邢思深，屈 磊，張 亮

大型鑄鍛件是能源裝備的核心部件，由于金屬凝固的尺寸效應(yīng)，鑄件的規(guī)格越大，則疏松縮孔、元素偏析和開(kāi)裂等鑄造缺陷越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致鍛件質(zhì)量難以控制，嚴(yán)重影響零部件的服役性能，迫切需要探索新技術(shù)解決大型鑄鍛件的制備難題。

增材制造技術(shù)是一種基于“離散-堆積”原理，由數(shù)字模型文件驅(qū)動(dòng)的，復(fù)雜形狀零件的“快速成形”和“快速制造”新技術(shù)[1]。經(jīng)過(guò)近40余年的快速發(fā)展，增材制造技術(shù)的內(nèi)涵不斷深化、外延不斷擴(kuò)大，從狹義的以激光、電子束等為熱源的分層成形技術(shù)，向廣義的塊體組焊、堆焊成形、化學(xué)/物理氣相沉積等技術(shù)延伸，并廣泛應(yīng)用到航天、航空、核電、石化等高端裝備領(lǐng)域[2]。

金屬構(gòu)筑成形技術(shù)正是基于上述增材制造思想提出的一種變革性的大型鍛件制備方法。傳統(tǒng)上采用“模鑄制坯+塑性成形”的技術(shù)路線來(lái)生產(chǎn)大規(guī)格、整體、高性能的金屬構(gòu)件，該技術(shù)需要大型鑄鐵模及重型鍛造設(shè)備，且鑄錠質(zhì)量控制難度大、制造成本較高。而金屬構(gòu)筑成形技術(shù)與建筑行業(yè)的“砌墻”思維類(lèi)似：首先，制備小規(guī)格、均質(zhì)化的高質(zhì)量板坯；然后，將經(jīng)表面加工、凈化處理的坯料堆垛成預(yù)定形狀，并將多個(gè)坯料真空封焊；最后，在高溫下進(jìn)行鍛造，實(shí)現(xiàn)多塊坯料界面的冶金結(jié)合[3]。該技術(shù)有別于近凈成形技術(shù)，它不是以制備零件為目的，而是以制備均質(zhì)化的鍛造坯料為目標(biāo)，與傳統(tǒng)制坯技術(shù)相比，在制造成本、材料利用率、均質(zhì)化、致密度和質(zhì)量穩(wěn)定性上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的提升。

以大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和大型支承輥為代表的大型鍛件，最大重量可超過(guò)600 t，如采用金屬構(gòu)筑成形技術(shù)制備此類(lèi)大型部件，需要預(yù)先制備一定數(shù)量的均質(zhì)化厚板坯。為了減少封焊界面，應(yīng)采用盡量厚的板坯。已知國(guó)內(nèi)最大的特厚板坯連鑄機(jī)可以制備厚度為475 mm 的板坯，如要制備厚度超過(guò)500 mm 的特厚板坯，則需要采用模鑄技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于超大斷面寬厚板坯的模鑄工藝已開(kāi)展了研究和實(shí)踐探索[4]，但是其錠型與構(gòu)筑成形用的超大斷面寬厚板坯存在區(qū)別，其“堆垛”和“封焊”工藝特征要求坯料本體不應(yīng)有錐度，錠身窄面不應(yīng)為弧面。

本文系統(tǒng)介紹用于構(gòu)筑成形技術(shù)的超大斷面寬厚板坯在傳統(tǒng)模鑄工藝條件下的凝固過(guò)程和內(nèi)部質(zhì)量情況，討論了錠型、厚度和冷卻速度等因素的影響，為新錠型模鑄工藝提供解決方案。

1 錠型設(shè)計(jì)

