朱 智，張立文，崔 巖，張 馳，李瑞琴

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脹形間隙對(duì)核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的影響

朱 智，張立文，崔 巖，張 馳，李瑞琴

(大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116023)

利用非線性有限元軟件MSC.Marc建立轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形過程的二維軸對(duì)稱熱力耦合有限元模型，計(jì)算并分析真空熱脹形過程中轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的徑向位移變化，預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形量和脹形后內(nèi)徑。此外，基于建立的有限元模型研究脹形間隙對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套脹形量和脹形后內(nèi)徑的影響。結(jié)果表明：對(duì)于確定的工藝，在其脹形能力范圍內(nèi)，隨著脹形間隙的增大，轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形量線性減小，且脹形后的內(nèi)徑不隨脹形間隙的變化而變化。開展轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空熱脹形實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證建立的有限元模型。

Hastelloy C-276合金；轉(zhuǎn)子屏蔽套；真空熱脹形；脹形間隙

轉(zhuǎn)子屏蔽套是AP1000核主泵的關(guān)鍵部件之一，將其套裝在轉(zhuǎn)子外面，可以防止轉(zhuǎn)子與泵內(nèi)的冷卻劑接觸，避免轉(zhuǎn)子受到冷卻劑的侵蝕，轉(zhuǎn)子屏蔽套的制造和裝配精度及質(zhì)量將直接影響核主泵的正常運(yùn) 轉(zhuǎn)[1]。AP1000核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套具有超薄大徑厚比，其制造和裝配難度非常大。核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套采用Hastelloy C-276合金薄板經(jīng)過剪切和焊接工藝制造而成，在裝配前，AP1000轉(zhuǎn)子屏蔽套的直徑公差為±0.076 mm，對(duì)制造工藝的精度要求非常高[1]。焊接后，轉(zhuǎn)子屏蔽套的表面特別是焊縫區(qū)附近會(huì)產(chǎn)生凹凸不平的褶皺，即使采用精密剪切和精密焊接，也難以滿足精密裝配前對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套的高精度要求，而且轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，嚴(yán)重影響后續(xù)熱套裝工藝的精度和質(zhì)量。

針對(duì)剪裁、焊接后轉(zhuǎn)子屏蔽套的精度很難達(dá)到套裝前高精度的難點(diǎn)，提出了采用精密真空蠕變熱脹形技術(shù)對(duì)焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進(jìn)行誤差治理。該技術(shù)利用模具和轉(zhuǎn)子屏蔽套間的熱膨脹系數(shù)差異，在加熱及保溫過程中，依靠模具的熱膨脹力使轉(zhuǎn)子屏蔽套發(fā)生永久的塑性及蠕變變形，轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)表面與高精度模具外表面緊密貼合，冷卻后轉(zhuǎn)子屏蔽套的尺寸能夠達(dá)到裝配前的高精度要求。由于高溫蠕變使轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)部的應(yīng)力得到松弛，在脹形后，轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)部的殘余應(yīng)力也可以得到消除[2?3]。

真空熱脹形的本質(zhì)是蠕變成形，目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)鋁合金和鈦合金零件的蠕變成形做了大量的研究，并且將其成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[4?12]，然而，對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的研究卻很少[3, 13]。

在實(shí)際轉(zhuǎn)子屏蔽套的焊接過程中，由于焊縫附近各處膨脹和收縮不均勻，使得焊接后轉(zhuǎn)子屏蔽套沿軸向各處的內(nèi)徑不同，從而導(dǎo)致了真空熱脹形時(shí)轉(zhuǎn)子屏蔽套各處的脹形間隙不同，研究脹形間隙對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的影響有助于深刻理解采用真空熱脹形技術(shù)對(duì)焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套進(jìn)行誤差治理的過程，而且為真空熱脹形工藝參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

