大型鍛件的傳統(tǒng)制造方式是采用大型鋼錠開坯、自由鍛造成形。但隨著重大裝備的不斷發(fā)展，對大型鍛件的要求越來越高，不僅規(guī)格和截面越來越大，而且內(nèi)在質(zhì)量也不斷提高，傳統(tǒng)的制造方式已經(jīng)難以滿足要求。為了適應(yīng)高端裝備的需求，實現(xiàn)大型鍛件形質(zhì)兼?zhèn)涞哪繕?biāo)，急需對制造方式進(jìn)行變革。為此，以傳統(tǒng)鋼錠制造技術(shù)提升和新型增材制坯技術(shù)開發(fā)為代表的均質(zhì)化制坯、一體化制造及模鍛化成形等極端制造方式應(yīng)運而生。

大型鍛件是電力、冶金、石化、造船、礦山、航空航天、軍工等裝備（圖1）的基礎(chǔ)部件，其經(jīng)濟(jì)帶動性強(qiáng)，涵蓋面廣，是裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上不可缺少的重要一環(huán)。

大型鍛件傳統(tǒng)的制造方式是自由鍛造成形，“肥頭大耳”和“傻大黑粗”曾經(jīng)是大型鍛件的代名詞。為了扭轉(zhuǎn)大型鍛件材料利用率低、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定的被動局面，需要創(chuàng)新思路，向“不可能”發(fā)起挑戰(zhàn) ，進(jìn)行大型鍛件的轉(zhuǎn)型升級。通過均質(zhì)化、一體化、模鍛化，實現(xiàn)極端制造的目標(biāo)。

均質(zhì)化制坯

大型鍛件的質(zhì)量主要表現(xiàn)在純凈性、均勻性和致密性三方面，提高大型鍛件的質(zhì)量、降低制造成本、實現(xiàn)極端制造，需要從鍛件的“三性”入手開展研制工作。熱加工不同工序與鍛件“三性”的關(guān)系如表1所示。

從表1可以看出，在大型鍛件的熱加工工序中，鑄錠/制坯是影響鍛件“三性”的關(guān)鍵重要環(huán)節(jié)。因此，國內(nèi)外鍛件供應(yīng)商越來越重視鍛件坯料的制備。為了獲得均質(zhì)化的坯料，除了對傳統(tǒng)制坯過程（冶煉、鑄錠、開坯）進(jìn)行集成創(chuàng)新，各種增材制坯方法也躍躍欲試。

表1 熱加工不同工序與鍛件“三性”的關(guān)系

圖1 大型鍛件的主要應(yīng)用領(lǐng)域

大型、超大型鋼錠制備

為了提高大型、超大型鋼錠的均勻性與純凈性，中國一重集成創(chuàng)新發(fā)明了一系列冶煉及鑄錠技術(shù)。

⑴低硅控鋁鋼冶煉技術(shù)。

為了減少夾雜物并獲得本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，發(fā)明了低硅控鋁鋼制造技術(shù)。既提高了鋼液的純凈度、得到本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，還有效地控制了超大型鋼錠的成分偏析，降低鋼錠中的夾雜物和氣體含量。采用低硅控鋁鋼冶煉澆注方法生產(chǎn)出了成分均勻、夾雜物少的高質(zhì)量鍛件。

⑵保護(hù)澆注。

1）新型中間包。

為了減少鋼錠澆注過程中鋼渣卷入鋼錠模內(nèi)，借鑒了冶金行業(yè)連鑄過程中采用“擋墻”、“擋壩”的經(jīng)驗，發(fā)明了帶有“擋墻”、“擋壩”的新型中間包。數(shù)值模擬和工程實踐證明，相比于傳統(tǒng)的圓形中間包，新型中間包澆注的超大型鋼錠中的夾雜物含量大幅度減少。

