新型能源装备中大型锻件均质化热制造的科学基础

1、一、关键科学问题及研究内容主要研究内容针对科学问题一 “大型铸锭多包调控浇注原理与多尺度组织形成规律”， 开展以下研究：1）多包合浇大型铸锭过程中高温熔体的多域流动行为及其表征：研究中间 包、铸锭和两相区内高温熔体的流动行为，流速和流向的时间、空间特征和宏、 微观关系及其与宏观物理量的相关性；2）多相熔体多域流动的质、能传递及其调控方法：研究多域流动对溶质场、 温度场和异质相传递的影响，质、能传递一流动行为一宏观物理量间的相关性， 多包成分和浇速协调的协调关系；3）铸锭品粒组织的时间、空间特征和宏、微观关系：研究铸锭品粒尺寸、形 态的空间分布特征，区域品粒组织的形成和区域间的制约关系，微区生长

2、条件对 品粒宏观形貌的影响；4）脉冲外场作用下大型铸锭品粒的等轴化条件和机理：研究脉冲电流作用下 表面和型壁初生晶粒的运动方向和速度，初生品粒对抑制柱状品生长的作用和条 件以及脉冲电流的作用方式；5）大型铸锭的异质强化形核机制：研究合金中的微量元素对异质相形态和尺 度的影响，异质相种类、形貌和尺度及其强化异质形核的过冷度特征，促进异质 相行核的工艺条件。针对科学问题二“大型钢锭热锻成形的缺陷与组织演化理论”，开展以下 研究：1）大型锻件开坯过程内部空洞型缺陷的演变规律与消除：研究大型铸锭内部 缺陷的分布规律和形貌特征，考虑变形主方向发生变化的镦粗和拔长过程，建立 缩孔缩松型缺陷体积随宏观力学量

3、场变化的代表体元模型和压实判据。研究夹 层、异金属、二次相等内生夹杂物在不同锻造工艺条件下的变化过程、不同缺陷 处局部应力分布规律和缺陷形貌的变化规律，揭示导致宏观缺陷产生的因素和条 件；2）大型锻件热成形微观组织的演变规律、数学建模与均质化控制：研究大型 锻件典型用钢在加热和变形过程中的微观组织演变规律和唯象数学模型。针对多 次压下的自由锻过程，研究以位错密度与变形和再结品关系为线索的“变形一回 复一动态再结晶一亚动态再结品和静态再结品”微观组织演变的元胞自动机模拟 方法，结合物理实验，揭示大型锻件所特有的粗大晶粒组织与粗大晶界的产生条 件与变化规律，掌握温度与变形量对组织均匀性和力学性能的

4、影响规律及作用效 果，提出避免和消除“混品”及织构大晶粒的技术手段；3）大型锻件成形过程热开裂机理与预测：研究夹杂与基体的性能差异导致夹 杂性裂纹和微观裂纹扩展的条件，塑性变形路径和应力状态对夹杂性缺陷变化和 脱落的影响规律。研究典型大锻件材料的热开裂临界应变与温度和变形速度的关 系和复杂变形状态下材料热开裂的损伤判据。分析热开裂条件与宏观变形和锻造 工艺参数的关系，针对镦粗、拔长、滚圆等自由锻工艺，提出避免或减少热开裂 的锻造工艺参数范围；4）成形成性多场多尺度数值模拟与工艺创新：建立包含压实状态判别、微观 组织演化、热开裂预报等成形成性指标的“精度可靠、宏微观结合”的大锻件成形 数值仿真平

5、台，形成单火多次成形连续仿真的能力。研究核电水室封头等复杂结 构大锻件锻造成形的合适工艺参数，探讨避免锻造缺陷、合理利用原材料的成形 途径。提出基于数值模拟的工艺参数评估方法和优化策略，建立不同类型大锻件 的最优锻造工艺数据库。3.针对科学问题三“热加工全流程组织、缺陷的遗传特征与最终状态控制机 理”，开展以下研究：1）大型锻件组织和缺陷的遗传和继承关系：研究铸锭中不同品粒形态和混合 形式、异质相的不同存在方式（夹杂和异质核心）以及宏观偏析程度的锻造成形行 为及其在锻造成形和热处理成性后的演变，锻造变形量和变形不均匀性对固态相 变的影响。构建品粒、异质相和偏析在热加工全流程的变化图谱；2）热加

