核电站核岛大型压力容器封头是核电站主设备中最重要的承压部件,具有形状复杂、轮廓尺寸大、重量大和结构一体化等特点,制造过程中金属材料需要在高温条件下经历长时间、多火次和多道次反复锻造成形,属于典型的大构件极端热制造范畴。而在该类大型锻件的生产制造过程中,不仅需要满足产品的形状尺寸要求,更需要对产品的微观组织进行调控----即通过调控回复、再结晶及晶粒长大等微观组织的演变,最终获得符合要求的微观形貌。因此,在制定大型锻件的锻造成形工艺时,亟需掌握在热锻成形过程中材料的流动、各物理场(应力场、温度场、应变场等)的分布及微观组织的演变规律。本文以核电用钢SA508-3的热变形特性和大型核电封头的热锻成形为研究对象,研究了该材料在加热、变形过程中以及道次间隔后微观组织的演变规律,建立了相应的数学模型,开发了精度可靠、宏微观结合的数值模拟软件,并应用于大型核电封头成形工艺开发。本文的主要研究工作如下:1.材料热变形时微观组织演变及模型建立(1)针对大型锻件热锻成形时需要经历高温、长时间以及多火次加热变形的特点,研究了工艺参数(加热温度、保温时间和加热速率)对晶粒长大规律的影响,建立了该材料的晶粒长大动力学方程及初始晶粒尺寸模型,结合透射电子显微镜(TEM)分析研究了该材料加热过程中晶粒异常长大机理,为制定锻造生产加热工艺提供理论基础和计算依据。(2)针对热变形时发生动态回复和动态再结晶的软化行为,采用Gleeble热模拟机完成了等温恒应变速率的压缩试验,研究了SA508-3钢的高温流变特性,建立了反映加工硬化-动态回复和动态再结晶动力学的两段式流变应力方程;通过对变形后淬火试样组织演变规律分析,获得了动态再结晶的晶粒尺寸模型。(3)大型锻件的热锻成形属于多道次高温变形过程,各道次间隔内材料仍处于高温状态,期间所产生的亚动态、静态再结晶软化及获得的微观组织也是热锻全流程晶粒演化的重要环节。基于Gleeble双道次热压缩实验,研究了热变形工艺参数(变形温度、应变速率、应变量、道次间隔时间及初始晶粒尺寸等)对SA508-3钢静态软化规律的影响,并结合Avrami方程分别建立了反映该钢亚动态、静态再结晶软化特性的动力学方程及晶粒尺寸模型。2.基于DEFORM 3D软件非稳态变形条件下模型集成开发的关键技术由于动态、静态软化动力学方程及晶粒尺寸演变数学模型是在稳态实验条件下获取的,而实际金属热变形过程是处于非稳态且连续性发生,因而在用户自定义子程序及其与DEFORM-3D有限元软件进行集成时,需要对非稳态工艺条件下的流动应力与微观组织演变数学模型进行修正。其非稳态变形数学模型处理关键技术主要包括:(1)采用非稳态过程本构方程对过程变量的导数,流动应力对应变、应变速率进行偏微分计算修正流动应力模型;针对稳态下建立的动态、静态软化动力学方程及晶粒尺寸模型,提出了应变域内获得的Zener-Hollomon参数平均值计算处理,而在整个变形应变域内则采用每一增量步累积值叠加的修正方法,实现了非稳态工艺条件下热变形过程和晶粒演变的连续计算。(2)研究了热变形过程中前、后道次间隔软化行为的多道次间隔工艺参数处理技术,采用对残余应变和道次等效应变修正的计算方法,将修正后的应变传递到流动应力及微观组织演变计算模型中,实现了多道次热变形的多物理场模拟预报。(3)考虑到热变形过程伴随着温度变化的特点,提出采取温度补偿等效时间修正方法,将非稳态变温过程离散为若干时间增量步,采用微分后的时间增量计算每个时间增量步的单元平均温度,从而累加计算得到非稳态变温过程的等效时间。(4)基于粗化实验及数值模拟分析研究了大锻件成形中的晶粒粗大机制与控制方法。3.基于DEFORM 3D集成开发的数值模拟软件对核电大型蒸汽发生器及水室封头成形新技术开发(1)采用数值模拟技术研究了核电CAP1400某蒸汽发生器大型封头锻件终锻成形加热及成形过程的晶粒控制方法,模拟分析了坯料加热过程中加热温度与保温时间等对温度场和晶粒尺寸分布的规律,获得了加热工艺的参数范围。进而针对该蒸汽发生器大型封头的终锻成形过程进行了全流程数值模拟,通过对比分析模拟结果与实际成形过程,提出了该大型封头晶粒均质化控制的锻造成形工艺方案。(2)采用数值模拟方法研究了核电AP1000某核反应堆大型带管嘴的复杂水室封头整体成形工艺,开发了该型核电水室封头“预锻胎模制坯+热冲压成形”相结合的新工艺。通过数值模拟优化了该新品锻件的成形坯料及模具,预报了热冲压成形载荷及相关物理场,在实验室完成了1:25小件实验,并在某重型机械厂开展了1:5模拟件试验研究,分析表明,其实测结果与模拟结果吻合良好,最后对1:1锻件成形全流程进行了数值模拟。该工艺属于近终成形方法,无论在材料利用还是在成形件性能控制都有较明显的优势。