核反应堆大规格镍基合金开坯锻造方法与流程

1.本发明涉及一种核电核反应堆大规格结构件的锻造成型工艺，尤其涉及核电核岛内镍各类基合金支撑件、核反应堆堆内镍基合金构件中环、核反应堆堆内构件流量分配裙筒、泵壳外环及u型管等的锻造工艺方法。


背景技术：

2.镍基合金较一般合金具有硬度强度好、抗腐蚀、抗氧化、耐磨耐高温、抗辐照，是核电核反应堆内构件制造首选材料。但满足质量要求的加工成形较困难，特别是核动力堆、移动堆减重制造、减少焊缝、减少在役检查，对深孔、异形、球形多接管、大直径筒体、环件一体化锻造成形更难，达到要求力学性能、金相组织要求困难。
3.由于镍基合金是单一奥氏体组织，没有固态相变，因此不能通过后续性能热处理调整锻件的晶粒尺寸，锻造过程的组织控制尤为关键。此外，由于镍基合金的变形抗力大，特别是当铸锭表面温度降至终锻温度以下，变形抗力急剧增大，易产生表面开裂现象。因此，镍基合金在锻造过程关键控制点有两个：一是成形性控制，即防止热裂和冷裂的发生；另一方面是锻件组织均匀性的控制，通过控制温度、火次、应变速率、变形量等工艺参数获得径向组织均匀性较好的锻件。因此，在设计镍基合金的锻造工艺时，必须科学合理地设计锻前加热、均匀化、锻造温度、火次、应变速率、变形量和冷却方式等制造环节。
4.法国、日本、德国和美国处于国际领先水平，镍基合金关键复杂锻件制造技术已达到高度专业化。在进入21世纪以后，我国提出“积极发展核电”的方针，我国以世界上绝无仅有的速度大力发展核电，要在尽可能短的时间内具备核电装备材料研发、制备和加工的能力。目前核电装备材料如奥氏体不锈钢sa508-3、304、316，镍基核电装备材料600、690和750等都已经实现国产，但核岛关键构件的自主研发制造方面的技术还有待突破，特别是堆内镍基合金锻件仍然主要依靠进口，虽然部分产品取得了突破，但是仍然以“数量换质量”制造模式为主，并没有掌握其热机械处理过程的控性制造技术，关键技术突破成为我国堆内关键复杂镍基合金构件亟待解决的重大科学技术挑战。


