1 前言
大型铸锻件是国家重大技术装备和重大工程建 设所必需的重要基础部件，比如电力、钢铁、石化、造 船、交通、军工、重矿机械、航空航天工业设备的生产 都离不开它，其制造能力和水平直接决定着重大技 术装备的制造能力和水平。因此，大型铸锻件产业的 发展是衡量一个国家工业水平和国防实力的标志之 一。
我国十分重视大型锻件制造业的发展，虽然 40 多年来投入了大量的资金和人力使得该产业由小到 大，从低到高发生了重要的变化，但是到目前为止， 国产大型锻件的制造能力和技术水平与国外相比还 有较大差距。所以，开展大型铸锻件制造关键技术研 究，对于提高我国重大成套装备的制造能力有着至关重要的意义。
2 我国及国外大型锻件的发展历程
2.1 国内大型锻件的发展
自1953 年修复沈阳重机厂 20MN 锻造水压机 投产运行起，我国大型锻件行业经历了恢复、建设和 生产发展的过程。改革开放以来，我国步入了由计划 经济向社会主义市场经济的过渡时期，大型锻件行 业又经历了深化体制改革、科技攻关、技术引进及国 产化、提高质量和经济效益等阶段。生产大型锻件，就必须拥有万吨级大型锻压机。
如，由中国一重自行设计制造、拥有完全自主知识产 权的 150000kN 重型自由锻造水压机于 2006 年 12 月 30 日试车成功，是我国自 1958 年研制成功万吨 水压机之后又一重大装备成果；而中信重工集团制 造的世界上吨位最大 、 具 有 当 代 控 制 技 术 的 185000kN 自由锻造油压机正在建设中，预计今年投 入使用，可提供最大单件重量达到 350t～400t 的自 由锻件，最大直径达 达5000mm。它们将为生产大型 锻件提供重要的硬件条件。
目前，在火电方面，我国已能够生产 300MW、 600MW、800MW 火电机组高、中、低压汽轮机转子、 叶轮、叶片、发电机主轴、护环，火电大锻件制造水平 的提升说明我国大型锻件的生产取得了标志性的成 果。在水电方面，将由我国自己制造约有 30 台 700MW 水力发电机组大锻件，这说明我国水电锻件 的制造技术已接近世界先进水平。而在核电方面， 去年年初，中国一重成功锻造出世界首件第三代核 电关键部件——AP1000 蒸发器锥形筒体，标志中国 在第三代核电产品制造领域已走在了世界前沿。
同时，我国已掌握了 Cr3、Cr4、Cr5 大型锻造支 承辊、半钢轧辊等系列的轧辊产品。已掌握近千种规 格的大型铸钢支承辊制造技术；还掌握了锻焊结构 热壁加氢反应器的制造技术，如中国一重制造的 2040t 煤制油加氢反应器是现今世界上最大的加氢 反应器。我国还能够提供 7 万吨以下远洋巨轮的全 套大锻件，造船年产量占世界总产量的 5%，居世界 第三。目前，我国市场大型锻件的需求量巨大。
其中， 直径2000mm～直径2400mm 整锻支承辊，高铬钢、半高速钢 轧辊等国外大型锻件的制造和发展仍不能满足要 求。另外，如造船、石化、军工、航空航天、矿山、铁道 交通等高技术产品都需研究开发，因而大型锻件生 产今后将进入调整优化为主的新发展阶段。
2.2 国外大型锻件的发展状况
20 世纪六七十年代，国外大型自由锻件的生 产，通过采用新技术、新设备，进行结构调整，关闭和 新建一批液压机，重新进行分工，经过努力，逐步走 向了合理。日本把大型锻件称为锻钢件，即用钢锭生 产的大型锻件，在 1974 年它就将 500t 钢锭锻成直 径为1810mm 的整体转子锻件，日本川崎制铁株式 会社制造了重量达 320t 的空心钢锭，迄今为止，日 本在大型锻件制造方面仍居世界领先地位。德国大 型锻件生产水平在欧洲堪称首位；美国在世界上也 有较高的水平；俄罗斯的水平接近日本；另外意大 利、英国、韩国等工业发达国家在大型锻件生产上都 有较高的技术水平，他们都有能力生产各类大型铸 锻件。