6、工制造各环节组织和缺陷的容限规则：研究锻造成形对不同形态、尺 度的铸造孔洞和异质相的改造能力，锻造成形和热处理成性对铸锭宏观偏析、品 粒尺寸和形态差异度的接受容限。确定热加工制造各环节对组织、缺陷和变形不 均匀性的容限规则；3）锻后热处理过程中的相变行为和晶粒演化：研究不同锻后组织和奥氏体条 件下过冷奥氏体分解的相变机制、特征和动力学;针对大型锻件加热与冷却缓慢， 多次正火难以细化晶粒的问题，研究锻后多道次加热、冷却过程中的相变规律， 通过预先低温奥氏体化、等温分解、阶梯分段冷却等不同方式在奥氏体内部形成 不同分解产物等途径切断组织遗传的高效锻后热处理新方法；4）锻件性能热处理中的均质化相变协

7、同调控：研究锻件热处理成性过程中相 变和组织的时间、空间依赖性和宏、微观相关性，组织结构与强韧性、脆性间的关系，加热、冷却过程中应力应变的时间、空间变化和裂纹形成条件。4 .针对“大型锻件的虚拟热加工制造”问题开展以下研究：1）多包合浇大型铸锭中熔体流动和宏观偏析的数值建模：研究多包合浇过程 中熔体多域流动与单包浇注参数关系的数值表征方法，通过各包成分调整铸锭宏 观偏析的数值控制模型；研究与Thermo-Calc耦合实现对大型钢锭凝固过程微观 组织演变及其空间相关性的模拟和预测方法；研究基于能量、动量、质量守恒并 考虑多元混合、凝固收缩、多组元分凝和等轴品沉降等现象的大型铸锭凝固宏观 偏析数学

8、模型及其求解算法；2）大型锻件高温成形的多尺度多物理场耦合建模：研究锻造过程中界面传 热、辐射传热、界面摩擦系数等热、力模拟边界条件的数学模型；宏观变形下的 微观行为及其数值表达方法、应力场一温度场一组织场的耦合模型和数值仿真策 略；建立大锻件成形过程多尺度多物理场耦合作用的数值仿真平台，实现对成形 过程温度场、变形场、组织和缺陷演化的多道次连续计算和模拟仿真；3）大型锻件加热-冷却-固态相变的多体耦合建模与数值模拟：研究大型锻件 加热、冷却过程中的传热方式和多物体多场耦合综合换热的数值表达和计算策 略；将求解域扩展到对热交换有不可忽视影响的整个区域的扩展求解域模型和加 热过程温度、组织和热应

9、力及其空间变化的精确预测方法。5.针对“大型锻件的热加工制造特点和组织评估”，开展以下研究：1）物理模拟研究：基于相似准则的大型钢锭多包合浇及夹杂物运动水力学模 拟试验方法研究；采用不同浓度及体积分数的流体，研究不同包次的模拟“钢水” 经中包、导流管混合后在钢锭模中的初始浓度分布及充填特性。对锻造和热处理 过程，以计算机数值模拟结果为指导，研究并建立实验室小试样物理模拟与大型 锻件实际生产之间的映射关系，为大型锻件生产工艺评估提供技术基础；2）大型锻件（铸锭）的测温、解剖和取样研究：研究典型大型钢锭、锻件的测 温策略、数据采集和处理方法；3）大锻件成形工艺的创成方法研究：研究大型锻件锻造位移进

10、给和转动进给 过程中形状成形精度的数学表达方法，建立不同类型大锻件的最优锻造工艺数据 库，为优化变形工艺、实现对大锻件形状和性能的主动调控提供控制平台；4）基于计算流体动力学的大型锻件热处理装备的优化设计方法：针对大型锻 件对热处理装备提出的严苛要求，研究基于计算流体动力学的装备设计方法和加 热一冷却策略，揭示不同装备、不同结构对温度场、流场均匀性影响的规律，为 大型锻件热处理装备的优化设计和改进提供科学依据。二、预期目标总体目标及五年预期目标1.总体目标：本项针对新一代核电、火电等新型能源装备中大型锻件的热加工极端制造过程， 揭示由“大而引起的铸锭和锻件组织与缺陷的时间、空间特征及工序间的遗