2）長水口保護(hù)澆注。

澆注過程中注流卷吸空氣是鋼液二次氧化的重要原因。鋼液二次氧化不僅會形成有害的氧化物夾雜導(dǎo)致鍛件報廢，而且還會使鋼錠中的氣體（H 、O 、N）含量增高。而氣體含量高又是導(dǎo)致超大型鍛件缺陷的主要原因之一。為了避免鋼液的二次氧化，在借鑒冶金行業(yè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了長水口保護(hù)澆注技術(shù)，有效地避免了鋼液的二次氧化（圖2）。

3）二次補(bǔ)澆。

偏析是鋼液選分結(jié)晶和鋼錠凝固過程的必然結(jié)果，鋼錠越大，偏析及縮孔等缺陷越嚴(yán)重。中國一重在用平均C含量為0.62%的459t鋼錠研制支承輥時，曾在靠近冒口端的輥身部位發(fā)生斷裂。經(jīng)對斷裂部位宏觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)二次縮孔嚴(yán)重，冒口下部的C含量竟高達(dá)1.16%，接近標(biāo)準(zhǔn)值的2倍。為了解決這一難題，發(fā)明了鋼錠二次補(bǔ)澆技術(shù)，使冒口下部的C含量降至0.8%左右，成功制造出5m、5.5m支承輥用超大型鋼錠。

圖2 保護(hù)澆注與傳統(tǒng)澆注方式對比

增材制坯

盡管國內(nèi)外大型鍛件供應(yīng)商不斷提高大型鋼錠的純凈性，但鋼錠固有的缺陷仍然不能根除。此外，傳統(tǒng)的鋼錠制備和開坯方式（圖3）導(dǎo)致了大型鍛件的材料利用率較低，鋼錠去除水、冒口及鐓粗與拔長的火耗后，坯料的鋼錠利用率在70%左右。

當(dāng)前，世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點，力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點。我國增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展階段已從研發(fā)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，新設(shè)備、新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用程序不斷推陳出新，越來越多的企業(yè)將增材制造作為產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)轉(zhuǎn)型的方向。

增材制造技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件，相對于傳統(tǒng)的材料去除——切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法。關(guān)橋院士提出了“廣義”和“狹義”增材制造的概念，“狹義”的增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系；而“廣義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標(biāo)的大范疇技術(shù)群。如果按照加工材料的類型和方式分類，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等。

由于大型鍛件的純凈性和均勻性仍有提升的空間，所以一些與增材制造相關(guān)的金屬坯料制備技術(shù)進(jìn)入了開發(fā)應(yīng)用階段（圖4）。

⑴3D打印。

作為AM的一種應(yīng)用形式，3D打印的特點是成形易而改性難。目前工業(yè)化應(yīng)用的金屬3D打印熔覆制坯技術(shù)有激光熔覆沉積和電熔增材制造，其共同點是成形的金屬都是鑄態(tài)組織，與鍛件相比致密性較差，成形零件內(nèi)部存在氣孔，氣孔形貌呈規(guī)則球形或類球形，分布具有隨機(jī)性（圖5）。因此，受制造成本、致密性等因素限制，3D打印目前僅適用于較薄截面金屬零件的直接成形。

圖3 大型鍛件坯料的制造流程

圖4 金屬坯料制備技術(shù)

圖5 EAM成形零件內(nèi)部氣孔

⑵噴射成形。

噴射成形是用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細(xì)小熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝，現(xiàn)已成為世界新材料開發(fā)與應(yīng)用的一個熱點。然而，受快速凝固、制造成本等條件的制約，噴射成形技術(shù)目前僅適用于小型且較薄截面坯料或零件的制造，無法應(yīng)用于超大超厚截面的鋼錠/坯料的制造。