3 大型锻件的锻造工艺研究
为了完全消除钢锭内部缺陷、提高锻件质量，除 了应配备足够能力的锻压设备外，还需要选择合适 的锻造工艺。镦粗、拔长是大型锻件锻造中最重要的 两个工步。
3.1 镦粗
经典的镦粗工艺理论认为：摩擦力为零的理想 情况下，镦粗时的应力为简单压缩，而在有摩擦力存 在时，镦粗体心部总是呈三向压缩应力状态。但是大 型锻件的生产实践发现，如果镦粗比不够大的话，采 用镦粗工艺有时会使钢锭内部的缺陷扩大，这种现 象无法用经典的三向压应力理论来解释，说明经典 的镦粗理论存在着某种程度的不完善性和认识上的 误区。1995 年，燕山大学刘助柏教授在其撰写的专著 《塑性成形新技术及其力学原理》一书及发表的部分 文献中，提出了关于圆柱体镦粗的两个新理论：高径 比大于 1 的刚塑性力学模型的拉应力理论 （如图 1a、b） 和高径比小于 1 的静水应力力学模型的剪应 力理论（如图 1c）。根据圆柱体镦粗新理论，若接触端面存在着较 大的摩擦力，锻件心部存在着双向拉伸应力，或者出 现较大的附加径向拉伸应力，这样的应力状态对缺 陷的锻合是不利的。基于平板间圆柱体镦粗新理论 的力学分析方法，刘助柏教授通过改变镦粗时的边 界条件，创造性地提出了一种锥形板镦粗的新工艺。其实质是：利用锥形板的几何特征，将平板镦粗时的 圆锥形刚性区，变为两个尺寸较小的刚性区，锥形板 的锥角使得这两个刚性区正好能在锻件心部产生三 向压缩应力，可对相应部位上缺陷的锻合起到良好的作用。
3.2 拔长
拔长是决定大型锻件质量的主要锻造工艺。因 此，我国和世界上一些国家对型砧拔长进行了大量 的实验和生产研究，认为该法能使钢锭心部获得较 大的静水压和变形量，有利于消除中心区的空洞，增 强心部塑性和锻造性[5]。因此，锻压工作者通过改变 边界条件来改变应力应变状态以获得最佳的缺陷锻 合条件，从上下平砧拔长发展为上平砧、下 V 型砧 拔长，后来通过改变拔长砧形和工艺条件，又发展了 FM 锻造法、WHF 锻造法、KD 锻造法、SUF 锻造法、 TER 锻造法、JTS 锻造法、FML 锻造法和 AVD 锻造 法，这些方法都己成功应用于大型锻件生产[7]。
进入 20 世纪 90 年代，在前人对拔长工艺研究 的基础上，以系统观点提出了拔长新理论。该新理论 论证了要补充一个新的工艺参数——料宽比，这样 才能正确描述拔长毛坯变形中心区域的应力状态。同时提出了要控制料宽比及砧宽比的 LZ 锻造法， 认为 w/h=0.8~0.9，b/h=0.85~1.18，变形体内不会出 现轴向和横向拉应力。在 FM 法基础上提出了增加 料宽比的新 FM 法（图 2），认为 w/h≥0.4，b/h=0.83~ 1.2，变形体内不会出现双向拉应力。
2007 年，我国科技人员在分析现有镦粗、拔长 变形工序中难变形区对大型锻件锻造过程变形分布 和应力状态影响的基础上，提出一种新的拔长工 艺——凹面砧拔长。研究结果表明，对应力状态而 言，在变形量相同情况下，对 于凹面平砧锻造 （CFAF）工 艺，静水应力提高近 30%；对 于凹面 V 砧锻造（CVAF）工 艺，静水应力提高近 50%。对 变形而言，静水应力相同情 况下，CFAF 工艺减少 压 下 量 33.5%；CVAF 减少压下量 26.5%。与其他特殊拔长方法 比较，凹面砧拔长有操作方 便、适用范围广的优点。锻造工作者经过长期的探索研究，取得了显著 的成就，为提高大型锻件质量做出了很大贡献。随着 大型锻件尺寸的增大，对锻件质量的要求更高。