11、传关系、 非均匀热变形与组织和缺陷演变之间的映射规律，提出大型锻件热制造全流程的组 织和缺陷控制原理及协调机制。预期将从宏观和微观的角度展现大型锻件热制造中 材料的“全息变化过程，建立比较完善的大型锻件热加工宏、微观定量分析方法和 虚拟制造理论，使大型锻件热制造流程的工艺参数制定做到“有章可循”，奠定我国 新型能源装备中大型锻件均质化热加工制造的科学基础，并发展极端热制造过程的 虚拟化研究方法；解决大型锻件生产在偶然中求一成功II的盲目性，实现大锻件热 加工从“工序目标控制的加工”到“全流程综合控制的制造”的跃升、从在偶然中求成 功的“摸索制造”到以科学求质量、以技术保成功的“技术成熟”的跃升

12、，并为追求“高 效率低消耗”的“高品质制造”、最终实现从材料设计到制造技术自主创新的一高技 术制造I奠定科学和技术基础。2五年预期目标：以第三代核电装备中的核岛整体顶盖、常规岛低压转子、高压转子锻件及其代 表性材料X12CrMoWVNb10.1.1、3.5%NiCrMoV和SA508-3钢为模型，与中国第一重 型机械集团公司、上海重型机器厂有限公司进行紧密的产学研合作，使锻件的均质 化显著改善、性能提高；建立以高性能均质化为目标的大型锻件热加工制造全流程 调控体系，解决我国大型锻件热制造技术基础的关键科学问题，实现“技术成熟”热 加工制造，发展大型锻件铸造成锭、锻造成形和热处理成性的若干关键技

13、术并在两 个企业得到应用；使我国大型锻件热加工制造水平跻身国际前列，为大型锻件的一 高品质制造I提供理论基础和科学的分析方法。在理论研究方面1）建立大型铸锭成分调控和流动调控的多包协同浇注原理和宏观偏析一多域流动 一浇注模式间的数值控制模型；揭示铸锭晶粒组织和缺陷的时间、空间关系和宏、 微观相关性，发展多包协同调控方法和外场、异质相强制均质化方法；2）揭示大型铸锭锻造成形过程中缺陷形成和组织变化规律、宏观力学量场对大型锻 件原始缺陷演化和热开裂的影响规律；形成大型锻件压实状态的评估方法，建立多 工步成形情况下材料微观组织演变定量模拟方法，给出控制晶粒均匀度的变形工艺 参数确定规则；3）揭示大型

14、锻件热加工全流程组织、缺陷的遗传特征和继承关系以及工序间的调控 容限，锻件最终状态控制机理，探明热处理过程固态相变的区域性特征及其对加热、 冷却策略的依赖性，建立基于扩展求解域的数值仿真模型，发展固态相变的均质化 协同调控方法。在应用技术方面1）突破大型铸锭宏观偏析控制的技术瓶颈，发展基于单包成分差异、浇速不同、多 包综合协调的大型铸锭多包合浇成分和偏析调控技术，使铸锭宏观偏析比降至 1.2-1.5。2）形成大型铸锭脉冲电场强制均质化技术，研制出大型铸锭脉冲电流施加装置，实 现初生等轴晶向铸锭中心的迁移、促进晶粒组织均匀化，使铸锭晶粒尺寸的区域差 别降至20-30倍；3）形成基于微量元素调控的

15、异质相强化形核方法，促进10-30微米的异质相的非均 质形核，改善夹杂物存在状态；4）确定热制造各环节组织和缺陷的容限规则，发展基于均质化目标控制的热制造全 流程协调方法；5）发展大型锻件材料缺陷与组织演变预报技术和调控方法，锻件锻造探伤达到II级 以上、晶粒度III级以上、晶粒均匀度90%；6）形成可用于实际大型锻件的数值模拟软件，解决数值模拟中扩展求解域、边界条 件处理和求解算法问题，通过仿真计算准确-再现II热加工参量对锻件组织形成的 影响，实现大型锻件热加工全流程的虚拟制造；7）提出基于数值模拟的工艺参数评估方法和优化策略，建立不同类型大型锻件的最 优锻造和热处理工艺数据库；8）发展基

