摘要：大型锻件制造技术水平是国家热加工极端制造能力的体现。本文根据大型锻件发展的历程，简述了从传统自由锻理论及技术的发展，到超大型锻件锻造成形工艺与技术的创新以及极端制造理念下，超大型锻件的极端制造理论与技术的发展趋势。

文章来源：《锻造与冲压》2024年第19期

文/陈慧琴·太原科技大学材料科学与工程学院

大型锻件制造技术水平是国家热加工极端制造能力的体现。本文根据大型锻件发展的历程，简述了从传统自由锻理论及技术的发展，到超大型锻件锻造成形工艺与技术的创新以及极端制造理念下，超大型锻件的极端制造理论与技术的发展趋势。

大型锻件是发展电力、船舶、冶金、石化、大型机械和国防等工业的基础，其制造技术水平是国家热加工极端制造能力的体现，也是衡量一个国家工业水平和国防实力的重要标志之一。

由于大型锻件原始钢锭的尺寸巨大，结晶过程缓慢，因而钢锭的凝固组织异常粗大和不均匀，且含有不同程度的孔隙性缺陷。因此，其锻造成形成性通常包括开坯锻打改善铸锭的锻造加工性能；镦拔大变形制坯锻合钢锭内部的孔隙性冶金缺陷，碎化粗大的铸态组织；以及控温控锻晶粒细匀化的成形成性三个阶段。根据原始钢锭的冶炼方式和凝固组织特征，这三个阶段的侧重点各有不同。对于采用常规冶炼工艺获得的大型钢锭，后两个阶段作为锻造成形成性的关键，一直是大型锻造理论研究、工艺创新和技术进步的重点领域。“十一五”以来，我国大锻件行业得到前所未有的高速发展，大型锻件制造企业在工艺装备水平、产品等级和生产能力、以及大型锻造技术水平等方面有了大幅提升，核电、超超临界火电机组和海洋工程等领域的极限制造能力和高端大锻件制造关键技术取得了重大突破。然而，随着锻件尺寸的超大型化和形状的异形化、合金成分的复杂化、以及钢锭特殊制备技术的出现，对锻造成形技术也提出了更高的要求。

大型锻件通常采用镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长和芯轴扩孔等传统的自由锻工艺成形成性。随着制造业的发展，大型锻造理论与技术的进步也呈现不同的发展阶段。第一个阶段是自20 世纪50 年代到90 年代期间。世界各国锻造工作者就自由锻工艺理论和工艺进行了大量的探索性研究。在拔长锻造工艺方面，在传统平砧拔长的基础上，先后提出了一系列新的拔长方法，如上平砧下V 型砧拔长、FM 法、WHF 法、KD 法、SUF 法、TER 法、JTS 法、FML 法和AVD 法。这些方法的共同点是采用宽砧、大压下量来消除心部轴向拉应力和锻合内部孔隙性缺陷。其中，最具代表性的是JTS 法、FM 法和WHF 锻造法，并成功应用于汽轮机低压转子等大型轴类锻件、大型饼类和板类锻件的制造。

第二个阶段是20 世纪末到21 世纪初。一方面是以燕山大学的刘助柏教授团队为代表，对传统镦粗和拔长的再认识和新理论的提出。刘助柏教授等针对传统镦粗和拔长自由锻工艺理论存在认识不足的问题，通过对普通平板间镦粗圆柱体，根据其高径比的不同，提出了两个新理论。一是高径比大于1 的刚塑性力学模型的拉应力理论；二是高径比小于1 的静水应力力学模型的剪应力理论。在此基础上，还提出了锥形板镦粗的新工艺及其力学原理。在拔长工艺理论方面，应用方柱体镦粗的两个新力学模型与拔长的刚端影响问题，提出了一个新的工艺参数——料宽比，以正确地描述拔长体中心区域的应力状态，有效控制锻件质量，并提出了增加料宽比对横向拉应力控制的“新FM 法”。在此基础上，提出了横向无拉应力锻造法。

另一方面是国内高校和科研院所陆续开展了钢锭内部孔隙性缺陷锻合，以及锻造过程中动静态再结晶微观组织模拟预测和控制方面的研究。在钢锭内部孔隙性缺陷锻合方面，清华大学较早地开展了系统深入的研究，任猛等提出了有效压实锻造法，从有效压实临界条件的确定出发，导出了获得无锻造性缺陷锻件的有效压实法锻造工艺准则，并在后期总结出了大型自由锻造技术的要点。上海交通大学崔振山教授团队，围绕大锻件内部空洞的多尺度问题，基于细观塑性理论，采用体胞模型和里兹法，推导出了大锻件内部空洞的体积演化方程。通过分析空洞闭合的力学条件，建立了大锻件内部空洞的热锻闭合准则。在锻造过程中动静态再结晶微观组织模拟预测和控制方面，太原科技大学刘建生教授团队，先后研究了Mn18Cr18N、316LN、304、12%Cr 及2.5Cr1MoV 等材料在多火次、多工序热锻过程中微观组织演变规律及晶粒细匀化控制技术，深入开展了大型锻造工艺微观组织预测与控制方面的研究工作，解决了锻造过程动态和静态再结晶模拟计算关键技术，开发了刚粘塑性有限元软件TFORM2 和TFORM3，提出了热力学物理模拟、微观模拟与数值模拟集成的热成形现代研究方法，实现了微观模拟与宏观变形的耦合分析。在此基础上，开发了护环大锻件的扩挤复合成形短流程工艺、核电主管道的小变形累积晶粒细匀化技术等。上海交通大学崔振山教授团队，以SA508-3 核电用钢、SS400低碳钢、30Cr2Ni4MoV 低压转子钢、核电用钢316LN 不锈钢为研究对象，将理论建模、数值模拟和实验研究相结合，根据应变——位错密度——再结晶——流变应力之间的宏微观相互影响规律，建立了包含奥氏体化晶粒长大——变形——回复——动态再结晶——亚动态再结晶和静态再结晶各过程在内的微观组织演变的唯象数学模型或元胞自动机模拟方法，集成热锻非连续变形多尺度数字化仿真系统，实现了大锻件多工步、多道次热锻过程微观组织演变的多尺度模拟。

