有限元數(shù)值模擬技術在大型鋯合金鑄錠鍛造加工過程中的應用

文/王練·國核寶鈦鋯業(yè)股份公司

隨著有限元理論的廣泛應用及計算機技術的快速發(fā)展，運用計算機數(shù)值模擬技術對鍛造過程進行仿真分析，在盡可能少或者無需物理試驗的條件下，模擬得到金屬流動規(guī)律、溫度場、應力場甚至晶粒組織的演變規(guī)律等相關信息，再根據(jù)得到的信息修改工藝參數(shù)和模具設計已成為可能。

鋯合金因其具有密度低、比強高、耐腐蝕、加工性能優(yōu)異以及熱中子吸收截面低等一系列優(yōu)點，而被廣泛用作水堆的結(jié)構材料，如包殼管、定位格架和端塞等。開坯鍛造過程作為鋯合金管棒材生產(chǎn)過程的重要一環(huán)，主要目的是改善組織，提高金屬的綜合性能，即在獲得合理坯料尺寸的同時，為后續(xù)熱處理、擠壓及軋制過程提供必要的組織基礎。

鍛造過程中，合金的鍛前加熱機制及鍛造工藝，對最終鍛件的質(zhì)量有著重要影響。為防止鍛件出現(xiàn)如表面裂紋、內(nèi)部分層、表面折疊、組織粗大不均勻等缺陷，應嚴格控制工件的鍛造工藝；而傳統(tǒng)的研究手段只有通過控制變量、重復試驗的途徑來獲得數(shù)據(jù)，這不僅使研發(fā)周期長、工作量大，而且需要耗費大量的鋯材資源，產(chǎn)生高昂的研發(fā)成本，對于核工業(yè)領域的鑄錠大型化發(fā)展趨勢來說顯然已極不適合。

隨著有限元理論的廣泛應用及計算機技術的快速發(fā)展，運用計算機數(shù)值模擬技術對鍛造過程進行仿真分析，在盡可能少或者無需物理試驗的條件下，模擬得到金屬流動規(guī)律、溫度場、應力場甚至晶粒組織的演變規(guī)律等相關信息，再根據(jù)得到的信息修改工藝參數(shù)和模具設計已成為可能。在國內(nèi)，該方法已由中科院金屬研究所、西北工業(yè)大學等科研院校在鈦材鍛造加工輔助分析中成功應用，效果較好。不僅極大提高了研發(fā)效率，同時也節(jié)約了大量寶貴資源。但在核級鋯材加工領域，受實際加工技術條件限制，該方面的研究工作還鮮有報道。

本文正是基于此，針對大型鋯合金的開坯鍛造過程，以實際的鍛造工藝為基礎，借助新興的有限元數(shù)值模擬手段，通過系統(tǒng)分析不同加工工藝對坯料鍛造過程及組織情況的影響規(guī)律，綜合介紹了有限元數(shù)值模擬技術在傳統(tǒng)鋯材加工分析中的應用情況，以期在為實際工業(yè)生產(chǎn)提供技術參考的同時，也為新型鋯合金的加工工藝開發(fā)提供一種新的研究思路。

研究方法

本文以大型 Zr-4合金鑄錠的一火次鍛造過程為例，坯料及工裝模具有限元模型均使用Pro/E 5.0軟件建立，合金主要熱物理性能參數(shù)包括彈性模量、泊松比、比熱、熱導率、熱膨脹系數(shù)及熱輻射率等參考文獻。材料鍛造變形時的真應力-應變數(shù)據(jù)通過Gleeble-3800型熱物理模擬試驗機測試獲得。同時，根據(jù)文獻中提供的Zr-4與5CrMnMo模具材料的熱交換系數(shù)，確定坯料與機械手、坯料與上下砧塊及坯料與環(huán)境之間的熱輻射和熱對流系數(shù)。坯料與工裝模具之間的摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)設定為0.44。計算均采用六面體網(wǎng)格，六面體單元尺寸為32mm，總共劃分了30360個六面體網(wǎng)格。合金加熱、轉(zhuǎn)移、空冷處理以及一火鍛造過程的數(shù)值仿真均借助于Simufact.forming-12.0版軟件完成，總體有限元模型如圖1所示。