16、于计算流体动力学的大型锻件热处理装备的优化设计方法并应用于大型 锻件锻件的热处理。9）三个典型锻件的均质化目标和性能指标为:均质化指标性能指标晶粒度晶粒不均偏析比。0瘁啤）5 (%)Akv (J)整体顶盖4201640低压转于6502085局压转子7001535在本项目研究中，拟在国内外重要刊物发表论文150篇以上，申请专利30多项， 撰写专著2-4部，获报省部级以上奖励2-3项，培养中青年学术带头人5-8名、 研究生80名。三、研究方案1）学术思路：本项目以提升我国大型锻件制造水平、满足新型能源装备对高性能大型锻件 的重大需求为目的，紧紧围绕大型锻件热制造成形成性中的均质化这一带有普遍 性的

17、关键科学问题开展多学科交叉研究，揭示大型锻件热加工制造全流程组织性 能形成的规律，通过在大型锻件均质化共性理论和关键技术上取得创新突破，为 大型锻件的高性能制造提供理论基础和技术支撑。项目的学术思路如图3。Fr制造技术需求新型能源等装备 中的大尺度、高 性能、异形锻件关键科学问题I厂主要研究内容铸造成锭、锻 造成形到热处 理成性的组织 缺陷遗传和继 承关系大型铸锭的多 域、多相流动 和质、能传递凝固过程中缺 陷和晶粒形成 的时空特征、 微宏观关系和 强化均质方法锻造成形过程 中缺陷和组织 的变化以及宏 观物理量的影 响和评估方法热处理成性过 程中固态相变 的时空依赖性 和微宏观相关 性以及宏观

18、物 理量的影响创新成果提出大型 锻件均质 化控制与 目标性能 驱动的热 成形成性制造原理%!和贡献大型铸锭 多包调控 浇注原理 与多尺度 组织形成 规律从“工序 目标控 制的加 工”到 “全流 程综合 控制的 制造”的 跃升从偶然 中求成 功的“摸 索制造” 到以科 学求质 量、以技 术保成 功的“技 术成熟” 的跃升特定的内部微观 结构和外形多工序多道次热 加工制造满足性能要求的 整体一致性大型铸锭 热锻成形 的缺陷与 组织演化 理论发展大型 构件虚拟 化热制造 方法和全 流程协同 调控方法大型铸锭多包合 浇的协调控制大型铸锭均质化 凝固技术锻造成形过程中 的宏、微观演化热处理成性过程 中的

19、均质化协同 调控技术多工序间组织缺 陷的继承和调控 容限形成多包 耦合控 制、强制 均质化、 非均匀时 空协同热 处理成性 技术原型热加工全 流程组织、 缺陷的遗 传特征与 最终状态 控制机理理论源泉多学科交叉：材料科学、制造科学、物理、力学、数学、计算科学,数值建模一仿真一物理模拟一实体实验：多学科交叉的大型锻件均质化新原理、新方法与新技术图3项目的学术思路2）技术途径：由于大型锻件的实体实验无法在实验室进行，因此，本项目研究过程的技术 途径为：现场数据采集一模拟实验一理论建模一数值模拟一模拟实验验证一实体 实验（图4）。建模模拟物理模拟熔体浇注铸锭凝固锻造成形加工过程课题一课题二课题三热处

20、理成性大型锻件多包合浇水力学模拟实验异质相运动模拟宏观偏析数值建模、VOF等方法500kg三电极电渣熔铸模实验100kg真空多包合浇实验100kg-15t铸锭脉冲电流实验夹杂形成及其异质形核过冷度锻造模拟实验微观组织演变实验与建模缺陷演变实验与建模成形成性模拟软件开发不同加热、冷却模式和速度实验课题四冷却和固态相变协同实验热模拟实验扩展求解域的建模和模拟、应 变 等 的 分 析 检 测3课题五大 型 锻 件 均 质 化 热 加 工 制 造 理 论 和 技 术图4总体研究路线示意图现场数据采集：分别针对上海重型机器厂和中国一重的大型锻件生产，进行 浇注过程、铸锭、锻件组织取样、锻件热加工流程和环