本文作者利用有限元軟件MSC.Marc對(duì)核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空熱脹形過程進(jìn)行有限元模擬，計(jì)算并分析真空熱脹形過程中轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的徑向位移變化，預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的脹形量和脹形后的內(nèi)徑，研究轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具之間不同的脹形間隙尺寸對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的影響規(guī)律，開展真空熱脹形工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 真空熱脹形有限元模型

本文作者采用的真空熱處理設(shè)備是IPsen公司生產(chǎn)的v6072型立式真空熱處理爐，建模時(shí)將轉(zhuǎn)子屏蔽套、模具和真空熱處理爐簡化成具有軸對(duì)稱特性的實(shí)體，基于有限元軟件MSC.Marc建立核主泵轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形過程的二維軸對(duì)稱有限元模型，如圖1所示。為了提高模擬精度和計(jì)算效率，在金屬隔熱屏的最內(nèi)層加密單元，外層則保持稀疏網(wǎng)格。

在真空熱脹形過程中，真空熱處理爐的水冷套內(nèi)壁的外表面與循環(huán)水發(fā)生對(duì)流換熱，爐體內(nèi)部各層金屬隔熱屏、加熱元件、監(jiān)控?zé)犭娕?、轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具等邊界之間則通過熱輻射進(jìn)行換熱，模型中，采用蒙特卡羅方法計(jì)算輻射視角系數(shù)，此外，將體熱流作為邊界條件施加到加熱元件上，并利用子程序?qū)崿F(xiàn)了真空熱處理爐爐溫的智能控制。

在真空熱脹形過程中，轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具豎立放置在真空熱處理爐內(nèi)的載料臺(tái)上，相當(dāng)于一邊固定，在固定端施加方向位移約束條件。

真空熱脹形通常在室溫裝爐，初始溫度為20 ℃，假設(shè)在真空熱脹形的初始時(shí)刻轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具內(nèi)部的初始應(yīng)力為0。

此外，在模擬轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空熱脹形時(shí)，考慮了材料的熱物理和力學(xué)性能參數(shù)與溫度的非線性關(guān)系，轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的材料分別為Hastelloy C-276合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼，Hastelloy C-276合金的熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)以及1Cr18Ni9Ti不銹鋼的熱膨脹系數(shù)均由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，其他材料參數(shù)則是通過查閱合金手冊(cè)和用差值算法相結(jié)合得到的。

圖1 真空熱脹形有限元模型

2 材料的蠕變本構(gòu)模型

真空熱脹形的本質(zhì)是蠕變成形，在真空熱脹形過程中，轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)部因應(yīng)力松弛而發(fā)生了蠕變變形，因此，在模擬轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空熱脹形過程時(shí)，需要建立能用來描述材料應(yīng)力松弛行為的蠕變本構(gòu)模型。為此，利用應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)建立Hastelloy C-276合金的蠕變本構(gòu)方程[14]：

式中：、、、、、、、和為材料常數(shù)；high表示高應(yīng)力區(qū)域與過渡區(qū)域的臨界應(yīng)力；low表示低應(yīng)力區(qū)域與過渡區(qū)域的臨界應(yīng)力。800 ℃下，蠕變本構(gòu)方程中的材料常數(shù)值如表1所示。

表1 800 ℃下蠕變本構(gòu)方程的材料常數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

利用建立的有限元模型模擬轉(zhuǎn)子屏蔽套的真空熱脹形過程，模擬中采用的真空熱脹形工藝如下：首先將轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具經(jīng)7500 s加熱至800 ℃，然后保溫7200 s，最后爐冷至室溫。

圖2所示為真空熱脹形過程中轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的徑向位移隨時(shí)間的變化。在加熱的初始階段，轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具處于自由膨脹狀態(tài)，隨著溫度的進(jìn)一步升高，由于模具的熱脹系數(shù)大于轉(zhuǎn)子屏蔽套的熱膨脹系數(shù)，模具的熱膨脹速度快，膨脹量更大，約為 6800 s時(shí)，轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)壁與模具的外表面發(fā)生接觸，并逐漸達(dá)到良好的貼模狀態(tài)。

