金属构筑成形技术研究进展核电论坛课件

1金属金属构构筑成形筑成形技技术术研究研究进进展展2019年核能发电技术创新高峰论坛1金属构筑成形技术研究进展2019年核能发电技术创新高峰论坛1中科中科院院金属金属研研究究所所金属所成立于1953年，是中科院新建的首批研究所。主要从事结构、功 能材料的研发、制备与表征。胡锦涛总书记2008年视察时评价：“金属 所是我国材料科学与工程研究的重要基地”。在职员工1700余人，其中两院院士8人，国家杰青18人。累计获得科技 成果奖400余项，国家级奖90余项，包括国家科技进步特等奖、国家自 然科学一等奖、国家技术发明一等奖和国家科技进步一等奖。师昌绪院士获国家最高科学技术奖李克强调研金属所中科院金属研究所金属所成立于1953年，是中科院新建的首批研23主要从事重大装备大型铸锻件关键技术开发与应用。涵盖“冶炼-铸造-锻造-焊接-热处理”热制备全流程。团队成员总计92名。其中，固定工作人员40名，包括院士1人，研究 员5名，副研究员14名，高级工程师2名；80后青年骨干占80%以上。科技部重点领域创新团队沈阳材料科学国家实验室：先进钢铁材料研究部3主要从事重大装备大型铸锻件关键技术开发与应用。科技部重点领341.大型大型铸钢铸钢支承支承辊铸辊铸件（件（2002-2007）2.大型船用曲大型船用曲轴锻轴锻件（件（2004-2008）3.三峡水三峡水轮轮机机转轮转轮不不锈钢铸锈钢铸件件（2004-2009）4.百万千瓦核百万千瓦核电电机机组组大型大型锻锻件件（2007-）5.高速列高速列车车关关键键材料与工材料与工艺艺（2007-）6.大型大型实实心与空心心与空心钢锭钢锭（2005-）7.规规模化模化铸锻铸锻件（件（2002-）工工程程实际实际应应用用41.大型铸钢支承辊铸件（2002-2007）工程实际应用45大大锻锻件的件的先先进进控形控形控控性技性技术术大锻件是指重量在百吨级以上的超大尺寸构件，其制造能力 是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。深入研究大锻件的成形、缺陷与组织演化规律，形成对经典 科学问题再认识。在此基础上，开发出原型技术，支撑企业 实现国家战略装备关键大锻件国产化，解决瓶颈问题。主要主要研研究方究方向向长长12m，直径直径1.8m，净净重重250t的核的核电电低低压转压转子，需子，需750t钢锭锻钢锭锻造造5大锻件的先进控形控性技术主要研究方向长12m，直径1.8m56大型锻件是当前我国能源电力、交通运输、航空航天、武器装备领域的核 心部件，常在高（低）温、高压、辐照、腐蚀、重载等极端条件下服役，其质量稳定性关乎重大工程的安全可靠运行。正在规划建设的四代核电、低温风洞、运载火箭、航母潜艇等超级工程也对高品质大型锻件提出了迫切的需求。航空航空/燃机燃机涡轮盘涡轮盘飞飞机机铝铝合金隔框合金隔框船用大船用大锻锻件件支承支承环环已列入核已列入核电电重大重大专专项项核核电电容器器封容器器封头头低温低温风风洞洞压缩压缩机主机主轴轴近近期期代表代表性性工工作作金金属构筑属构筑成成形技形技术术6大型锻件是当前我国能源电力、交通运输、航空航天、武器装备领67传统传统上，上，大大锻锻件采取件采取“以大以大制大制大”的的手段手段制造，即制造，即先做先做大大铸锭铸锭再再制造制造大大锻锻 件。由于件。由于金属金属凝固存在凝固存在尺寸尺寸效效应应，规规格越格越大的大的铸铸锭锭偏析偏析、疏、疏松松等等缺陷缺陷越越严严 重，重，导导致致锻锻件件的均的均质质性性越差越差，严严重影重影响材响材料使役性料使役性能，能，已成已成为为世世界性界性难题难题。迫切需要迫切需要开开发发变变革性技革性技术术，解决大解决大锻锻件宏件宏观观偏析等偏析等缺陷缺陷，实现实现均均质质化化制制备备。