大型鍛件的極端制造（上）

文/王寶忠·中國第一重型機械股份公司

大型鍛件的傳統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展，對大型鍛件的要求越來越高，不僅規格和截面越來越大，而且內在質量也不斷提高，傳統的制造方式已經難以滿足要求。為了適應高端裝備的需求，實現大型鍛件形質兼備的目標，急需對制造方式進行變革。為此，以傳統鋼錠制造技術提升和新型增材制坯技術開發為代表的均質化制坯、一體化制造及模鍛化成形等極端制造方式應運而生。

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）的基礎部件，其經濟帶動性強，涵蓋面廣，是裝備制造業產業鏈上不可缺少的重要一環。

大型鍛件傳統的制造方式是自由鍛造成形，“肥頭大耳”和“傻大黑粗”曾經是大型鍛件的代名詞。為了扭轉大型鍛件材料利用率低、成本高、質量不穩定的被動局面，需要創新思路，向“不可能”發起挑戰 ，進行大型鍛件的轉型升級。通過均質化、一體化、模鍛化，實現極端制造的目標。

均質化制坯

大型鍛件的質量主要表現在純凈性、均勻性和致密性三方面，提高大型鍛件的質量、降低制造成本、實現極端制造，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”的關鍵重要環節。因此，國內外鍛件供應商越來越重視鍛件坯料的制備。為了獲得均質化的坯料，除了對傳統制坯過程（冶煉、鑄錠、開坯）進行集成創新，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”的關系

圖1 大型鍛件的主要應用領域

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，中國一重集成創新發明了一系列冶煉及鑄錠技術。

⑴低硅控鋁鋼冶煉技術。

為了減少夾雜物并獲得本質細晶粒鋼，發明了低硅控鋁鋼制造技術。既提高了鋼液的純凈度、得到本質細晶粒鋼，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出了成分均勻、夾雜物少的高質量鍛件。

⑵保護澆注。

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，借鑒了冶金行業連鑄過程中采用“擋墻”、“擋壩”的經驗，發明了帶有“擋墻”、“擋壩”的新型中間包。數值模擬和工程實踐證明，相比于傳統的圓形中間包，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，在借鑒冶金行業經驗的基礎上，開發了長水口保護澆注技術，有效地避免了鋼液的二次氧化（圖2）。

3）二次補澆。

偏析是鋼液選分結晶和鋼錠凝固過程的必然結果，鋼錠越大，偏析及縮孔等缺陷越嚴重。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生斷裂。經對斷裂部位宏觀形貌分析，發現二次縮孔嚴重，冒口下部的C含量竟高達1.16%，接近標準值的2倍。為了解決這一難題，發明了鋼錠二次補澆技術，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 保護澆注與傳統澆注方式對比

增材制坯

盡管國內外大型鍛件供應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，傳統的鋼錠制備和開坯方式（圖3）導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。

當前，世界各國紛紛將增材制造作為未來產業發展的新增長點，力爭搶占未來科技和產業制高點。我國增材制造產業的發展階段已從研發轉向產業化應用，新設備、新技術、新材料、新應用程序不斷推陳出新，越來越多的企業將增材制造作為產業升級和技術轉型的方向。

增材制造技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件，相對于傳統的材料去除——切削加工技術，是一種“自下而上”的制造方法。關橋院士提出了“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技術結合、分層累加材料的技術體系；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的大范疇技術群。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的金屬坯料制備技術進入了開發應用階段（圖4）。

⑴3D打印。

作為AM的一種應用形式，3D打印的特點是成形易而改性難。目前工業化應用的金屬3D打印熔覆制坯技術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組織，與鍛件相比致密性較差，成形零件內部存在氣孔，氣孔形貌呈規則球形或類球形，分布具有隨機性（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

圖5 EAM成形零件內部氣孔

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，現已成為世界新材料開發與應用的一個熱點。然而，受快速凝固、制造成本等條件的制約，噴射成形技術目前僅適用于小型且較薄截面坯料或零件的制造，無法應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，國外某研究所發明了“包覆式”制造ESR鋼錠技術。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“無痕構筑”。

“無痕構筑”的基礎是擴散連接。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，在結合面形成牢固的金屬鍵，少量顯微孔洞和結合層在擴散作用下進一步消失，使結合界面與基體在成分、組織及性能上完全一致。擴散連接技術已在復合板軋制等方面發揮了積極作用。由于同種材料間擴散連接后的接頭組織結構與母材基本相同，所以相同材料的“無痕構筑”制坯會更加容易。

雖然“無痕構筑”所制坯料的“面擴散”和“體擴散”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及中部的拉應力區兩大難題需要認真對待。鐓粗時的難變形區可以通過上下增加隔熱墊加以改善（圖6），而拉應力區則可以通過提高應變速率或優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