因 此，必须对锻比重新认识，对锻造方法与技术及微观 组织模拟与控制锻造等问题开展研究；建立系统的 仿真系统，改善锻造工艺，依据现有锻造方法的优缺 点的对比，提出合理有效的锻造方法，来提高生产效 率和大型锻件质量。
4 大型锻件的缺陷产生和控制方法
由于大型锻件制造技术的特殊性和复杂性，在 锻造过程中容易形成一些不同于中小型锻件的各种 各样的缺陷。所以，研究如何使大型锻件中的缺陷压 实锻合，顺利通过超声波探伤，对提高大型锻件的制 造水平和企业的经济效益具有重要意义[9][10]。大型锻件中的缺陷主要来自两个方面：①冶金 缺陷：例如非金属夹杂物、残余缩孔、疏松、空洞等， 这些缺陷在冶炼过程或浇铸过程中形成；②处理缺 陷：例如裂纹、白点（图 3）、粗晶等，这些缺陷在锻造 和热处理过程中形成。
4.1 非金属夹杂物
非金属夹杂物主要是指原材料带来的硫化物、 氧化物和硅酸盐等，这些非金属夹杂物的含量、分布 （图 4）与冶炼钢锭有关，锻造只能使其分散，而不能 减少。
减少夹杂物的根本途径是在冶炼浇注过程中尽 量减少夹杂物的来源，对钢锭中己经形成的夹杂物应尽量使其上浮至冒口区。变形过程中，采用满砧送 料，大压下量锻造，有利于钢锭中心夹杂物产生变形 而后孔隙焊合。若可能采用宽砧锻造，形成有利于锻 合缺陷的压应力状态。选择适当的锻造比，利用合理 的锻造工艺使粗大的夹杂物减少，密集的夹杂物分 散，以减少其危害。
4.2 残余缩孔和疏松
该类孔隙性缺陷，破坏金属连续性，形成应力集 中与裂纹源，属于不允许的缺陷。防止该类缺陷的 对策有：严格控制浇注温度和速度，防止低温慢速注 锭；采用发热冒口或绝热冒口，改善补缩条件使缩孔 上移至冒口区，防止缩孔深人到锭身处；控制锻造时 钢锭冒口切头率，充分切净缩松缺陷；合理的锻压变 形，压实疏松缺陷。
4.3 空洞
空洞是大型钢锭的主要冶金缺陷之一。锻造过 程中空洞的尺寸形状和体积变化与控制的研究难度 在于：①大型锻件内部空洞的尺寸与其本身的尺寸相 差极为悬殊，难于采用数值计算方法和已有的塑性 力学分析方法。②大型锻件的尺寸形状各异，难以得到对生产 具有广泛指导意义的结果。文献针对钢锭内部空洞缺陷的尺寸远远小 于本身尺寸的特点，依据圣维南原理，将各种空洞缺 陷的形状假设为数学上可处理的椭球形。由于大型 锻件的锻造是在高温下进行的，材料具有粘性流动 的特征，再利用损伤力学中的远场应力与物体内部 微观损伤的力学关系，得到了锻造过程中外载荷与 内部空洞体积变化的解析式，进而得到了空洞缺陷 闭合的条件。此条件表明了应力状态影响空洞的闭 合方式，三向压应力是空洞闭合的最佳应力状态。该 条件可直接根据锻造水压机的在线载荷与压下量计 算锻件内部空洞缺陷的闭合情况。
4.4 裂纹
在大型锻造中，易产生裂纹。如钢锭缺陷引起的 锻造裂纹、钢中有害杂质沿晶界析出引起的裂纹、第 二相析出引起的裂纹。还有就是温度、变形程度、变 形速度、冷却速度、应力状态等热力因素的合理选 择。反之，可能形成各种锻造缺陷和裂纹。现有的控制方法有：①提高冶炼钢水纯净度；②铸锭缓慢冷却，减少热应力；③采用良好的发热剂与保温帽，增大补缩能力；④限制钢中加铝量，去除钢中氮气或用加钛法 抑制 AlN 析出量；⑤采用热送钢锭，过冷相变处理工艺；⑥提高热送温度（>900℃）直接加热锻造；⑦锻前进行充分的均匀化退火，使晶界析出相 扩散；⑧采用中心压实锻造工艺。