瓶瓶颈颈性性问题问题3300 mm2400 mm图图1 1 广东台山核电站因蒸发器封头大锻件的 碳偏析问题，建成3年仍未获准装料运行。(美国、法国的核电站也出现相同问题)图图2 2 百吨级大钢锭中存在的严重中心缩孔缺陷（长度2.7m，宽度20mm）碳：碳：0.22%0.39%7传统上，大锻件采取“以大制大”的手段制造，即先做大铸锭再制78万里长城是由一砖一瓦构建而 成，类似地，金属大构件是否 也可实现构筑成形？技技术术原理原理均质板坯表面预处理真空封装锻造成形高压形变高温加热金属构筑金属构筑成形技成形技术术：将：将多多块块均均质质化基化基材材经经表表面面处处理理、堆、堆垛垛组组坯、坯、真空封真空封装后，在装后，在高温高温下下实实施大施大变变形形，充分愈，充分愈合并合并消除界面消除界面，实实现现“无痕无痕连连接接”。核心思想核心思想是是“基元构筑基元构筑，以，以小制大小制大”，能能够够以以较较低低成本成本实现实现高品高品质质均均质质 化大化大锻锻件件的制的制备备，这这是是在国在国际际上尚未上尚未见报见报道的大构道的大构件制件制造造领领域原域原始始创创新新。孙孙明明月月，李殿中，徐斌，李依依，金属构筑成形方法，PCT/CN2015/0830188万里长城是由一砖一瓦构建而 成，类似地，金属大构件是否 也89技技术术原理原理金属表面状态高温大变形工艺界面冶金结合与成分、组织均匀化金属构筑成形的技术本质是固态变形扩散连接。在高真空、高温、高压、大 变形等多要素作用下，表面充分洁净的两块金属接近到原子引力作用的范围 内，形成牢固的金属键，少量显微孔洞和结合层在扩散作用下进一步消失，使结合界面与基体在成分、组织、性能上完全一致，实现“无痕”连接。9技术原理金属表面状态高温大变形工艺界面冶金结合与成分、910关关键键科学科学问问题题金属构筑需要重点解决构筑基元和界面消除问题，实现构筑后的均质化。基元均质界面无痕高温保压多向形变若干合金均质化构筑基元制备表面状态对界面结合的影响规律多场耦合作用下的界面愈合机理界面氧化膜分解和组织均匀化机制10关键科学问题金属构筑需要重点解决构筑基元和界面消除问题，1011(d)(e)(f)构筑构筑界界面面组组织织演演化化行行为为=0,T=RT=0=0.05(a)(b)(c)=0.1=0.2=0.4IN718 alloy,T=1150,=0.001s-1随着应变量的增大，构筑界面从平直的界面转变为弯曲的晶界，在界面处新生成的晶粒将界面两侧完全地冶金连接在一起。11(d)(e)(f)构筑界面组织演化行为=0,T=RT1112界面界面氧氧化物化物的的演演化化 保温时间，界面残存的氧化物逐渐消失，保温足够长时间后，界面完全愈合；保温时间，界面两侧形成颗粒物析出区（PPZ），且析出区域宽度逐渐增加；析出颗粒物尺寸随保温时间，逐渐减小。Particle precipitation zone12界面氧化物的演化 保温时间，界面残存的氧化物逐渐消失1213氧化氧化物物析析出相出相的的成分成分和和类类型型演演化化MnCrxAl2-xO4MnxAl3-xO4-Al2O3保温12h界面两侧析出相颗粒的HAADF-STEM图不同保温时间的析出颗粒均有相同的FCC结构及空间群，且均为Mn、Cr和Al的氧化 物，随保温时间增加，析出颗粒物中Cr和Mn含量逐渐降低，而Al含量逐渐升高。随保温时间增加，析出颗粒物类型由MnCrxAl2-xO4MnxAl3-xO4-Al2O3。13氧化物析出相的成分和类型演化MnCrxAl2-xO4M1314界界面面愈合愈合机机制制14界面愈合机制1415专专利利保保护护作为原创性成果，金属构筑技术已申报15项专利的专利群，包括2项国际专利。1.孙明月，李殿中，徐斌,刘宏伟,李依依，金属构筑成形方法，201511027492.42.孙明月，李殿中,徐斌，同质金属构筑成形方法，201511026272.X3.孙明月，李殿中,徐斌，异质金属构筑成形方法，201511027403.64.