在保溫階段，當(dāng)轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具達(dá)到保溫溫度后，兩者的膨脹量不再發(fā)生變化。

在冷卻階段，隨著溫度的降低，轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具同時(shí)收縮，由于模具的膨脹系數(shù)大，轉(zhuǎn)子屏蔽套與模具的接觸狀態(tài)由緊到松，直到轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)壁和模具的外表面分離；當(dāng)冷卻到室溫時(shí)，轉(zhuǎn)子屏蔽套發(fā)生了永久的變形，而模具由于只發(fā)生彈性變形和熱膨脹回彈到真空熱脹形前的初始尺寸。圖2中轉(zhuǎn)子屏蔽套的最終徑向位移就是其真空熱脹形的脹形量，而轉(zhuǎn)子屏蔽套脹形前的內(nèi)徑與脹形量之和就是其脹形后的內(nèi)徑。

圖2 真空熱脹形過程中轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的徑向位移變化

脹形間隙是影響轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的重要工藝參數(shù)，為了研究脹形間隙對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的影響，在其他工藝參數(shù)保持不變的情況下，脹形間隙依次取0.01、0.20、0.40、0.60、0.80和1.00 mm。圖3所示為脹形間隙對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形量的影響。從圖3可以看到，當(dāng)脹形間隙小于0.80 mm時(shí)，轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形量與脹形間隙近似成反比關(guān)系，即脹形量隨著脹形間隙的增大線性減小，而當(dāng)脹形間隙接近或大于0.80mm時(shí)，脹形量幾乎為0，說明此時(shí)的脹形間隙已經(jīng)超出了此套模具和工藝的脹形能力范圍。

圖3 脹形間隙對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套脹形量的影響

圖4所示為脹形間隙對(duì)真空熱脹形后轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)徑的影響。由圖4可以看到，當(dāng)脹形間隙處于0~0.80 mm范圍內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)子屏蔽套脹形后的內(nèi)徑幾乎不隨脹形間隙的變化而變化，也就是說，只要經(jīng)過剪切和焊接制造的轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形間隙處于0~0.80 mm范圍內(nèi)，就可以通過設(shè)計(jì)的脹形工藝脹到近似相同的尺寸，這也說明真空熱脹形工藝具有較高的穩(wěn)定性。

圖4 脹形間隙對(duì)脹形后轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)徑的影響

4 真空熱脹形實(shí)驗(yàn)

真空熱脹形實(shí)驗(yàn)前，采用0.50 mm厚的Hastelloy C-276合金薄板加工成轉(zhuǎn)子屏蔽套，屏蔽套的高度為480.00 mm，其脹形后的目標(biāo)內(nèi)徑為553.75 mm，要求焊接后的轉(zhuǎn)子屏蔽套內(nèi)徑與目標(biāo)內(nèi)徑間為負(fù)偏差，根據(jù)模擬結(jié)果，最大負(fù)偏差不得大于1.60 mm。模具的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，模具的厚度為20.00 mm，高度為500.00 mm，其目標(biāo)外徑值為552.00 mm，要求模具的外徑加工精度為±0.02 mm。圖5所示為真空熱脹形模具和轉(zhuǎn)子屏蔽套。

真空熱脹形實(shí)驗(yàn)所采用的脹形工藝與前面模擬中所采用的脹形工藝相同。為了科學(xué)地表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別在轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的外表面從上至下等間距依次設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)(-1~5)，在真空熱脹形前后，依次測(cè)量這5個(gè)測(cè)量點(diǎn)處轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑和模具的外徑，并計(jì)算出轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形間隙和脹形量。

圖5 真空熱脹形模具和轉(zhuǎn)子屏蔽套照片

圖6所示為轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形脹形量的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖6可以看出，真空熱脹形脹形量的實(shí)測(cè)值與脹形間隙近似呈線性關(guān)系，這與前面的模擬結(jié)果一致。因此，建立的轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形有限元模型的模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的，模型是可靠的。