综上可知，材料特性、缺陷性质、变形量、温度、 时间、压力等许多因素共同影响着缺陷修复。而修复 的最重要因素有：内部缺陷性质、理想的高温条件、 合理的应力状态和一定的变形量。即要有足够大的 变形程度或局部锻比；缺陷周围为负的静水压力状 态；高的锻造温度和一定的保压时间；孔隙表面未被 氧化，不存在非金属夹杂物。其中要想实现大的变形 使缺陷处于合理的应力状态，就必须选择合理有效 的锻造方法。
因此，采用何种工艺去锻合内部这些缺 陷，如何创造有利的力学条件，使之在锻造过程中不 出现新裂纹或夹杂性裂纹，是我们要研究的问题。然而，目前的锻造方法虽然可以打碎碳化物、锻 合疏松和空洞等冶金缺陷，不萌生新的裂纹源，并获 得组织均匀致密的锻件，但是它们也存在着自身的 缺点。
如 WHF 锻造法是在高温下对锻件进行大压 下量锻造，具有较好的空洞锻合效果且操作简便，但 整个截面的应变分布很不均匀，造成锻件性能的各 向异性；JTS 法使锻坯中心部位符合高温、大变形 量、三向压应力状态的孔隙焊合条件且表现出较强 的锻透能力，但在整个截面上存在较大的变形梯度， 同时需要压力机负荷较高，钢锭表面易产生裂纹；FM 法的锻造方法使锻件心部变形量增大，产生三 向压应力，但在接近下砧的部分会出现轴向拉应力。这些型砧的主变形方向都始终沿拔长方向，结果将 形成轴向纤维组织，而且整个横截面变形分布不够 均匀。
因此，为了有效控制大型锻件的裂纹，可通过对 大型锻件材料损伤力学和数值模拟技术的研究，建 立新的损伤模型，从而寻找到合理有效的锻造工艺参数。
5 有限元数值模拟技术在大型锻件锻造过程中的应用现状
利用计算机数值模拟的方法，获得生产大型自 由锻件锻造成形过程中金属宏观力学性能和微观组 织的变化规律，以此为基础优化工艺参数，从而实现 对锻造生产过程的有效控制，为获得优质锻件提供 技术保证。
5.1 有限元数值模拟
目前，对大型锻件的自由锻研究主要集中在试 验研究或者物理模拟方面，比如主要研究砧宽比、料 宽比以及压下量等对空洞闭合压实的影响。对大型 锻件自由锻的形变机理、空洞的闭合与焊合机理、锻 造过程形核再结晶及长大机理，以及各种机理之间 的相互影响关系等方面的研究不多。主要研究的是平砧拔长时砧宽比（AWR）和料 宽比（BWR）的合理范围，得出砧宽比大于 0.8 时，锻 件内部不会出现轴向拉应力；料宽比小于 0.85 的情 况下，锻件内部可能会出现横向拉应力。后来的研究 表明，砧宽比、料宽比和压下量需要合理匹配才能有 效控制锻件的内部应力状态。但到底如何合理匹配， 不同的锻件、不同的锻造方法也是不同的，必须进一 步有针对性的研究，以便能够得到系统的、应用范围 广的三者匹配参数。
5.2 微观组织模拟
有限元数值模拟为制定材料成形工艺提供了重 要参考数据，但要改善产品的性能，则必须考虑材料 显微组织的大小、分布状态与缺陷等，因此，数值模 拟的研究热点已经从基于塑性力学的有限元模拟发 展到基于组织演变的微观组织模拟。北京机电研究所曾志明先生对有限元软件 DEFORM 进行了二次开发，通过模拟预测了大型锻 件锻造过程的微观组织演变。Jong Taek Yeom 运用 DEFORM-3D 预测了 718 合金在拔长过程中的再结 晶和晶粒长大过程，并验证了结果。F.S.Duam 利用 有限元模拟的方法研究了不同锻造参数对大型锻件 锻造后晶粒大小及微观组织均匀性的影响。