21、境数据采集；通过实验测 定补充实际生产中的界面物性数据；模拟实验方法：小型多极电渣重熔和真空多包浇注、多包合浇多元异质流体 的水力学模拟和小型钢锭铸造，并通过改变参数模拟实际铸锭不同部位的凝固组 织；不同组织的铸锭经锻造变形、锻后热处理以及热模拟实验并全面分析组织、 成分、相分布；数学建模和模拟方法：在凝固过程模拟方面，采用多尺度任意固相反扩散的凝固偏析模型和高效率求解流体流动P-V非线性耦合的电磁场/凝固收缩扩展的Direct-SIMPLE数值 算法等;根据流体力学理论，建立带自由表面的多相异质流体湍射流及自然对流 数学模型。采用数值计算钢锭多包合浇过程中多元流体混合及充填后的初始浓度 场，

22、并在耦合流动、传热与凝固基础上，研究钢水充填与凝固过程中夹杂物的运 动与分布规律。对于锻造缺陷的建模和模拟，引入细观代表体元模型建立缺陷演变与宏 观力学量场的关系，将空洞看作是无刚度的特殊相材料，采用代表体元模型建立 空洞型缺陷的变形与宏观力学量场的关系，分析大型锻件不同位置空洞的演化规 律。根据再结品和原子扩散机理，研究缺陷的修复过程和修复判据。针对热锻过程的微观组织演化，采用两种方法：一是成形过程的数值模 拟小试件物理模拟实验室测试相结合的思路，模拟大型锻件多道次成形 过程的微观组织演变过程，形成有预报能力的微观组织演变数学模型。二是建立 微观组织演变的元胞自动机模拟方法，从物理本质上模拟

23、位错密度在动态回复、 动态再结品、静态回复和静态再结品中的演化过程，揭示位错能驱动下的高温奥 氏体品粒动态和静态再结品的演化规律，追踪非连续成形过程的晶粒演化过程。针对难以直接测量的边界条件，通过正问题和反问题的联合求解确定界 面传热和摩擦边界条件，从而建立能够反映实际情况的大型锻件热、力耦合成形 过程的数值仿真模型。通过优化方法，可以根据正问题的计算结果推算反问题的 解答。基于奥氏体化相变动力学定量模型、热弹塑性力学本构模型、传热理论 和有限元数值分析方法，将大型锻件复杂加热过程进行温度、组织和热应力的数 值计算，实现加热过程最大限度的温度均匀化，奥氏体化均匀化和最佳的热应力 分布。实体实验

24、验证：选择AP1000核电压力容器（材料：SA5083）和100万千瓦超 超临界机组的高中压转子（材料：X12CrMoWVNb10.1.1）进行实体实验验证。3）创新性与特色：1）本项目针对大型锻件的铸造成锭、锻造成形和热处理成性的热加工制造全 流程并以大型锻件的均质化为主控目标进行系统、综合研究，而不是仅面向其中 的某个环节；对全流程各环节组织与缺陷演变进行数学建模和仿真预报，形成全 流程组织性能的调控方法；2）提出了以均质化为主线的三个重要关系，艮即“流体多域流动、品粒组织、 缺陷、变形和固态相变”的“时间、空间关系”、“宏观、微观关系”和“遗传、 继承关系”，并通过三个关系解决大型锻件均

25、质化热制造的三个关键科学问题；3）提出了大型锻件热加工制造全流程组织、缺陷的遗传和继承问题，并通过 对遗传和继承问题的研究，确定热加工各环节的容限准则和窗口，从而使工序目 标控制的锻件热加工提升到全流程综合调控的锻件“热制造”，在性能控制上既 能“承上启下”，又能“追宗溯源”；4）形成比较完善的大型锻件热加工制造各环节多尺度综合数值模拟方法和 相应软件，通过虚拟热制造再现变形和宏、微观演变等物理量的时间空间分布， 为评估大锻件成形工艺的可靠性提供理论基础和分析方法。5）项目采取产学研紧密结合的推进方式，将基础研究的进展及时应用于大型 锻件的生产实际并从生产实际中汲取实时数据从而对物理和数值模型