圖1 寬厚板坯的外形尺寸示意圖

本文所述鑄錠是用于制備百?lài)嵓?jí)以上的鍛造坯料，結(jié)合后續(xù)的真空封焊和鍛造工序，預(yù)設(shè)本體的寬面尺寸固定為W=L=2.5 m，厚度為變化尺寸。T=1 m 時(shí)，固態(tài)下鑄錠本體的重量約為49 t，T=0.6 m 時(shí)，固態(tài)下本體的重量約為29 t。構(gòu)筑成形的“堆垛”工藝要求錠身不應(yīng)有錐度，為了避免對(duì)鑄錠進(jìn)行機(jī)加工，錠型設(shè)計(jì)為無(wú)錐度錠身，即φ=0。同時(shí)，為了便于封焊和鍛造變形的協(xié)調(diào)性，錠身窄面設(shè)計(jì)為沒(méi)有任何弧度的平面。

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]，可以總結(jié)出大斷面寬厚板坯的高厚比和寬厚比分別與鑄錠重量的關(guān)系（見(jiàn)圖2，圖3）。首先，對(duì)于高厚比，鋼錠越高，冒口內(nèi)的鋼水越不易補(bǔ)縮進(jìn)本體，易產(chǎn)生疏松和二次縮孔，也不利于鋼水中氣體和夾雜物的上浮，所以鑄錠高度和高厚比不宜過(guò)大，國(guó)內(nèi)外高度一般不超過(guò)3 500 mm，高厚比控制在2.5～3.5 之間；其次，增加厚度會(huì)加劇內(nèi)部宏觀偏析，增加鑄錠開(kāi)裂傾向。由圖3 可知，鑄錠重量約50t 時(shí)，寬厚比應(yīng)控制在2.0～3.0 之間，而日本相關(guān)文獻(xiàn)表明其寬厚比通?？刂圃?.5～4.0 之間。

對(duì)于冒容比P，一般取值在10%～20%，冒容比是影響鋼錠內(nèi)部質(zhì)量及成材率的主要因素，錠重越大，鋼種要求越高，冒容比越大。

本文基于以上寬厚板坯的錠型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并兼顧鑄鐵模冷卻和快速冷卻的比較研究需要，共設(shè)計(jì)了三種錠型（見(jiàn)表1）。四個(gè)算例的錠型尺寸因子都在合理范圍內(nèi)。

2 模鑄工藝的分析方法

圖2 高厚比與鑄錠重量的關(guān)系圖

圖3 寬厚比與鑄錠重量的關(guān)系圖

表1 錠型設(shè)計(jì)參數(shù)和冷卻工藝條件

大型鑄件的模鑄工藝仿真包括對(duì)金屬充型和凝固中多個(gè)物理過(guò)程的耦合分析，如溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溶質(zhì)濃度場(chǎng)、縮孔及縮松判據(jù)等。模擬凝固過(guò)程的核心環(huán)節(jié)是求解各物理過(guò)程的控制方程。首先，對(duì)于溫度場(chǎng)，以能量守恒定律和傅里葉定律為基礎(chǔ)，建立凝固過(guò)程中的導(dǎo)熱微分方程，利用有限元法求解。通過(guò)熱焓法處理凝固過(guò)程釋放的潛熱，求解時(shí)可以有效減小計(jì)算量。采用有限元法計(jì)算充型和凝固過(guò)程中的鋼水流動(dòng)狀態(tài)。為了準(zhǔn)確模擬高溫狀態(tài)下鑄錠的熱裂傾向，本研究采用高溫粘彈塑性材料本構(gòu)模型計(jì)算熱應(yīng)力。

公式（1） 和公式（2） 為縮松模型的兩個(gè)控制方程，分別為合金質(zhì)量守恒方程和連續(xù)性方程：

式中：fs、fl和fp—分別表示固相、液相和疏松的體積分?jǐn)?shù)；ρs、ρl和ρp—分別表示固相、液相和疏松的密度（g/mm3）；vl—枝晶間的鋼液流速（mm/s）。