圖1 Zr-4合金一火鍛造過程有限元模型

結(jié)果與討論

鍛前工藝仿真

針對研制的大型Zr-4鑄錠，鍛前依據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗以及現(xiàn)場設備能力設計了兩組加工工藝參數(shù)，分別是低溫持續(xù)變形以及高溫大變形方式，為預判兩者可行性與否，仿照具體工藝參數(shù)分別進行了工藝仿真。

圖2 □430～470mm坯料表面溫度場分布

圖2所示即為材料低溫持續(xù)變形方式下，由原始鑄錠鍛至中間□430～470mm時的表面溫度場分布。由圖可看出，坯料頭部表面溫度約625℃、尾部表面溫度約615℃，均已低于終鍛溫度控制點650℃。

分析發(fā)現(xiàn)，當將坯料鍛至□430～470mm時，如圖3所示其表面最大拉應力A面約81MPa、B面約92MPa。這同Zr-4合金在該溫度下的抗拉強度（約80～90MPa）非常接近，因此可預測坯料繼續(xù)鍛造表面會有開裂的風險。

進一步分析驗證可借助鑄錠樣品的Gleeble試驗來實現(xiàn)，選取試驗溫度620℃和650℃、應變速率0.1/s、應變量0.9，觀察熱壓縮后的樣品表面狀況，從圖4中可看出：溫度低于650℃時，樣品表面已出現(xiàn)明顯裂紋，且溫度越低開裂越嚴重，此即表明實際鍛造時，若坯料表面溫度低于650℃，繼續(xù)加工將有可能使表面出現(xiàn)裂紋，從而影響表面質(zhì)量，因此坯料需進行回火處理。

圖3 □430～470mm坯料不同表面拉應力分布

圖4 □430～470mm坯料不同表面裂紋

相較于低溫持續(xù)變形工藝，當試驗采用高溫大變形方式時，由第二組數(shù)值仿真結(jié)果（圖5）可發(fā)現(xiàn)，即使當坯料由□430～470mm鍛至一火終鍛尺寸□340～370mm時，其頭尾端表面溫度也將遠遠高于650℃，達到750℃；而同時，材料表面拉應力峰值僅30MPa左右，因此該工藝下可不用進行回火處理。綜合比較兩組工藝，從縮短工藝流程、節(jié)約生產(chǎn)成本的角度來說，在鍛造設備能力允許的情況下，宜選擇第二種高溫大變形成形方式。

圖5 工藝2□340～370mm坯料表面溫度場和應力場分布

鍛后輔助分析

一火次鍛造結(jié)束后，為對比分析坯料不同區(qū)域的組織差異以及變形工藝的影響規(guī)律，在整根鍛坯的中間位置切取了一段20mm厚的板坯，又進一步取其1/4作為全局代表，然后分別沿中線（“Z”表示）及對角（“D”表示）兩個方向分區(qū)域取樣（圖6），再在50×下進行了金相觀察試驗。

圖6 □340～370mm坯料1/4取樣位置示意圖

圖7(a)、(c)、(e)所示為對角線方向內(nèi)、中、外三區(qū)域的50×金相組織照片。整體來看，三區(qū)域的晶粒由里至外似乎呈現(xiàn)尺寸逐漸“減小”趨勢，但嚴格區(qū)分可發(fā)現(xiàn)，三個位置的晶粒組織類型有所差異。實際上，坯料心部區(qū)域（DI）晶粒形態(tài)主要是一定粒度的等軸晶粒，尺寸均在40～50μm左右；邊角區(qū)域（DIII）微觀組織則是由等軸晶粒和破碎的鑄態(tài)組織共同構成，且由內(nèi)至外（DIII細分為幾個區(qū)域）等軸晶粒數(shù)量逐漸減少，而細小的鑄態(tài)組織逐漸增多；中間區(qū)域（DII）處于內(nèi)外過渡位置，組織中以等軸晶粒為主，輔以極少量的鑄態(tài)組織，且與心部區(qū)域?qū)Ρ龋涞容S晶粒尺寸更為細小，鑄態(tài)組織更為粗大。

