【材制视角】另辟蹊径——“打铁”新思路

2021-11-14 21:51 作者:青春材制 0人读过 | 我要投稿

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2021-11-12

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一．前言

众所周知，金属大锻件是重大装备的核心部件,锻造质量关系到国家安全和国民经济的发展。传统的锻造思路是“以大制大”,先通过浇注得到百吨级的铸锭,再通过热加工的方式制备锻件。但由于尺寸效应,铸锭在凝固过程中会产生各种缺陷,严重影响最终的锻件质量。

中科院金属研究所的孙明月团队突破了传统的“以大制大”思路,转而采用“以小制大”的金属构筑成形技术,有效解决了大锻件的缺陷问题。

二.传统思路:“以大制大”

原来的锻造方式是利用冲击力或压力使金属在各个方向上产生自由形变。通过不停地敲打铁器,可以不断优化铁器的结构,把混在其中的杂质打碎,让它们沿着金属形变的方向分布,同时使金属发生再结晶,品粒细化,使最后制成的铁器、兵器等获得特定的形状且具有更好的强度和稳定性。

大锻件在锻造之前,需先用浇注的方式得到一个更大的钢锭,再通过锻轧、挤压等方式反复“敲打”加工原材料,得到最终所需的,大型锻件。

然而这种方式的缺点非常明显，让我们来为你简单分析一下：

一是浪费。用700吨的钢水,浇注出600吨的钢锭,锻造出500吨的中间产品锻坯,最后仅能得到400吨的锻件。这种方式会造成材料和能源的严重浪费，成材率通常仅为50%左右。

二是冶金质量不稳定。钢锭的尺寸越大,冷却速度就越慢,凝固时间也越长,通常需要几十个小时。在如此漫长的凝固过程中,钢水会析出像雪花一样的结晶。随着时间的推移,原本均匀分布的液体不再均匀,先凝固的部分和后凝固的部分成分比例不再一致。前期浇注不当引起的成分偏析等缺陷难以预判,会严重影响原材料的质量。

三．新方法:“以小制大”

尺寸越大,越容易出问题,这是显而易见的。孙明月的团队通过“以小制大”的方法解决偏析的难题,他们在国际上率先提出了一种全新的材料加工技术——金属构筑成形技术。

构筑成形技术将冷却速度比较快、均匀性比较好的小尺寸坯件作为“砖块”,一层层组合大尺寸坯件,以此来避免大尺寸钢锭在缓慢凝固过程中出现的偏析问题。但新的问题也随之出现:“砖块”之间应如何连接?问题的重点,集中在层间的界面到底能不能完全结合在一起。即使想办法连接上了,会不会是虚连,像千层饼一样,一撕就撕开了?

四.如何解决“千层饼”难题?

层间界面能不能像皮肤一样在破损后愈合?在做了大量的基础性研究工作之后,孙明月团队发现了界面愈合的两个过程。首先界面处的氧化膜是界面实现有效结合的最大阻碍。实验发现,氧化膜会在高温变形的作用下破碎,并发生分解。分解后的氧离子向远离界面的区域扩散,并固溶到基体中,使得界面处的成分、组织结构等与基体完全一致。