“十一五”以来，能源装备大型化和高端化的发展趋势，使得大型锻件的规格越来越重型化，形状更加复杂、性能要求更高、服役环境更加严苛，传统自由锻造技术已难以满足其要求。因此，在我国重型机械行业企业创新能力的驱动下，在绿色低碳制造的时代背景下，大型锻件的一体化锻造和近净成形技术应运而生，通过变革性的成形方法和工艺创新，使锻件在合理的热成形流程下，既能够得到像铸件所拥有的复杂形状，同时也具备锻件的致密性和组织均匀性。如一重采用胎模成形、局部挤压等方式，实现了部分锻件的一体化制造，研制出一体化整体筒体、整体顶盖、整体底封头等核电重型高端复杂锻件。二重针对不同结构的封头，开发出了热拉伸成形、胎模旋压全仿形锻造、胎模旋压半仿形锻造与气割修刨组合成形工艺、拉伸成形与管嘴翻边复合成形工艺等创新技术。中信重工开发出了旋镦、滚锻和胎模锻旋压等技术，成功制造了特大型海工打桩锤异形大锻件。

在此基础上，为了达到压应力成形，有效控制锻造裂纹，提高材料利用率，降低能耗，缩短制造周期，提高超大规格锻件质量，中国一重创新提出了大型锻件的FGS 锻造。FGS 锻造是F(Forming，成形) 、G(Grain，晶粒)和S(Stress，应力)缩写，是一种同时将成形、晶粒与应力有机结合，让锻坯在多向压应力下近净成形，使锻件全截面都能获得均匀细小晶粒的锻造方法。其目的是在同一个火次内使坯料的各个方向均在压应力下近净成形，从而使锻件获得均匀细小晶粒，从而有效解决超大型一体化锻件余量大、开裂以及混晶缺陷的问题。

大型装备主体结构整体化是实现装备高功能的重要技术因素，但已有制造技术使大型结构的各部分性能差异可高达30%～50%，装备服役存在巨大安全风险。极端制造概念的提出，明确了超大型锻件的制造属于极大尺寸效应下的极端制造。在极大尺寸效应下，以前的常规制造原理、方法和技术，有的可能将不再适用，必须探索研究新的、甚至是颠覆性理论、方法和技术。如中科院金属所提出的大型钢锭的构筑成形和中国一重提出的大型锻件增材制坯新技术，就是制备均质化超大尺寸钢锭的变革性方法与技术。

实现超大型锻件的锻造成形有两条路径。其中，一条路径的思路是“以大制大”，即用超大型压机制造超大型锻件，实现大型锻件的一体化成形。如中国一重采用自主研发的3700mm 筒体轧机成功锻造了外径9.1m、壁厚360mm、高度2.7m 的筒体类锻件。国内已建成的以大型航空模锻件为主的超大型模锻压机，万航800MN 模锻压机，陕西阎良的400MN 压机以及南山铝的500MN 模锻压机。为了实现我国重型锻件的极端制造及一体化成形，中国一重拟建设一台1600MN 压机，开间达10m，净空距达15m，能够满足我国核电机组、石化容器、大飞机、火箭运载、潜水器等领域整体结构部件的高质量一体化仿形锻造需求。通过建设超大型压机，可实现重型高端复杂锻件制造技术的变革性创新。

另一条路径的思路是“以小制大”，即采用局部加载方式，通过加载方式和加载路径的优化组合，来实现大型锻件的整体成形成性。在这方面，传统的拔长、芯轴拔长或芯轴扩孔等自由锻工艺，以及胎模锻中的局部挤压和局部翻孔等技术已经积累了丰富的经验。但是，以往的成形理论、方法和技术的提出，有些没有充分考虑大尺寸效应的影响，没能从极大尺寸制造的理念出发，形成系统完整的理论、方法和技术。如在大型锻造过程动静态再结晶微观组织模型的建立和模拟方法中，没有充分考虑原始钢锭凝固晶粒组织的形貌非均匀、尺寸非均匀和成分非均匀的大尺寸效应给再结晶规律和模拟精度带来的影响；在热变形参数表征的热锻开裂中，也缺乏从大尺寸效应引起的梯度角度进行研究和探讨等。因此，针对锻件的大型化、形状复杂化、材料均质化等特点，从极端制造的视角，建立极大尺寸构件的热成形理论、方法和技术，既是传承，更是发展。

本文在概括总结传统自由锻理论和工艺发展的基础上，阐述了超大型锻件锻造成形工艺与技术方面的创新及其应用。最后，指出了超大型锻件的极端制造理论与技术的发展趋势，以及在极端制造的理念下，超大型锻件成形理论与技术发展的两条路径以及各自的成形特点和意义。

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来源：锻造与冲压