圖7 □340～370mm坯料對角和中線方向50×金相照片

坯料中線方向上內(nèi)、中、外區(qū)域的50×金相組織照片如圖7(b)、(d)、(f)所示。由圖7可看出，其各自形貌特征以及對比情況均與對角線方向上類似。另外，由圖(e)(f)對比還可發(fā)現(xiàn)，相較于邊緣位置（ZIII），坯料邊角位置（DIII）的晶粒尺寸要更為細小一些。

鍛造過程中，坯料晶粒組織分布差異主要由不同區(qū)域溫度分布及變形程度差異造成。一方面，由第二組工藝仿真結(jié)果（圖8）可看出，坯料由原始鑄錠加工至□340～370mm時，受鍛造變形熱及熱輻射影響，心部溫度要明顯高于中間及表層；另一方面，從一火鍛造模擬□340～370mm坯料50%處的應變場分布圖（圖9）可發(fā)現(xiàn)：坯料心部區(qū)域變形程度最為劇烈，往外逐漸減弱，四個對角較邊緣中心處又要強一些。

圖8 □340～370mm坯料橫截面溫度場分布圖

圖9 □340～370mm坯料50%處應變場分布圖

坯料區(qū)域變形程度越劇烈，晶粒被擠壓破碎得越徹底，其尺寸也就可能越細小；同時變形量越大，晶粒再結(jié)晶溫度也越低。因此，對于□340～370mm坯料對角線方向來說，心部區(qū)域一方面由于劇烈的擠壓變形，使得原始鑄態(tài)組織能夠被充分破碎，可能獲得細小晶粒；另一方面，由于長時間處于β相區(qū)，高溫下鑄態(tài)組織晶界處開始發(fā)生再結(jié)晶，且受大變形量的影響，再結(jié)晶溫度降低，短時間內(nèi)即能再結(jié)晶完全；隨后晶粒便開始長大。最終兩方面因素共同作用使得心部區(qū)域主要由一定粒度的等軸晶粒組成。坯料邊角位置變形程度較心部小，溫度因與空氣接觸也較低，因此該區(qū)域由于發(fā)生再結(jié)晶而形成的細小等軸晶粒較少，而主要是由原始鑄造組織受擠壓破碎獲得的細小長條組織。中間區(qū)域變形量和溫度值均介于內(nèi)外之間，因此既有比心部區(qū)域更加細小的再結(jié)晶等軸晶粒組織，也有因再結(jié)晶不完全而殘留的破碎鑄態(tài)組織。

另外，對于坯料邊角及邊中兩位置的組織差異，由于原始組織同為鑄態(tài)組織，且鍛造過程中溫度差異也較小，因此出現(xiàn)差異的主要原因在于兩位置的變形程度不一樣。圖9中線上的邊緣區(qū)域應變值低，在變形過程中屬于難變形區(qū)；而對角線上的邊角區(qū)域顏色明顯要深一些，因此受擠壓變形程度更劇烈一些，從而晶粒組織也將被破碎得更充分一些。

綜上分析可見，在大型鋯合金鑄錠開坯鍛造過程中，有限元數(shù)值模擬技術無論是針對鍛前的工藝設計，還是關于后期鍛造組織的形成機理，均能起到很好的輔助分析作用，表現(xiàn)出極強的學術及工程應用價值。

結(jié)論

本文基于Zr-4合金的一火次開坯鍛造過程，利用有限元數(shù)值模擬手段，通過系統(tǒng)分析不同加工工藝對坯料鍛造過程及組織的影響規(guī)律，綜合介紹了有限元數(shù)值模擬技術在傳統(tǒng)鋯材加工分析中的應用情況，得到如下結(jié)論：

⑴將有限元數(shù)值分析技術結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，應用于大型鋯合金鑄錠鍛造的加工工藝制定，可在較少甚至不需要物理試驗的條件下，完成鍛前工藝參數(shù)的優(yōu)化設計；

⑵將新興有限元分析技術與傳統(tǒng)金相等檢測手段相結(jié)合，可在鋯合金鍛造組織形成機理分析工作中，相得益彰，發(fā)揮重要作用；

⑶有限元數(shù)值模擬技術的應用不僅能夠極大地提高研發(fā)效率，同時也將節(jié)省大量寶貴的鋯材資源，對我國新型核用鋯合金的研發(fā)將具有重要的工程價值和學術意義。