技术实现要素：

5.针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种核反应堆大规格镍基合金开坯锻造方法，不仅能有效控制锻件的成形，防止热裂和冷裂的发生，而且能有效控制锻件组织的均匀性，从而获得晶相组织均匀性较好的锻件。
6.为了解决上述技术问题，本发明的核反应堆大规格镍基合金开坯锻造方法，该开坯锻造方法包括以下步骤：
⑴
首次锻造：采用始锻温度1180℃～1140℃、终锻温度980℃～920℃，对镍基合金铸锭进行多火次锻造，经预镦粗、滚圆和拔长完成铸态组织转变；总镦粗比为3.0～3.1，拔长比2.0～2.1；
⑵
后续锻造：对上述锻件进行后续锻造实行晶粒组织的控制，始锻温度1200℃～1160
℃、终锻温度980℃～920℃，对镍基合金锻坯进行大变形锻造，该火次的变形量为40%；
⑶
末次锻造：对镍基合金锻坯进行一次火锻造，使锻坯组织均匀细化，始锻温度1150℃～1110℃、终锻温度980℃～920℃，锻造过程中总变形量75%，各火次的变形量≥15%。
7.进一步地，对上述镍基合金锻坯依次进行下列步骤：冲压筒孔：沿镍基合金锻坯的轴心线方向冲压筒孔，该冲压筒孔为通孔；芯棒扩孔：将圆杆状的扩孔芯棒穿入冲压筒孔中，以上平砧对带冲压筒孔的短圆柱镍基合金锻坯外周施压，并不断地转动扩孔芯棒上的镍基合金锻坯，使镍基合金锻坯的中心筒孔直径达到芯棒直径的两倍，形成扩孔锻坯。
8.进一步地，将直径为扩孔芯棒两倍的拔长芯棒穿入镍基合金扩孔锻坯的筒孔中，以上平砧对扩孔锻坯进行锻压，形成一段外径大于另一段外径的不等外径的筒状拔长锻坯；该拔长锻坯的总拔长比3.5—3.8；再将具有两段不同棒径的成型芯棒穿入拔长锻坯的筒孔中，成型芯棒的不同棒径段之间以圆锥面相连；以成型平砧锻压拔长镍基合金锻坯筒壁，并不断转动成型芯棒上的基合金锻坯，而锻压成成型筒坯 ；成型平砧的锻压面为折面，该折面与成型芯棒的棒面形状相吻合。
9.进一步地，将成型筒坯空冷至400℃—500℃后，再送至加热炉中加温至640℃—660℃，保温3—5小时后，随炉冷却至120℃出炉空冷至室温；再将成型筒坯送入加热炉加温至940℃—960℃，保温7小时后，从加热炉中取出空冷形成镍基合金筒体锻件。
10.进一步地，所述镍基合金锻坯的每一次锻造镦粗比为1.5—1.6。
11.本发明的开坯锻造方法具有如下显著优点：采用了首次、后续和末次锻造工序，并分别采用对应的始锻温度和终锻温度，使得镍基合金锻件锻坯能充分热透，内部组织均匀化；由于核岛用大规格锻件断面尺寸大，直接连续升温加热方法会在坯件中形成较大的温度梯度，本发明根据镍基合金材料的特性，采用不同加温、保温规范，确保大体积、大断面锻件能够均匀热透，使镍基合金锻件心部、表面各区域间的加热温度一致，避免因断面温度差产生温度应力，而导致镍基合金锻件钢锭开裂，杜绝镍基合金铸坯加热升温所引起的内部组织缺陷，同时本发明确定的始锻温度、终锻温度及加热速度，使镍基合金锻造坯件能在较好的塑性状态成型，既有效防止产生过热、过烧，又保证锻件再结晶充分，从而获得较好的再结晶组织，大大提高了锻件金属塑性和锻件质量。
具体实施方式
12.下面结合二个具体实施方式对本发明核反应堆大规格镍基合金开坯锻造方法作详细说明。
13.实施例一：首次锻造：采用始锻温度1180℃、终锻温度980℃，对镍基合金铸锭进行多火次锻造，经预镦粗、滚圆和拔长完成铸态组织转变；总镦粗比为3.0，拔长比2.0；后续锻造：对上述锻件进行后续锻造实行晶粒组织的控制，始锻温度1200℃、终锻温度980℃，对镍基合金锻坯进行大变形锻造，该火次的变形量为40%；末次锻造：对镍基合金锻坯进行一次火锻造，使锻坯组织均匀细化，始锻温度1150℃、终锻温度980℃，锻造过程中总变形量75%，各火次的变形量为18%。冲压筒孔：以冲头沿短圆柱锻坯的轴心线方向冲压筒孔，该冲压筒孔为通孔，该冲压筒孔的孔径为φ400mm；芯棒扩孔：将直径为φ400mm圆杆状的扩孔芯棒穿入冲压筒孔中，以上平砧对带冲压筒孔的短圆柱锻坯外周施压，并不断地转动扩孔芯棒上的锻坯，使锻坯
的中心筒孔直径达到φ800mm，形成扩孔锻坯；芯棒拔长：将直径为φ800mm的拔长芯棒穿入扩孔锻坯的筒孔中，以上平砧对扩孔锻坯进行锻压，形成一段外筒径大于另一段外筒径的不等外径的筒状拔长锻坯；该拔长锻坯的总拔长比3.5—3.8；筒坯成型；将具有两段不同棒径的成型芯棒穿入拔长锻坯的筒孔中，成型芯棒的不同棒径段之间以圆锥面相连；以成型平砧锻压拔长锻坯筒壁，并不断转动成型芯棒上的锻坯，而锻压成成型筒坯 ；成型平砧的锻压面为折面，该折面与成型芯棒的棒面形状相吻合；经筒坯的成型锻造而形成一体化筒体锻件；锻后热处理：将上述的接管坯件空冷至450℃，再送至加热炉中加温至650℃，保温4小时后，随炉冷却至120℃出炉，置于空气中空冷至室温。冷至室温后再将接管坯件送入加热炉加温至950℃，保温7小时后从加热炉中取出空冷至室温。
14.实施例二：首次锻造：采用始锻温度1140℃、终锻温度920℃，对镍基合金铸锭进行多火次锻造，经预镦粗、滚圆和拔长完成铸态组织转变；总镦粗比为3.1，拔长比2.1；后续锻造：对上述锻件进行后续锻造实行晶粒组织的控制，始锻温度1160℃、终锻温度920℃，对镍基合金锻坯进行大变形锻造，该火次的变形量为40%；次锻造：对镍基合金锻坯进行一次火锻造，使锻坯组织均匀细化，始锻温度1110℃、终锻温度920℃，锻造过程中总变形量75%，各火次的变形量20%。冲压筒孔：以冲头沿短圆柱锻坯的轴心线方向冲压筒孔，该冲压筒孔为通孔，该冲压筒孔的孔径为φ400mm；芯棒扩孔：将直径为φ400mm圆杆状的扩孔芯棒穿入冲压筒孔中，以上平砧对带冲压筒孔的短圆柱锻坯外周施压，并不断地转动扩孔芯棒上的锻坯，使锻坯的中心筒孔直径达到φ800mm，形成扩孔锻坯；芯棒拔长：将直径为φ800mm的拔长芯棒穿入扩孔锻坯的筒孔中，以上平砧对扩孔锻坯进行锻压，形成一段外筒径大于另一段外筒径的不等外径的筒状拔长锻坯；该拔长锻坯的总拔长比3.5—3.8；筒坯成型；将具有两段不同棒径的成型芯棒穿入拔长锻坯的筒孔中，成型芯棒的不同棒径段之间以圆锥面相连；以成型平砧锻压拔长锻坯筒壁，并不断转动成型芯棒上的锻坯，而锻压成成型筒坯 ；成型平砧的锻压面为折面，该折面与成型芯棒的棒面形状相吻合；经筒坯的成型锻造而形成一体化筒体锻件；锻后热处理：将上述的接管坯件空冷至450℃，再送至加热炉中加温至650℃，保温4小时后，随炉冷却至120℃出炉，置于空气中空冷至室温。冷至室温后再将接管坯件送入加热炉加温至950℃，保温7小时后从加热炉中取出空冷至室温。