李殿中，孙明月,徐斌,李依依，用于金属构筑成形过程的封装方法，201511029128.15.徐斌，孙明月,李殿中，分层多列堆垛金属构筑成形方法，201511029143.66.徐斌，刘宏伟,孙明月,李殿中，圆柱体金属构筑成形方法，201511027686.47.孙明月，徐斌，夏立军，李殿中，李依依，用于金属构筑成形制造工艺的制造系统，201610083672.28.孙明月，徐斌，夏立军，李殿中，用于金属构筑成形制造系统及其堆垛单元，201610083189.49.夏立军，刘宏伟，徐斌，孙明月，李殿中，金属构筑成形制造系统及其封装单 元，201610083671.810.孙明月，徐斌，夏立军，李殿中，金属构筑成形制造系统及清洗单元，201610083195.X15专利保护作为原创性成果，金属构筑技术已申报15项专利的专1516关关键键装装备备16关键装备1617技技术术优势优势品品质优势质优势凝固基元体积小，尺寸效应消失，成分偏析小、缩松、裂纹减轻；凝固过程可控性强，实施电磁搅拌、末端压下技术，基材均质、致密。成本成本优势优势锻件基材连铸制造，没有浇冒口，材料利用率提升15-40；连铸坯成本较模铸钢锭低500-1000元/吨。环环保保优势优势钢厂炼钢连铸，锻造厂封焊和锻造，冶金和冷、热加工最佳协作；减少热加工火次，大幅降低能耗和污染（30以上），实现绿色制造。质质量量优势优势基材可设计性强，无痕连接，大型构件洁净、均质、致密；连铸、连接、锻造过程均可自动化，无人为因素，质量稳定可控。17技术优势品质优势171815.4米不锈钢支承环是四代核电的标志性大锻件，承受7000吨重量。采用构筑成形技术，已完成5000mm样件制造，锻件径向、切向、轴向的 室温和高温强度、韧塑性、疲劳性能一致性好，甚至优于实验室水平。（1 1）四代核）四代核电电巨型支承巨型支承环环316不锈钢在研在研项项目目核电的脊梁1815.4米不锈钢支承环是四代核电的标志性大锻件，承受71819现现有基有基础础轧环现场15.6m支承支承环环百吨级不锈钢整体构筑成形环锻件成功轧制，获各媒体报道。19现有基础轧环现场15.6m支承环百吨级不锈钢整体构筑成1920(2)(2)四代核四代核电电大口径不大口径不锈钢压锈钢压力管力管在研在研项项目目采用构筑成形方法，已完成735mm10000mm大口径不锈钢压力管制造。用10t构筑坯替代了80t传统电渣锭，大幅提升了材料利用率。核电的主动脉316不锈钢20(2)四代核电大口径不锈钢压力管在研项目采用构筑成形方法2021在研在研项项目目AP1000/AP1000/小堆核小堆核电电机机组组水室封水室封头锻头锻件研制件研制在核电重大专项的支持下，拟应用构筑成形技术，与728院、一重联合研制核电封头锻件。21在研项目AP1000/小堆核电机组水室封头锻件研制在核电2122未来未来工工作作设设想想基基础础研究研究方方面面阐明界面再结晶、氧化膜分解、原子扩散和演化规 律，创建均质化大构件的新型增材制造理论方法，引领学科发展；开发出基材表面高效加工与预处理、多块基材真空 封装、高温多向形变与界面愈合原型技术，建立构 筑成形构件的界面表征方法与性能评价标准体系。22未来工作设想基础研究方面2223重型燃机涡轮盘飞机铝合金隔框舰船尾轴、耐压壳四代核电主容器已列入核电重大专项黑斑、白斑问题一体化成形问题中心缺陷问题一体化成形问题核电蒸发器封头碳偏析问题均质化制造问题XX风洞压缩机未来未来工工作作设设想想工程化方面工程化方面建建设设首台首台套构套构筑成形生筑成形生产产线线(投投资资3.53.5亿亿)，承接来承接来自国自国家的重大家的重大任任务务，解解决决战战略性略性装装备备核核心心部件部件制造的制造的卡卡脖子脖子难题难题。23重型燃机涡轮盘飞机铝合金隔框舰船尾轴、耐压壳四代核电主容2324谢谢谢谢!24谢 谢!24