圖6 轉(zhuǎn)子屏蔽套脹形量的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2給出了真空熱脹形前后轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑和模具的外徑尺寸的測(cè)量結(jié)果，從表2可以看出，真空熱脹形前，轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑均勻度較差，即轉(zhuǎn)子屏蔽套上5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的內(nèi)徑測(cè)量值相差較大，最大偏差為0.33 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工藝要求的直徑公差(±0.076 mm)，最大負(fù)偏差達(dá)到0.82 mm。在脹形后，一方面，轉(zhuǎn)子屏蔽套都達(dá)到了很好的均勻度，3個(gè)屏蔽套內(nèi)徑的最大偏差僅有0.06 mm，滿足工藝要求的直徑公差；另一方面，也可以看出與熱套裝前的目標(biāo)內(nèi)徑553.75 mm相比較，3個(gè)轉(zhuǎn)子屏蔽套脹形后的內(nèi)徑與目標(biāo)內(nèi)徑的偏差范圍為?0.04~0.06 mm，滿足要求的直徑公差范圍。也就是說焊接后即使轉(zhuǎn)子屏蔽套各處的內(nèi)徑值相差較大，只要各處的內(nèi)徑值處于真空熱脹形工藝的脹形能力范圍內(nèi)，都可以通過真空熱脹形技術(shù)脹到近似相同的尺寸，滿足套裝前的高精度要求，且多次實(shí)驗(yàn)也表明真空熱脹形技術(shù)具有較高的穩(wěn)定性。

表2 真空熱脹形前后轉(zhuǎn)子屏蔽套的內(nèi)徑和模具的外徑

5 結(jié)論

1) 基于有限元軟件MSC.Marc建立了轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形過程的二維非線性軸對(duì)稱熱力耦合有限元模型，計(jì)算并分析了真空熱脹形過程中轉(zhuǎn)子屏蔽套和模具的徑向位移變化，預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形量和脹形后的內(nèi)徑。

2) 研究脹形間隙對(duì)轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形的影響，結(jié)果表明在脹形能力范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子屏蔽套的脹形量隨脹形間隙的增大線性減小，轉(zhuǎn)子屏蔽套脹形后的內(nèi)徑不隨脹形間隙的變化而變化，說明在脹形能力范圍內(nèi)，真空熱脹形工藝具有較高的穩(wěn)定性。

3) 進(jìn)行轉(zhuǎn)子屏蔽套真空熱脹形工藝實(shí)驗(yàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。

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(編輯 龍懷中)

Effect of bulging clearance on vacuum hot bulge forming of reactor coolant pump rotor can

ZHU Zhi, ZHANG Li-wen, NIE Long-fei, CUI Yan, ZHANG Chi, LI Rui-qin

(School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

A 2-D axis-symmetrical thermo-mechanical coupled finite element model of vacuum hot bulge forming process of rotor can was established using non-linear finite element software MSC.Marc. The radius-direction displacement variation of rotor can and die were calculated and analyzed. The bulging dimension and internal diameter of rotor can after bulging forming were predicted. In addition, the effects of bulging clearance on the bulging dimension and internal diameter of rotor can after bulging forming were discussed on the basis of developed finite element model. The results indicate that, when the bulging clearance increases, the bulging dimension of rotor can decreases linearly and the internal diameter of rotor can after bulging forming never changes. The corresponding vacuum hot bulge forming experiments were conducted to verify the reliability of the finite element model.

Hastelloy C-276; rotor can; vacuum hot bulge forming; bulging clearance

Project(2015CB057305) supported by the National Basic Research Development Program of China

2015-01-30; Accepted date:2015-10-30

ZHANG Li-wen; Tel: +86-411-84706087; E-mail: commat@mail.dlut.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.04.016

1004-0609(2017)-04-0789-06

TG146.1

A

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CB057305)

2015-01-30；

2015-10-30

張立文，教授，博士；電話：0411-84706087；E-mail: commat@mail.dlut.edu.cn