠壓速度為2 mm/s時(shí)達(dá)到最大載荷385 t。

圖3 3種擠壓速度條件下材料的成形載荷Fig.3 Material forming load under three different extrusion speeds

經(jīng)典的金屬塑性成形理論認(rèn)為，變形速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱率增加，使變形抗力增加。另一方面變形速度的提高縮短了變形時(shí)間，使材料在變形過程中的位錯(cuò)發(fā)展時(shí)間不充足，位錯(cuò)形成的數(shù)量較少，材料滑移困難，成形的變形抗力增加。這二者對(duì)材料成形過程中成形載荷起到相反的作用。宏觀表現(xiàn)上，材料成形載荷變化主要依據(jù)二者具體在成形過程中對(duì)變形抗力變化影響程度的大小。此次低活化馬氏體鋼U形件成形過程中，對(duì)模具外圍添加加熱圈，溫度波動(dòng)幅度在±15℃，成形過程近似為等溫塑性成形，所以因變形速度提高而引起的位錯(cuò)數(shù)量不足是影響成形載荷的最重要因素。

2.2 圓角半徑對(duì)成形載荷的影響

圖4為擠壓速度為0.5 mm/s，溫度800℃條件下不同圓角半徑成形的最大載荷曲線。如圖4所示，材料成形最大載荷隨著圓角半徑的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖4 3種圓角半徑條件下材料的成形載荷Fig.4 Material forming load under three different fillet radius

凸模圓角半徑是材料成形中關(guān)鍵的因素之一。圓角半徑如果過小，不僅增大金屬流動(dòng)阻力，增加材料在圓角半徑處開裂的趨勢(shì)，使成形件難以完成整個(gè)成形過程，而且過小的圓角半徑對(duì)于模具的磨損也較大，嚴(yán)重降低了模具的使用壽命。材料成形過程中圓角處的阻力主要由兩部分組成:一部分是材料在圓角處因變形而產(chǎn)生的變形阻力，變形阻力的大小主要和圓角半徑相關(guān)，圓角半徑越小，變形阻力越大;另一部是摩擦阻力，是材料流過圓角時(shí)材料表面與凸模圓角表面摩擦而產(chǎn)生的，它主要與凸模成形力、材料和模具的表面狀態(tài)相關(guān)，凸模成形力越大，表面狀態(tài)越惡化，摩擦阻力就越大。

2.3 溫度對(duì)成形載荷的影響

圖5為圓角半徑為5 mm，下壓速度為0.5 mm/s條件下不同溫度成形的最大載荷曲線。如圖5所示，整個(gè)成形過程中最大載荷隨著溫度的增加而減小，在800℃時(shí)最小，為330 t。相比較于擠壓速度和凸模圓角半徑，溫度對(duì)零件成形載荷影響更大。成形載荷從800℃時(shí)的330 t上升到700℃時(shí)的460 t，載荷的變化范圍明顯高于其他兩因素。

圖5 3種溫度條件下材料的成形載荷Fig.5 Material forming load at three different temperatures

金屬的變形抗力幾乎都隨著成形溫度的升高而降低，因?yàn)闇囟鹊纳呤菇饘僭娱g的結(jié)合力降低，金屬滑移的切應(yīng)力也隨之降低。微觀尺度上的原子結(jié)合力的減小，在宏觀反映為整個(gè)材料成形過程中最大成形載荷的降低。

2.4 零件成形初步結(jié)果

在不同參數(shù)條件下，進(jìn)行了該低活化馬氏體鋼U形件成形試制實(shí)驗(yàn)。選取實(shí)驗(yàn)成形效果較優(yōu)的試件進(jìn)行其尺寸的測(cè)量，測(cè)量方法為每組數(shù)據(jù)測(cè)量5次求其平均值。較優(yōu)的成形參數(shù)為成形溫度為800℃，凸模圓角半徑為5 mm，成形速度為0.5 mm/s。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 試件測(cè)量結(jié)果Table2 Specimen measurement results

成形零件各處設(shè)計(jì)尺寸和實(shí)際測(cè)量尺寸之間的誤差整體較小，其中對(duì)U形件尺寸要求較高的垂直截面通道截面面積和轉(zhuǎn)角通道截面面積誤差均在5%以內(nèi)，分別為2.34%和4.34%，相比于傳統(tǒng)的加工方法有較大提高，尺寸精度明顯提升。誤差最大處發(fā)生在內(nèi)直壁高度處，誤差為8%。由于U形件內(nèi)直壁設(shè)計(jì)厚度為12 mm，相比于外直壁厚度方向尺寸較大，材料成形過程中需要流動(dòng)的金屬體積和成形力也較大，容易形成金屬充填不飽滿現(xiàn)象，造成U形件內(nèi)直壁高度偏小。

圖6 U形件實(shí)驗(yàn)試制Fig.6 Experimental trial of U-shaped part

3 結(jié)論

通過等溫精密擠壓工藝對(duì)某牌號(hào)低活化馬氏體鋼進(jìn)行U形件的擠壓成形，與聚變堆包層第一壁的傳統(tǒng)加工工藝相比，提高了其成形尺寸精度和材料的利用率，具有較大的理論和實(shí)踐意義。