⑶“包覆式”鑄錠。

為了解決大型鋼錠偏析的難題，國外某研究所發(fā)明了“包覆式”制造ESR鋼錠技術(shù)。因為是逐層“包覆”，而且每一層又都是電渣重熔，故也稱為增材制造。

⑷“無痕構(gòu)筑”。

“無痕構(gòu)筑”的基礎(chǔ)是擴(kuò)散連接。同種或異種金屬在高真空、高溫、高壓、大變形等諸多要素作用下，在結(jié)合面形成牢固的金屬鍵，少量顯微孔洞和結(jié)合層在擴(kuò)散作用下進(jìn)一步消失，使結(jié)合界面與基體在成分、組織及性能上完全一致。擴(kuò)散連接技術(shù)已在復(fù)合板軋制等方面發(fā)揮了積極作用。由于同種材料間擴(kuò)散連接后的接頭組織結(jié)構(gòu)與母材基本相同，所以相同材料的“無痕構(gòu)筑”制坯會更加容易。

雖然“無痕構(gòu)筑”所制坯料的“面擴(kuò)散”和“體擴(kuò)散”可以通過鍛造（類似“揉面”）和鍛造過程中坯料的高溫保持（類似“醒面”）來解決，但大型坯料鐓粗過程中端部的難變形區(qū)及中部的拉應(yīng)力區(qū)兩大難題需要認(rèn)真對待。鐓粗時的難變形區(qū)可以通過上下增加隔熱墊加以改善（圖6），而拉應(yīng)力區(qū)則可以通過提高應(yīng)變速率或優(yōu)化鐓粗前的坯料形狀加以避免。

圖6 鐓粗時端部增加隔熱墊實際工況

一體化制造

從圖7～圖9可以看出，大型核電鍛件的發(fā)展趨勢是一體化鍛造成形。

圖7是核電鍛件從分體到整體，部分實現(xiàn)一體化的演變過程。其中的壓水堆核反應(yīng)堆壓力容器頂蓋鍛件經(jīng)歷了從分體式到AP1000的整體式再到CAP1400的一體化的發(fā)展歷程。

圖7 核電鍛件發(fā)展歷程

圖8顯示了直徑3m的汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鍛件從分段焊接發(fā)展為整體鍛造，以確保其心部FATT≤-20℃。

圖9是反應(yīng)堆壓力容器接管段鍛件從分體式到整體式再到半一體化式乃至終極目標(biāo)為一體化成形的技術(shù)進(jìn)步經(jīng)歷。到目前為止，國內(nèi)外優(yōu)秀鍛件供應(yīng)商已研發(fā)了大量一體化鍛件。

模鍛化成形

大型鍛件極端制造的最高目標(biāo)除了均質(zhì)化制坯和一體化制造以外，少無切削的模鍛化成形也是一個非常重要的內(nèi)容。

已實現(xiàn)模鍛化成形的鍛件

河北宏潤核裝備有限公司利用500MN壓機(jī)以模鍛方式制造出大型船用柴油機(jī)曲拐（圖10）和AP1000主泵泵殼（圖11）等鍛件，其中模鍛曲拐的材料利用率較彎鍛成形提高68%。

圖8 核電常規(guī)島超大型汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子

圖9 核反應(yīng)堆壓力容器接管段鍛件的發(fā)展經(jīng)歷

圖10 大型船用柴油機(jī)曲拐

圖11 AP1000主泵泵殼

待模鍛化成形的鍛件

中國一重發(fā)明的整體水室封頭仿形鍛造與國內(nèi)外其他鍛件供應(yīng)商的自由鍛造相比，材料利用率提高30%以上，但與成品鍛件相比仍有優(yōu)化空間（圖12）。為了實現(xiàn)超大異形鍛件模鍛化，對CAP1400反應(yīng)堆壓力容器一體化接管段及蒸汽發(fā)生器水室封頭的模鍛成形方案進(jìn)行了研究，其數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖13和圖14所示。

