大型锻件FGS锻造

高质量发展是创新驱动的发展，且是今后一个发展阶段的主题。作为关键基础零部件（大型铸锻件）原创技术策源地的中国一重集团有限公司（简称：中国一重），在维护国家安全和国民经济命脉方面发挥着至关重要的作用。习近平总书记2018年9月26日第二次到中国一重视察时，在具有国际领先水平的超大型核电锻件展示区前发表了重要讲话：中国一重在共和国历史上是立过功的，中国一重是中国制造业的重地。制造业，特别是装备制造业高质量发展是我国经济高质量发展的重中之重，是一个现代化大国必不可少的。希望中国一重肩负起历史重任，制定好发展路线图。
为落实好习近平总书记的重要讲话精神，中国一重于2019年1月成立了“重型高端复杂锻件制造技术变革性创新能力建设”项目工作领导小组，并组建了“重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队”。该团队分别入选了“中央企业优秀科技创新团队”和黑龙江省“头雁”团队，开展了一系列变革性创新研究工作。
大型锻件作为量大面广的关键基础零部件，是装备制造业发展的基础，决定着重大装备和主机产品的性能、水平、质量和可靠性，是我国装备制造业由大到强转变、实现高质量发展的关键。我国大型锻件制造技术的发展经历了20世纪六七十年代的全国照搬苏联、八九十年代的引进和消化日本JSW以及21世纪以来的自主创新。通过蹒跚学步、跟跑到并跑，不仅成为制造大国，而且部分绿色制造技术已达到国际领先水平，但未解决传统钢锭中存在的偏析、夹杂及有害相等缺陷，大型锻件塑性成形中存在材料利用率低、混晶、锻造裂纹等共性世界难题。这些难题依靠传统的制造方式是难以破解的，需要开发变革性创新技术，依靠创新驱动来推动大型锻件的高质量发展。
马克思主义的认知论强调，新理论产生于新实践，新实践需要新理论指导。中国一重在“重型高端复杂锻件制造技术变革性创新”实践活动中，归纳出了增材制坯、FGS锻造等新的理论，用于指导关键基础零部件（大型铸锻件）原创技术策源地建设的实践活动。此外，为了实现大型锻件的高质量发展，还需要解决自由锻造液压机吨位较小、模锻液压机空间尺寸较小，以及挤压机功能单一等问题。
“关键基础零部件原创技术策源地系列图书”由《大型锻件的增材制坯》《大型锻件FGS锻造》和《超大型多功能液压机》组成，三者关系类似于制作美味佳肴的食材、厨艺和厨具。增材制坯是制备“形神兼备”的大型锻件的“有机食材”，FGS锻造是制作关键基础零部件的“精湛厨艺”，超大型多功能液压机是实现增材制坯和FGS锻造的“完美厨具”。
《大型锻件FGS锻造》用典型案例归纳了大型锻件塑性成形过程中存在的材料利用率低、混晶、锻造裂纹等共性技术难题，从大型锻件塑性成形技术的发展实践中提出了FGS锻造的新理论。通过一系列变革性的实践，丰富了FGS锻造技术路线，为采用增材制坯制备优质锻坯，借助超大型多功能液压机等设备和工装，制作各类关键基础零部件（大型铸锻件）指明了发展方向。
FGS锻造是一种同时将成形、晶粒与应力有机结合，让锻坯在多向压应力下近净成形，使锻件获得均匀细小晶粒的原创性锻造技术。FGS由成形（Forming）、晶粒（Grain）和应力（Stress）组成，故FGS锻造又称为形粒力锻造。大型锻件FGS锻造技术将有助于大型锻件变革性制造技术的传承与发展，可助力我国关键基础零部件制造技术更好、更快地发展，从而为我国关键基础零部件制造技术从跟随向引领的方向转变奠定坚实的技术基础。
在大型锻件的传统自由锻造过程中，存在材料利用率低、混晶及因拉应力导致锻造裂纹等世界性难题。中国一重通过超大型核电锻件绿色制造技术研发及工程实践，将大型锻件的成形方式从自由锻造提升为仿形锻造及胎模锻造，取得了阶段性成果，但仍然存在没有全面提高材料利用率以及未能系统解决不锈钢和高温合金等难变形材料的混晶及锻造裂纹等问题。大型锻件塑性成形的发展过程是一个逐步解决问题的过程，只有系统解决成形、晶粒及应力的问题，才能获得“形神兼备”的大型锻件，但国内外至今仍未见有系统解决问题的相关报道。
为了系统解决大型锻件制造过程中存在的上述世界性难题，全球的科技工作者们一直在进行着不懈的努力。中国一重“重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队”带头人原创出了大型锻件FGS锻造的技术路线，并带领团队成员开展了轴类锻件镦挤成形，“头上长角”的封头类锻件、“身上长刺”的筒（管）类锻件、“空心”及其他难变形材料锻件的模锻成形，轻量化易拆装的大型组合模具研制、组织演变及“可视化”模拟与验证等一系列变革性创新研究工作，取得了可喜的成果。