26、进行修正， 从源头上把握工程问题的实质和研究成果的工程实用性与针对性。4）可行性分析：本项目是在深入分析大型锻件生产企业的技术现状、广泛收集和整理国内外 大量相关研究资料的基础上，结合各申请单位多年来围绕大型锻件成形的探索经 验提出来的。课题组对项目的实施方案进行了系统的规划，对课题所涉及的建模 技术与实验测试有了针对性的解决方法。现场数据采集和实体实验：基于与企业的良好合作，对熔炼铸造、锻造和热处理过程中的合金熔体、熔 渣（初始、中间、终了）、铸型、铸件、锻件、模具、加热炉、冷却介质等进行温 度、流量、电量、压力的现场数据采集，跟踪锻件热加工全流程并记录数据，对 铸锭、锻件进行部位采样，分析

27、组织、成分、缺陷等的分布状态。根据研究工作 的进展，调整锻件热加工参数进行实体实验、采集数据。实体实验工作分别在中国一重和上海重型机器厂进行。上海重型机器厂（距 交大4公里）与上海交通大学联合成立了“大型铸锻件工程技术中心”，项目推荐 首席李建国教授是该中心主任，上海交通大学在上海重型机器厂的冶炼、耐火材 料、铸、锻、热处理各环节都派驻有研究人员跟踪生产，有条件对锻件热加工全 流程进行数据采集和参与解剖样件分析。模拟实验：通过小型多电极电渣熔铸和多包合浇浇注，模拟电极中断等系统不稳定性行 为，通过高速摄影等采集流场、温度场数据；改变熔铸条件模拟大铸锭不同部位 的凝固组织形成；制备不同组织的小铸

28、锭进行锻造变形和热处理，可以实现对大 锻件不同部位组织和缺陷演变的实验模拟；另外，在申请单位有充分的条件完成 材料的热力模拟实验和测试材料的相关数据，为微观组织的模拟和缺陷演化的模 拟提供各种测试数据。通过相似原理进行多包合浇的水力学模拟，采集各部位的流速数据；采用模 拟夹杂考察夹杂在浇注过程中的迁移行为。通过这些实验为建立浇注流动模型提 供建模数据和测试模型预报结果。建模与仿真：将在两个层面上开展建模与仿真工作：一是宏观层面，即分别针对多电极耦 合作用下的电渣熔铸过程、多包浇铸和凝固过程、多工步锻造过程和热处理改性 过程建立数值仿真模型；二是微细观层面，针对铸造凝固的微观组织形成、锻造 过程

29、微观组织演变和缺陷演化、热处理过程的相变等建立相应的数学模型。已有 的研究结果表明，微细观层面的物理量都可以表示为材料参数和宏观过程物理量 的函数形式，因此通过集成宏微观的仿真模型，不仅可以实现对铸造、锻造和热 处理宏观过程的仿真，也可以实现对组织和缺陷演化等微细观变化过程的预报。 这些工作在各课题承担单位都有长期的研究工作积累和雄厚的研究工作基础。全流程调控：通过实验测试和数值模拟，获得微观组织和缺陷的演化与宏观过程参量之间 的关联规律，就可以据此得到热加工各环节之间的组织与缺陷遗传和继承关系， 从而可确定各环节的加工参数窗口，实现热加工全流程的组织与缺陷演化的调 控。以上各过程均有相应的实

30、验条件、建模理论和软件技术作为支撑，项目集中 了国内长期从事材料热加工特别是大型锻件研究的6个优势研究群体，在相关领 域有着多年的研究工作积累，有我国大型锻件生产的主要基地作为参加单位和协 作实验基地，以多个国家重点实验室、工程研究中心和教育部重点实验室为依托， 组织了一支强有力的研究队伍，为本项目的完成提供了人才保障。项目组成员与 国际同行之间保持着密切的学术交流，能够保证研究工作的前沿性。综上所述，本项目在人才队伍、实验条件、建模方法和仿真手段等方面都有 充分的保障，经过课题组成员的努力，能够取得预期的研究成果。四、年度计划年 度研究内容预期目标第一年大型铸锭浇注过程的水力学模拟 研究；模

