摘 要

传统上大锻件制作工序为先做大铸锭再制造锻件，由于金属凝固存在尺寸效应，规格越大的铸锭偏析、疏松等缺陷越严重，导致锻件的均质性越差，严重影响材料使役性能，这已成为世界性难题。针对这个问题，中国金属研究所提出金属构筑成形工艺。但是这项技术目前仍存在一些客观问题，如：构筑成形界面愈合程度不够仍然存在微小孔洞与空隙、界面愈合处存有杂质等。这一情况也使对构筑成形界面进行后处理从而实现成形界面的无痕连接的工艺研究变得尤为重要。另一方面，脉冲电流以其独特的特点吸引越来越多的人关注，为了解决热成形存在的诸多弊端，研究者们进行了大量实验分析，已经将脉冲电流应用到金属材料的各加工领域。本文针对构筑成形和界面愈合问题，以304不锈钢为研究对象，开展不锈钢构筑成形界面的脉冲电场修复工艺研究。通过对不锈钢构筑成形界面加脉冲电流处理金相原位对比、不锈钢构筑成形界面热压缩后加电处理金相原位对比及这两种工艺的金相比较，揭示脉冲电流处理对界面愈合的确切作用，揭示不同脉冲电场参数对构筑界面愈合的影响规律，所得结果对于大型锻件构筑成形界面的电场修复工艺具有重要的指导意义。研究结果表明：对于不锈钢热压缩构筑件，脉冲电流处理到温度650℃左右时，多次脉冲对界面愈合有明显作用，并且随着脉冲数的增加，愈合程度也相应增加。

关键词：304不锈钢；构筑；脉冲电流；界面愈合

Abstract

Traditionally, the process of making large forgings is to make large ingots and then make forgings. The larger the size of the ingot, the more serious the defects such as segregation and looseness of the ingot, resulting in poor homogeneity of the forging, which seriously affects the material. Performance, this has become a worldwide problem. In response to this problem, the China Institute of Metal Research proposed a metal construction process.However, there are still some objective problems in this technology, such as: the formation of the forming interface is not enough, there are still small holes and voids, and there are impurities in the interface healing. This situation also makes it particularly important to study the process of post-processing the forming interface to achieve a seamless connection of the forming interface. On the other hand, pulse current attracts more and more people's attention with its unique characteristics. In order to solve many shortcomings of thermoforming, researchers have carried out a lot of experimental analysis, and have applied pulse current to various processing fields of metal materials. . In this paper, for the problem of construction and interface healing, 304 stainless steel is taken as the research object, and the pulse electric field of stainless steel construction forming interface is carried out.The in-situ comparison of the metallographic in-situ comparison with the pulsed current treatment of the stainless steel construction forming interface, the thermal compression of the stainless steel construction forming interface, and the metallographic comparison of the two processes, revealing the exact effect of pulse current treatment on the interface healing, revealing the difference The influence of pulse electric field parameters on the healing of the interface interface has important guiding significance for the electric field repair process of large forgings forming the forming interface. The results show that for stainless steel thermocompression construction parts, when the pulse current is processed to a temperature of about 650 ℃, multiple pulses have a significant effect on the interface healing, and as the number of pulses increases, the degree of healing increases accordingly.

Key Words：304 stainless steel; construction; pulse current; interface healing

目 录

第1章 绪论 1

1.1 构筑成形及界面 1

1.2 脉冲电流技术 2

1.3 304不锈钢材料 3

1.4 研究的目的和意义 3

1.5 本课题的主要研究内容 4

1.6 本章小结 4

第2章 研究方案与实验内容 5

2.1实验材料 5

2.2不锈钢构筑成形实验 5

2.3不锈钢热压缩实验 6

2.4脉冲电流处理实验 7

2.4.2 脉冲电流参数 8

2.4.3 脉冲电流实验 8

2.5 构筑件微观组织结构表征 9

2.5.1观察试样准备 9

2.5.2 光学显微镜与扫描电镜观测 10

2.6显微硬度测量 11

2.7 本章小结 11

第3章 脉冲电流对不锈钢构筑成形界面的愈合作用 12

3.1 脉冲电流对不锈钢构筑界面形貌的愈合作用 12

3.2 脉冲电流对不锈钢构筑界面晶粒的愈合作用 13

3.3 脉冲电流对不锈钢构筑件力学性能的影响与规律 14

3.4 本章小结 14

第4章 不锈钢构筑成形界面的脉冲电场修复工艺 15

4.1 脉冲次数参数对不锈钢构筑界面的愈合效果影响 15

4.1.1 单次脉冲对不锈钢构筑界面的愈合效果影响 15

4.1.2 多次脉冲对不锈钢构筑界面的愈合效果影响 15

4.2 电流密度参数对不锈钢构筑界面的愈合效果影响 16

4.3 本章小结 17

第5章 总结与展望 17

5.1 总结 18

5.2 展望 18

参考文献 19

致 谢 21

绪论

大型锻件是重大装备的核心部件之一，常在极端环境下服役，对材料的性能要求极高。与重大工程对大型锻件高品质要求相悖的是，锻件尺寸越大大，热处理和冷却时，温度变化跨度大和温度分布不均匀性大；锻压变形时，金属塑性流动差别大，加上钢锭大冶金缺陷多，因而容易形成一些不同于中小型金属锻件的缺陷，如：严重的偏析和疏松、密集型夹杂物、发达的柱状晶和不均匀结晶、敏感开裂和白点倾向、均质化程度越低等。要达到锻件质量的高要求，需要开发新的材料成型工艺，以满足金属材质与金属品质的适应性。针对以上问题，中科院提出了金属构筑成形技术^[1,2]。

1.1 构筑成形及界面

金属构筑成形是近两年新提出的变革性技术，这项技术将多块均质化基材经表面处理、堆垛组坯、真空封装后，在高温下实施大变形，充分愈合并消除界面，实现“无痕连接”，其核心思想是“化整为零，以小制大”。在金属成形中的基本机理包括高温大变形条件下原子键合机理、界面区金属流变行为和孔洞愈合机制、界面部分晶体演化和组织均匀化机理、质量流对元素扩散的影响规律，这四点机理也为金属构筑成形提供了充分的理论基础。

作为一种新型工艺，构筑成形技术具有传统热处理与材料加工的一些优点，例如：高温处理中包含热处理相关影响，可改善晶粒尺寸和组织；加工材料利用率高，可实现无废料加工等。除此之外，相比较传统加工工艺，金属构筑成形还具有以下优点：锻件母材不需要设置浇口冒口，在降低成本的同时可以提高材料利用率；品质高，均质化母材经真空分装后高温变形实现无痕连接使得整个材料达到均质化；质量稳定，在整个构筑过程中可以实现自动化加工，排除了人为因素对锻件质量的影响等。之前采用低合金连铸坯料，成功研制出电站转子，其长6.5米，重达26吨，经相关研究者解剖分析，构件全断面均质性好，致密无缺陷，证实该构筑成形件在工程上可用，也证实该技术在工程上可用。