圖12 CAP1400蒸汽發(fā)生器水室封頭鍛件從自由鍛造到仿形鍛造

圖13 CAP1400 RPV一體化接管段模鍛數(shù)值模擬

圖14 CAP1400 SG水室封頭模鍛數(shù)值模擬

中國一重擬對支承輥和轉(zhuǎn)子等大型、超大型軸類鍛件的輥、軸身進(jìn)行擠壓，對輥、軸頸進(jìn)行模鍛。表2給出了材料為45Cr4NiMoV的2250mm連軋機(jī)支承輥不同成形方式所需費用對比，從表2中可以看出，采用連鑄坯疊鍛制坯并經(jīng)過模鍛成形與傳統(tǒng)的鋼錠開坯并經(jīng)過自由鍛成形相比，具有節(jié)材、節(jié)能和大幅度降低制造成本等優(yōu)勢。

表2 2250mm支承輥不同制造方式所需費用對比（單位：萬元）

注：模具費為156萬元分?jǐn)?/p>

設(shè)備保障

超大型鍛件追求的目標(biāo)是“形神兼?zhèn)洹保纫玫借T件的形狀，又要保持鍛件的組織與性能。為了實現(xiàn)“形神兼?zhèn)洹钡哪繕?biāo)，大型鍛件需要同時滿足“形”、“粒”、“力”三個方面的要求。“形”即近凈成形；“粒”即晶粒均勻且細(xì)小；“力”即三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成形。

為了實現(xiàn)增材制坯和模鍛化成形，以及確保超大型鍛件獲得“形”“粒”“力”全面發(fā)展，均需要研制在壓力、空間以及速度等方面能夠融匯模鍛壓機(jī)、自由鍛壓機(jī)與擠壓機(jī)優(yōu)勢的特種超級壓機(jī)，其壓力和空間尺寸可參照圖13和圖14，確定為1500MN；10m×10m×12m。建造1500MN壓機(jī)可以實現(xiàn)下述轉(zhuǎn)型升級。

⑴改變成形方法。

如果說上一輪鍛件制造的創(chuàng)新注重的是單體規(guī)模的大型化以及一體化，那么未來“中國制造2025”的創(chuàng)新將會是鍛件形狀上的個性化與精細(xì)化、材料上的高合金化、質(zhì)地上的強(qiáng)韌化與高密化，要實現(xiàn)上述創(chuàng)新，非超級壓機(jī)莫屬。

⑵改變制坯方式。

增材制坯代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄錠是一種革命性工藝創(chuàng)新，可以逐步取消超大型鍛件制造業(yè)的冶煉及鑄錠環(huán)節(jié)。既解決了鍛件制造業(yè)的冶煉及鑄錠操作者后繼無人的突出問題，又解決了超大型鋼錠均勻性、致密性差的世界性難題，還可以降低超大型鍛件制造成本50%以上（取消水、冒口，減少鍛造火次等）。

⑶鑄件改鍛件。

實踐證明，隨著重大裝備要求的不斷提高，產(chǎn)品零件以鍛代鑄已成為一種發(fā)展趨勢。核電主管道、泵殼等鑄件因無法滿足要求而改為鍛件。水輪機(jī)葉片也由鑄造成形發(fā)展為鍛擠成形。水輪機(jī)上冠、汽輪機(jī)缸體、軋制設(shè)備中的軸承座等零件的以鍛代鑄也將為期不遠(yuǎn)。

結(jié)論

⑴低Si控Al鋼冶煉和長水口保護(hù)澆注等技術(shù)是保證超大型鋼錠的純凈性與均勻性的首選。

⑵增材制坯是大幅度提高大型鍛件的均質(zhì)性和材料利用率的發(fā)展方向。

⑶一體化制造和模鍛化成形是大型鍛件極端制造的必由之路。

⑷超大型壓機(jī)是大型鍛件均質(zhì)化制坯、一體化制造和模鍛化成形的保障，亦是大型鍛件實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的充分必要條件。

—— 來源：《鍛造與沖壓》2018年第21、23期