1)在成形溫度為800℃，擠壓速度為0.5 mm/s，凸模圓角半徑為5 mm條件下，得到的U形件試件尺寸精度較傳統(tǒng)的加工工藝有較大提高，各處流道截面面積誤差均不超過5%。

2)擠壓溫度對(duì)材料成形過程中的成形載荷有較大影響。隨著成形溫度的提高，材料的成形載荷總體呈上升趨勢(shì)。材料成形載荷升高主要原因?yàn)闇囟鹊纳呤菇饘僭娱g的結(jié)合力降低，金屬流動(dòng)所需的滑動(dòng)切應(yīng)力減小。

3)通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，較為合理的該牌號(hào)低活化馬氏體鋼進(jìn)行U形件等溫精密成形工藝參數(shù)為:成形溫度為800℃，擠壓速度為0.5 mm/s，凸模圓角半徑為5 mm。

[1]朱繼洲.壓水堆的電站運(yùn)行[M].北京:原子能出版社，2000.ZHU Ji-zhou.Pressurized Water Reactor Power Plant Operation[M].Beijing:Atomic Press，2000.

[2]邱勵(lì)儉.聚變能及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2008.QIU Li-jian.Fusion Energy and Its Application[M].Beijing:Science Press，2008.

[3]LI Peng，QUN Huang，et al.Preliminary Analysis of Irradiation Effects on CLAM after Low Dose Neutron Irradiation[J].J Nucl Mater，2009，386-388:312—314.

[4]黃群英，李春京，李艷芬，等.中國(guó)低活化馬氏體鋼CLAM 研究進(jìn)展[J].核科學(xué)與工程，2006，27(1):41—50.HUANG Qun-ying，LI Chun-jing，LI Yan-fen，et al.R＆D Status of China Low Activation Martensitic Steel[J].Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2006，27(1)41—50.

[5]SHARAFAT S，AOYAMA A，MORLEY N，et al.Development Status of a SiC-foam Based Flow Channel Insert for a US-ITER DCLL TBM[J].Fusion Sic Tech，2009，56(2):883—891.

[6]黃波.聚變堆包層用低活化鋼管類件成形性能研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，2012.HUANG Bo.Study on Formability of Low Activation Steel Pipes for Blanket of Fusion Reactor[D].Hefei:Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Sciences，2012.

[7]TANIGAWA H，SHIBA K，M?SLANG A，et al.Status and Key Issues of Reduced Activation Ferritic/martensitic Steels as the Structural Material for a DEMO Blanket[J].J Nucl Mater，2011，417(1-3):9—15.

[8]葉興福，馮開明，羅天勇，等.ITER TBM第一壁制造方法與樣件試制[J].核聚變與等離子體物理，2011，31(4):356—358.YE Xing-fu，F(xiàn)ENG Kai-ming，LUO Tian-yong，et al.The First Wall Methods and Sample Test[J].Nuclear Fusion and Plasma Physics，2011，31(4):356—358.

[9]王久林，薛世博，徐杰，等.某型號(hào)十字軸精密成形工藝分析[J].精密成形工程，2015，7(3):73—77.WANG Jiu-lin，XUE Shi-bo，XU Jie，et al.Process Analysis of Precision Forming for a Certain Type of Cross Shaft[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2015，7(3):73—77.

[10]吳向紅，趙國(guó)群，孫勝，等.擠壓速度和摩擦狀態(tài)對(duì)鋁型材擠壓過程的影響[J]塑性工程學(xué)報(bào)，2007，14(1):36—41.WU Xiang-hong，ZHAO Guo-qun，SUN Sheng，et al.The Influence of Extrusion Speed and Frictional Status on Aluminum Profile Extrusion Processes[J]Journal of Plasticity Engineering，2007，14(1):36—41.

[11]張弛，何巧，駱靜.汽車變速器結(jié)合齒溫鍛-冷整形復(fù)合精鍛工藝及模具研究[J].精密成形工程，2014，6(1):9—14.ZHANG Chi，HE Qiao，LUO Jing.Compound Precision Forging of Warm Forfing-cold Shaping and Die for Automatic Transmission Conjunction Gear[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2014，6(1):9—14.

[12]SPEER W，ES-SAID O S.Applications of an Aluminum-beryllium Composite for Structural Aerospace Components[J].Engineering Failure Analysis，2004，11(1):895—902.

[13]包衛(wèi)平，任學(xué)平，張毅.純鐵在高應(yīng)變率下的流動(dòng)應(yīng)力特征及其動(dòng)態(tài)塑性本構(gòu)關(guān)系[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16(5):125—129.BAO Wei-ping，REN Xue-ping，ZHANG Yi.The Characteristics of Flow Stress and Dynamic Constitutive Model at High Strait Rates for Pure Iron[J].Journal of Plasticity Engineering，2009，16(5):125—129.

[14]馮春雨.淺談合金元素在剛中的作用[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量，1996，8(1):20—23.FENG Chun-yu.Discuss the Role of Alloying Elements in Just[J].Metallurgical Standardization ＆ Quality，1996，8(1):20—23.

[15]馬杰，劉芳.稀土元素在鋼中的作用及對(duì)鋼性能的影響[J].鋼鐵研究，2009，37(3):54—56.MA Jie，LIU Fang.The Role of Rare Earth Elements in Steel and the Effect on the Properties of Steel[J].Iron and Steel Research，2009，37(3):54—56.