對(duì)于C 元素的宏觀偏析分析，本研究只計(jì)算鑄錠的正常偏析，暫時(shí)無(wú)法計(jì)算比重偏析和反常偏析，其控制方程如下：

式中：l—擴(kuò)散長(zhǎng)度（mm）；S—界面面積，（mm2）；D—擴(kuò)散率，c—溶質(zhì)元素的濃度（ppm）；下標(biāo)sl—表示液固界面。

本研究的四個(gè)算例都以低壓轉(zhuǎn)子鋼26NiCrMoV14-7 為研究對(duì)象，其固相線為1 492℃、液相線為1 430 ℃（見(jiàn)圖4），鋼錠模采用灰口鑄鐵。

高溫下，材料的力學(xué)性能與應(yīng)變速率強(qiáng)相關(guān)，本研究采用Perzyna 高溫粘彈塑性模型計(jì)算鑄錠的熱應(yīng)力，并定義粘塑性應(yīng)變速率ε˙vp，其表達(dá)式為：

式中：η—粘性系數(shù)（Pa·s）；n—冪指數(shù)。

筆者給出26NiCrMoV14-7 鋼在高溫下的屈服強(qiáng)度、彈性模量和Perzyna 模型參數(shù)（見(jiàn)圖5）。

本文鑄造工藝參數(shù)：過(guò)熱度30 ℃，澆注速度4 t/min，鋼錠與鑄鐵模的換熱系數(shù)為1 000 W/m2K、與冒口內(nèi)保溫層的換熱系數(shù)為200 W/m2K，由于是真空澆注，鋼錠模與外部環(huán)境的換熱僅考慮輻射換熱，鑄鐵模的表面輻射系數(shù)為0.8。

圖4 轉(zhuǎn)子鋼26NiCrMoV14-7 的熱物性參數(shù)

圖5 轉(zhuǎn)子鋼26NiCrMoV14-7 的高溫本構(gòu)模型參數(shù)

3 凝固過(guò)程的比較分析

鑄坯的凝固時(shí)間示意圖可以客觀反應(yīng)鑄錠內(nèi)部的凝固順序、熔池形狀及凝固前沿動(dòng)態(tài)的特征。根據(jù)1#、2#和3#錠型的完全凝固時(shí)間分別為12.7 h（52.5 t）、7.2 h（35 t） 和15 h（61.8 t） （見(jiàn)圖6）。從圖中還可以清晰判斷凝固過(guò)程中熔池形貌的變化。對(duì)于1 m 和0.6 m 厚的無(wú)錐度寬厚板坯，其熔池形貌與鑄坯外形相符，為近似無(wú)錐度的扁長(zhǎng)U形熔池，垂直凝固前沿與鑄坯外壁幾乎平行；對(duì)于有錐度設(shè)計(jì)的3#鑄錠，其寬面和窄面的熔池形貌在凝固過(guò)程中都呈較大錐度的V 形。

圖6 錠型凝固時(shí)間計(jì)算結(jié)果

順序凝固是鑄造技術(shù)一項(xiàng)重要原則，即要求遠(yuǎn)離冒口的部分先凝固，靠近冒口的部分后凝固，保證鋼水凝固的補(bǔ)縮條件。對(duì)于模鑄工藝，就是要求熔池底部的凝固前沿緩慢上升，為冒口內(nèi)鋼水能夠順暢填充至凝固前沿創(chuàng)造有利條件，有效避免芯部疏松和縮孔。1#和2#算例的U 形熔池表明，無(wú)錐度的錠型設(shè)計(jì)對(duì)鑄錠芯部質(zhì)量有明顯的負(fù)面作用，會(huì)導(dǎo)致芯部產(chǎn)生嚴(yán)重的疏松和縮孔缺陷。這是由于U 形熔池的垂直凝固前沿幾乎平行生長(zhǎng)，導(dǎo)致在一個(gè)狹窄、扁長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)，鋼水幾乎同時(shí)凝固，完全沒(méi)有順序凝固的過(guò)程。經(jīng)過(guò)比較分析，鑄坯厚度越小，這種現(xiàn)象越明顯，以0.6 m 厚的鑄錠（2#） 為例，凝固末期在深2.59 m、寬1.52 m 和厚度僅為0.12 m 的熔池內(nèi)鋼水幾乎同時(shí)凝固，熔池底部前沿也未出現(xiàn)明顯自下而上的變化過(guò)程。而有錐度設(shè)計(jì)的3#錠型，熔池有一個(gè)明顯的自下而上的順序凝固過(guò)程，在凝固過(guò)程中熔池保持良好的V 形特征。綜上，對(duì)于構(gòu)筑成形用的超大斷面寬厚板坯，在錠型不能有錐度的前提下，必須采用梯度冷卻控制技術(shù)使液芯形成V 形熔池，并產(chǎn)生順序凝固過(guò)程，具體如采用分段水冷?？刂评鋮s強(qiáng)度，強(qiáng)化鑄模底座的冷卻強(qiáng)度等方法。

