316LN 異型支撐鍛造工藝研究

趙曉光，許 丹，李鵬遠

（1.貴州航天新力科技有限公司，貴州 遵義 563003；2.核工業西南物理研究院，四川 成都 610041）

1 前言

國際熱核聚變試驗堆計劃（ITER），是目前全球最大的國際科研合作計劃之一。ITER 裝置是一個能產生聚變反應的超導托克馬克，俗稱人造太陽[1]。

低溫超導磁體系統作為ITER 裝置關鍵部件由環向場線圈、極向場線圈和校正場線圈組成[2，3]。其中極向場線圈起著等離子體的電流和位形用的關鍵作用。如圖1 所示，在極向場線圈上有72 個316LN異形超導線圈支撐，該部件直接與低溫超導線圈接觸，服役于4K 極低溫，12T 強磁場，14Mev 中子輻照環境下[4]。由于不銹鋼的焊接變形量大，該異形超導線圈支撐結構的制造方式以整體鍛造接為主，再加上少量的機械加工。在ITER 運行過程中，這些異型變截面支撐結構不僅要承受強電磁場力、放電瞬時脈沖和地震載荷等強載荷，還將承受由于超導磁體冷卻和放電破裂等造成的環向和徑向的收縮以及扭曲。因此要求該支撐部件有著足夠的力學性能滿足ITER 運行工況，同時需要有著良好的低溫強度和韌性以應對極端工況。

圖1 ITER 極向場線圈支撐示意圖

異型變截面支撐的整體鍛造成形方案主要分為圓環變方環、拔長、壓平及鐓頭成形等成形工序。其整體鍛造成形方案存在壁厚尺寸不均勻、材料變形抗力較大、鍛造溫度范圍窄、工裝模具多，操作配合難度大等問題。最大難點是壓平成形步驟中底部兩個外圓角的成形。本文通過試驗和熱彈塑性有限元模擬相結合的方法，對鍛造工藝進行數值模擬分析，以期得到優選的鍛造工藝。

圖2 U 形件鍛件示意圖

2 鍛造工藝設計有限元優化設計分析

2.1 模具約束對金屬流動的影響

根據金屬流動的最小阻力定理，本文設計出一種整體外模具對材料流動進行約束，并對模具約束位置進行模擬仿真分析，進而確定出最佳的模具約束位置。模具在不同位置情況下金屬材料的流動情況如圖3 所示。

如圖3a 所示，若模具約束位置在底部圓環位置，在壓力機的壓力下，坯料底部金屬往左右和豎直方向流動，以左右方向流動為主；如圖3b 所示，若模具約束位置在底部圓弧之上，金屬材料僅僅往左右方向流動，而且內腔與內模芯產生了20mm 的分離。由此可知，為了使金屬材料往底部圓弧處流動，模具約束位置需放置在圓角處。

圖3 模具約束位置對金屬流動的影響

2.2 坯料結構對底部外圓角的影響

上節分析了金屬流動的方向性問題，然而，需要多少金屬材料才能夠補充底部外圓角也需要進行設計。本文分別考慮設計如圖4 所示三種不同的坯料結構形式，分別進行模擬仿真分析弧度大小對底部外圓角的影響，分析結果如圖5 所示。

圖4 坯料結構對成形的影響

壓平道次圓角處的成形模擬結果如圖5 所示，其中圖5c 底部直段最長，為1201mm。圖5a 底部直段最短，為1088mm。模擬結果表明，坯料弧度越大，經壓平工步后，金屬材料往圓角處流動的最多。兩側邊在相同變形量的情況下，底部圓角依次變小，也說明坯料弧度尺寸對底部圓角有較大的影響，即弧度越大，底部金屬材料的流動越充分，形成的圓角越小。

圖5 壓平道次金屬流動性模擬分析

如圖6 所示，3 種方案最終成形的結果表明，底部外圓角大小的影響因素主要有坯料底部弧長和模具的約束位置。優選鍛造工藝為c 方案，在保證坯料弧長不少于鍛件最終長度的情況下，適當增加弧長能夠在一火次內通過底部弧度壓平和兩側邊的金屬鍛薄實現底部外圓角的成形。

圖6 最終成形情況

3 鍛造工藝試驗

3.1 鍛造工藝試驗

經過對異型變截面鍛件的結構分析和成形過程的模擬，制定出如下的鍛件成形工藝，各參數如表1所示。

表1 成形順序及各工序工藝參數表

根據制定的工藝方案，完成了模具的生產制造和鍛件整體成形的制造，鍛造過程如圖7 所示，分別使用有限元分析優化的模具，用于圓環變方環、拔長、壓平及鐓頭成形等成形工序。鍛件完成后，對鍛件進行1060℃的固溶處理，隨后對異型變截面支撐兩側的20mm 的狹縫采用線切割方式進行加工在完成線切割后，對異型變截面鍛件進行整體機加到最終尺寸。

圖7 鍛造過程圖

3.2 材料的力學性能檢測

結合異型變截面鍛件的受力狀況，設計異型變截面鍛件取樣位置于鍛件開口頂部和底部，保證檢測到所有重要部位的力學性能。最終檢測結果如表2所示，結果表明，使用該方法生產的鍛件金屬纖維流線隨產品形狀分布，組織均勻，晶粒度為4±1 級，具備優異的常溫及低溫力學性能。

表2 圓角處材料性能測試結果

4 結論

本文對影響成形的各種因素進行有限元模擬仿真分析，得到最合理的坯料、模具及鍛造工藝。采用圓環坯料進行異型變截面鍛件，為盡可能減小底部圓角，分別使用厚度減薄向左右方向流動以及兩側邊金屬減薄向上下流動來補充底部外圓角，最終成功實現316LN 超導異型支撐的高質量成形。鍛造工藝試驗的結果表明，其尺寸完全滿足要求。圓角處材料取樣測試結果表明，其微觀組織及常低溫力學性能優異。