从国内外的研究结果表明，大型锻件微观组织 模拟的研究主要集中在热成形工艺的软化机理和软 化过程的数值模拟，包括动态再结晶、动静态再结 晶、晶粒长大等的模拟。更多的是大型锻件成形过程 中再结晶分数和平均晶粒度的有限元模拟，分析结 果只对工艺参数的确定有一定的指导意义。微观组 织模拟的要求主要是从微观机理上来模拟分析锻造 过程材料微观组织的演化，及其对宏观性能的影响。研究多种物理场耦合下的锻造过程混晶产生与消除 机理、空洞闭合及焊合机理、再结晶及原子扩散对空 洞与微裂纹焊合的影响机制，结合数值模拟得出对 锻件宏观强度、塑性、韧性等的影响，以提高大型自 由锻的锻件质量。但是，目前的仿真模型多为经验模 型，应用范围受到一定限制。
总之，我们迫切需要建立以求解锻造成形过程 中锻件内部等效应力、等效应变、温度梯度等物理量 场的基于宏观塑性力学的模拟；以及以锻件内部铸 造组织细化及缩孔和疏松的锻合为特征的微观组织 演变过程相结合的大型锻件自由锻成形工艺的数值 模拟的原型系统。
6 材料损伤技术研究
早在 1958 年 Kachanov 研究蠕变现象时引用了 损伤变量，提出了连续性因子与有效应力的概念，并 写出了它演化的本构方程，从此开创了损伤力学发 展的历史。经过几十年大量开创性的研究工作，扩大 了损伤力学的应用范围。现在，损伤力学已进入工程 应用的发展阶段[17]。引起材料强度劣化的微结构变化通常称为损 伤。微缺陷（微裂纹和微孔洞）的成核、发展及合并造 成的损伤，逐步在材料中形成宏观裂纹，使材料结构 承载面积缩小，直至断裂失效。从理论研究结果看，损伤力学是一门较系统地 研究微缺陷以及这些缺陷的发展对应力和应变状态 影响的科学。其核心内容有：要根据所研究问题的特 点，引入恰当的标量或张量型的损伤内变量，以反映 局部缺陷对材料物理性能的影响；建立损伤材料的 本构关系，即建立损伤演化规律在内的对各状态变 量之间关系的模型；最后就是损伤力学计算方法的 实现。
目前，有关损伤力学理论、实验和应用的研究相 当广泛，但已有的进展还很不完善。因此，需要在前 人对损伤力学相应的有限元算法的基础上进一步研 究，建立适用范围广、操作性可行并与实验相吻合的 损伤本构模型。把其运用到大型铸锻件的自由锻中， 结合计算机数值模拟改善自由锻工艺方法，预防或 修复大型锻件中的内部缺陷，从而提高生产效率和 锻件质量。甚至把该模型运用到计算机数值模拟系 统中，改善现有数值模拟系统，能够真正达到内部组 织的模拟及缺陷预测的模拟。
7 结论与展望
大型锻件锻造工艺的开发与设计是关系到大型 锻件生产是否成功的关键因素，同时也是制约我国装备制造业、核电工业的瓶颈之一。近几十年来，关 于如何控制大型锻件内部裂纹、损伤，提高锻造质量 方面的研究已经取得了许多成果，但仍然存在着一 些尚未解决的问题。
（1）大型锻件锻造裂纹判定准则的缺乏。大型锻 件中最难解决的缺陷就是锻造裂纹。为了准确判断 大锻件锻造过程中可能出现的裂纹以及研究控制裂 纹的方法，必须建立相应材料的裂纹判定准则，该准 则是一个门槛值，如果超出该值，即认为锻件内将产 生裂纹，否则，不会产生裂纹。迄今为止这方面的研 究仍未有十分满意的结果。
（2）我国现有的大锻件锻造工艺规程的制定依 然是根据设计者的经验，反复试验的方法，缺乏从系 统上把握大锻件锻造规律以及科学制定锻造工艺规 程的方法。因此，有必要根据大型锻件锻造的特点， 引入先进的设计理念和方法，如计算机辅助设计技 术、物理模拟技术、数值模拟技术、稳健优化技术，研 究科学制定锻造工艺规程的方法，为控制大锻件内 部裂纹奠定基础。