4 疏松的比較分析

由1#、2#和3#錠型的內(nèi)部縮松計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖7） 可知，1#和2#的無(wú)錐度錠型在凝固后內(nèi)部疏松沿著中心面呈平面分布，且厚度越小疏松的分布面積越大，當(dāng)厚度從1 m 降至0.6 m 時(shí)，疏松分布的平面區(qū)域從深2 m、寬0.45 m，增加至深2.4 m、寬1.24 m。因此，無(wú)錐度錠型厚度越小，鑄錠出現(xiàn)芯部缺陷的概率越大、致密度越差。對(duì)比3#錠型的計(jì)算結(jié)果，在錠身設(shè)計(jì)有錐度條件下鑄錠內(nèi)部未出現(xiàn)明顯疏松，鑄錠的致密度得到顯著改善。

根據(jù)鑄造原理，收縮是凝固過(guò)程中的必然現(xiàn)象。然而，凝固收縮是否會(huì)導(dǎo)致形成縮松則與凝固條件有關(guān)。凝固收縮若能得到鋼水的及時(shí)補(bǔ)充則可防止縮松的形成，所以凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮通道是否暢通是決定縮松形成的關(guān)鍵因素。由前面的分析可知，在無(wú)錐度條件下，熔池形貌呈U 形，其垂直凝固前沿幾乎平行生長(zhǎng)，當(dāng)兩側(cè)樹(shù)枝晶搭接后，會(huì)阻塞上部鋼水的補(bǔ)縮通道，鋼水在樹(shù)枝晶之間的流動(dòng)將極為困難。此外，在凝固后期，熔池較大范圍內(nèi)的鋼水同時(shí)進(jìn)入液固兩相區(qū)，進(jìn)一步限制鋼水的流動(dòng)性。由此最終導(dǎo)致1#和2#鑄錠內(nèi)部形成嚴(yán)重的疏松缺陷。對(duì)此可以通過(guò)設(shè)計(jì)有錐度的錠型加以改善。

5 鑄造應(yīng)力的比較分析

計(jì)算結(jié)果表明，錠型凝固后的應(yīng)力狀態(tài)受錠型尺寸的影響，三個(gè)算例中最大應(yīng)力水平都超過(guò)300 MPa，其中，1#和2#錠型在寬面和窄面的夾角位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，而3#錠型因窄面為圓弧面，收縮應(yīng)力均勻分布在圓弧面上，無(wú)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域（見(jiàn)圖8）。此外，經(jīng)過(guò)比較可知，厚度對(duì)寬厚板鑄造應(yīng)力的影響較小。