ⅥⅦ本书详细介绍了冷轧工作辊、镍基转子和细晶棒料等难变形轴类锻件的镦挤成形，阐述了不锈钢泵壳铸件改锻件、S90曲柄锻件模锻成形等工程实践成果，对一体化接管段、主管道等重型高端复杂锻件的FGS锻造研制方案进行了详细描述，对1600MN超大型多功能液压机、除鳞机等特种设备及工装进行了简介。
本书共分8章。第1章用工程案例归纳了大型锻件塑性成形过程中存在的材料利用率低、混晶、锻造裂纹等共性技术难题；第2章对大型锻件成形方式进行了简介，提出并诠释了指导大型锻件发展方向的原创性FGS锻造技术；第3章选择3个具有代表性的锻件，详细介绍了FGS锻造在轴类锻件上的工程应用；第4章选择3个具有代表性的锻件，详细介绍了FGS锻造在空心锻件上的工程应用；第5章选择2个具有代表性的锻件，详细介绍了FGS锻造在异形锻件上的工程应用；第6章选择12个重型高端复杂锻件，依据FGS锻造原创性技术思路，制定了详细的实施方案；第7章对与大型锻件FGS锻造密切相关的轻量化易拆装的大型组合模具研制、组织演变及“可视化”模拟与验证进行了阐述；第8章对超大型多功能液压机、除鳞机、补温炉及模架等特种设备及工装的研究设计进行了简介。
本书是FGS锻造理论与实践的总结与提炼，含有镍基转子等锻件的镦挤成形、不锈钢泵壳等锻件的模锻成形的数值模拟、1∶1解剖检测等大量珍贵的技术资料，希望能成为大型锻件从业者的技术工作指南。此外，由于本书涉及的内容突破了传统理论，亦可供高等院校及研究院所从事大型锻件理论学习和研究的人员参考。
本书由中国一重“重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队”带头人王宝忠执笔并统稿，刘颖、周岩、刘凯泉、聂义宏、殷文齐等团队成员，以及牛广斌、白亚冠、温瑞洁、刘春海等人参与了部分研究与编写等工作。
在大型锻件FGS锻造创新技术研究与工程实践中，得到了中国一重、河北宏润核装备科技股份有限公司等单位的大力支持，在此一并表示感谢！
由于我们的水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正！

本书是中国一重“重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队”心血的结晶与智慧的总结。书中通过大量翔实的试验数据和理论分析，全面阐述了在大型锻件FGS锻造原创性技术路线指引下，在轴类件镦挤成形、各类异形锻件的模锻成形、轻量化易拆装的大型组合模具研制、锻件组织演变及可视化模拟与验证等方面的一系列变革性创新内容与工程应用成果。本书指明了大型锻件塑性成形的发展方向，对系统解决大型锻件塑性成形所存在的材料利用率低、混晶以及因拉应力导致的锻造裂纹等世界性难题，推动大型锻件原创技术策源地建设及装备制造业高质量发展具有重要的指引和参考价值。
本书可供大型锻件制造行业的研发、技术、生产人员使用，也可供高等院校相关方向的研究生和教师参考。

作者序一
序二
前言
第1章大型锻件塑性成形共性技术问题1
11材料利用率低1
111核电水室封头1
1111自由锻造1
1112胎模锻造5
112核电主管道7
1121实心锻件8
1122空心锻件8
12混晶10
121合金钢锻件10
1211转子锻件10
1212齿轮锻件10
122不锈钢锻件12
122112%Cr转子12
1222主管道12
1223CENTER整体封头13
123高温合金锻件18
1231镍基转子18
1232细晶棒料18
13拉应力18
131外部拉应力19
1311主管道19
1312不锈钢泵壳20
132内部拉应力20
133端部拉应力23
1331支承辊23
1332转子24
1333主管道25
1334水室封头26第2章FGS锻造的提出及内涵31
21大型锻件成形方式的演变31
211自由锻造31
212仿形锻造31
2121锥形筒体32
2122接管段34
2123华龙一号泵壳38
213胎模锻造39
2131封头40
2132管板48
2133铰链梁49
214模锻成形50
2141泵壳50
2142船用曲柄50
215挤压成形56
2151轴类锻件56
2152主管道57
216复合成形57