圖7 錠型內(nèi)部疏松計(jì)算結(jié)果

圖8 1#、2#和3#錠型的鑄造應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

6 C 宏觀偏析比較分析

圖9 C 元素宏觀偏析（正偏析） 的計(jì)算結(jié)果

本文轉(zhuǎn)子鋼26NiCrMoV14-7 中C 元素含量為0.35 wt.%。本文只計(jì)算正常偏析（A 偏析和V偏析），而模鑄大鋼錠還會(huì)因游離晶體下沉在底部形成負(fù)偏析錐。根據(jù)鑄錠內(nèi)C 元素宏觀偏析的計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖9） 可知，四個(gè)算例都呈現(xiàn)出C 元素含量從坯殼向芯部逐步增加的趨勢(shì)，靠近坯殼為成分均勻?qū)樱?.35 wt.%），而芯部區(qū)域C含量偏高為0.55 wt.%～0.59 wt.%，這是正常偏析的典型特征，符合局部溶質(zhì)再分配定律。比較可知，鑄錠厚度和錐度等尺寸因素對(duì)靠近坯殼成分均勻?qū)拥纳疃葲](méi)有明顯影響，深度都在130～150 mm之間。而根據(jù)4#算例，加大冷卻速度后，會(huì)顯著擴(kuò)大成分均勻?qū)拥纳疃戎?00 mm。因此加快冷卻速度對(duì)C 元素的宏觀偏析有明顯的改善作用。

從四個(gè)算例都可以觀察到典型V 形偏析帶，它是在凝固后期由于自由移動(dòng)的等軸晶填補(bǔ)鋼錠凝固收縮形成的空腔所造成的。此外，在1#～3#算例中觀察到明顯的A 形偏析特征，而快速冷卻的4#算例中未觀察到A 形偏析。關(guān)于A 形偏析的形成原因，普遍認(rèn)為是當(dāng)初生晶體下沉?xí)r，被排擠的一部分鋼水上升，鋼錠再繼續(xù)凝固，這部分富集雜質(zhì)及合金元素的鋼液被仍在生長(zhǎng)的樹(shù)枝晶滯留住，形成了A 形偏析帶。由于雜質(zhì)和合金元素的富集，A形偏析是一類(lèi)有害的偏析的形式。4#算例未出現(xiàn)明顯的A 形偏析是因?yàn)樵诳焖倮鋮s條件下，樹(shù)枝晶快速生長(zhǎng)形成了范圍較寬的液固兩相區(qū)，有效抑制鋼液的自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)，富含溶質(zhì)元素的鋼液無(wú)法有效上升，進(jìn)而抑制了A 形偏析的形成。

7 結(jié) 語(yǔ)

為了探索構(gòu)筑成形用超大斷面寬厚板坯的模鑄方法，本文研究了各類(lèi)錠型在模鑄工藝條件下的凝固過(guò)程和內(nèi)部質(zhì)量情況，具體結(jié)論如下：

（1） 與傳統(tǒng)有錐度的錠型相比，無(wú)錐度的新錠型會(huì)導(dǎo)致熔池形狀呈U 形，不利于鑄錠形成自下而上的順序凝固過(guò)程，惡化了芯部鋼水的補(bǔ)縮條件。鑄錠內(nèi)部疏松的計(jì)算結(jié)果也進(jìn)一步印證了無(wú)錐度設(shè)計(jì)對(duì)凝固后期鋼水補(bǔ)縮條件的負(fù)面作用，而且厚度越小，疏松缺陷分布范圍越廣、致密度越差。

（2） 寬厚板坯的厚度對(duì)鑄造應(yīng)力的影響較小，同時(shí)在新錠型寬面和窄面的夾角位置會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。

（3） 寬厚板坯的厚度和錐度對(duì)C 元素的宏觀偏析分布規(guī)律和V 形偏析沒(méi)有顯著的影響，而加快冷卻速度可以顯著加大成分均勻?qū)拥纳疃?，抑制A 形偏析的形成。

（4） 用傳統(tǒng)模鑄工藝無(wú)法制備出高質(zhì)量的超大斷面寬厚板坯，而需要采用梯度冷卻技術(shù)形成自下而上的順序凝固過(guò)程， 并通過(guò)加快冷卻速度的方法提高鑄錠的致密度。