2161支承环58
2162弯刀58
22FGS锻造的内涵60
221FGS锻造技术路线60
222轴类锻件镦挤成形61
223“头上长角”的封头类锻件模锻
成形62
224“身上长刺”的筒/管类锻件模锻
成形64
225“空心”及其他难变形锻件的模锻
成形64
226轻量化易拆装的大型组合模具
研制65
227锻件组织演变及“可视化”
模拟与验证67ⅨⅩ第3章FGS锻造在轴类锻件上的工程应用68
31冷轧工作辊68
311坯料选择68
312制造方案76
313成形模拟76
314模具设计79
315工程实践79
316检测结果81
317推广应用93
32Ni基转子试验件94
321项目背景94
322试验方案95
323实验室研究95
3231均匀化工艺研究95
3232锻造工艺研究104
3233镦挤成形工艺研究113
3234热处理工艺研究115
3235持久试验127
324试制过程128
325检测结果129
3251晶粒度129
3252拉伸与冲击130
3253持久性能134
326项目验收135
327成果评价135
328推广应用135
33GH4169合金细晶棒料135
331项目背景135
332试验方案136
3331∶1试验136
334检测结果161
335知识产权164
336推广前景164第4章FGS锻造在空心锻件上的工程应用165
41不锈钢泵壳165
411工程背景165
412材料选择169
413试验方案171
4131坯料制备方案171
4132模锻成形方案172
4133模锻成形数值模拟174
4134热变形参数试验178
4135性能热处理方案184
4136取样方案190
414工程试验191
4141坯料制备191
4142模锻成形197
4143性能热处理200
415检测结果200
416推广应用201
417不锈钢锻造泵壳的其他制造
方法204
42主泵接管207
421工程背景207
422试验方案208
423工程试验216
424检测结果221
425对比分析227
426推广应用229
43裤型三通230
431工程背景230
432试验方案231
433工程试验234
434检测结果237
435推广应用238第5章FGS锻造在异形锻件上的工程应用240
51快堆支承环240
511工程背景240
512试验方案242
513锻件试验243
5131成形模拟243
5132模具设计与制造245
5133坯料制备247
5134复合成形247
5135固溶及检测249
5136结果分析252
514焊接试验272
515对比分析282
516应用前景285
52船用曲柄287
521工程背景287
522试验方案289
523工程试验299
524检测结果306
525推广应用307第6章FGS锻造的推广应用展望308
61轴类锻件308
611支承辊308
6111研究对象308
6112FGS锻造方案310
6113数值模拟311
612转子314
6121坯料设计314
6122数值模拟315
62“头上长角”的封头类锻件317
621一体化上封头317
6211研究对象317
6212模具设计318
6213数值模拟318
622整体下封头322
6221研究对象322
6222模具设计322
6223数值模拟322
63“身上长刺”的筒/管类锻件326
631一体化接管段326
6311项目背景326
6312研究对象及坯料设计330
6313FGS锻造方案335
6314数值模拟335
632主管道340
6321国和一号热段A341
6322华龙一号热段354
64“空心”及其他异形锻件373
641乏燃料罐373
6411项目背景373
6412研究对象380
6413坯料设计381
6414FGS锻造方案383
6415成形模拟385
642风机轴388
6421项目背景388
64

本书为国家出版基金项目，属“关键基础零部件原创技术策源地系列图书”中的一册，书中介绍了由中国一重首席科学家、“中央企业优秀科技创新团队”带头人王宝忠及其“重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队”的原创性技术，为国家大型铸锻件原创技术“策源地”建设提供了理论依据，为国家超重型热模锻压力机自主创新工程的实施奠定了坚实基础。