31、拟研究流动和夹杂物运 动状态以及考虑等轴晶移动的偏 析模型研究；铸锭冷却凝固过程中的数据采集 和铸锭组织研究；三种典型核电 用钢中异质相的种类和形核界面 条件；空洞在多道次多方向压拉过程中 的变形规律；开展代表体元模型 的研究，建立材料内部空洞型缺 陷的演变与外场应力应变的数学 模型；构造满足大锻件锻透性要 求的工艺参数可行空间，提出大 锻件控性的建模方法；三种核电用钢的相变动力学、奥 氏体长大动力学和力学性能测试 和分析，微观组织的定量研究；铸锭中异质相演变的热历史相关 性、铸锭晶粒组织的不均匀性在 锻造过程中的遗传。建立简化铸锭的考虑等轴晶移动 的偏析模型，探明夹杂物在浇包 和中间包中的运

32、动规律；获取铸锭浇注、凝固的数据信息、 铸锭晶粒组织、异质相和偏析的 分布信息；建立大锻件缺陷演化方式的空洞 压实判定准则、宏观力学量场与 大锻件原始缺陷体积演化和形状 演化关系的数学模型，提出复杂 锻造过程压实状态评估方法。获取三种材料的动力学曲线，探 明等温与连续冷却条件下的微观 组织变化规律，发展微观组织的 定量计算方法；探明铸锭中异质相的行为对热历 史的依赖条件，揭示大型锻件中 异质相遗传的起始行为和非均匀 晶粒的变形规律及其协调条件， 提出大型锻件原始晶粒组织的可 调整窗口和锻造容限。年 度研究内容预期目标第年研究大型铸锭多包合浇过程中中 间包、铸锭和两相区内高温熔体 的流动行为,进

33、行实验铸锭的凝 固微观组织模拟,凝固收缩及等 轴晶移动条件下的宏观偏析数学 模型；异质相和脉冲电流强化形核和增 殖研究，异质相种类及其与凝固 组织的关系；研究缓冷条件下脉 冲电流促进生核和晶粒运动及增 殖规律。研究典型大锻件材料导致第一次 晶粒快速长大的临界变形量和织 构大晶粒对应的变形量；研究工 艺参数对最终晶粒状态的影响规 律；开展一火多次变形过程数值 模拟和实验研究，探讨微观组织 的演化规律。大型锻件扩展求解域的建模和多 体多场耦合换热的计算策略，基 于计算流体动力学的装备设计和 加热冷却策略，切断组织遗传的 新热处理工艺；异质相在锻件变形过程中的行为 和非均匀变形锻件的锻后热处 理：研

34、究铸锭中不同种类、分布 的异质相在锻件固态变形过程中 的演变过程；研究不同变形量的 晶粒组织在锻后热处理过程中的 演变，变形条件对锻后热处理的 影响。探明多包合时浇夹杂物的上浮规 律，实现模拟铸锭凝固组织与实测 结果一致和考虑凝固收缩及等轴 晶移动条件下模拟得出的实验铸 锭的宏观偏析在主要特征方面与 实测一致；揭示大型铸锭凝固过程中流场、 温度场和凝固组织及缺陷形成规 律，异质核心促进生核可能性与 条件和脉冲电流促进大型铸锭形 核的条件和机制。建立大型铸锭材料高温流变应力 模型和微观组织演变模型，揭示 宏观热力学场与微观组织结构之 间的互动关系。发展基于计算流体动力学的装备 设计和加热冷却技术

35、，建立温度、 相变和应力应变耦合数值模型和 锻件热处理开裂变形预测模型；揭示铸锭中不同异质相的变形遗 传规律，提出锻件对铸锭异质相 的调控窗口和容限准则；探明不 同变形量晶粒的锻后热处理相变 规律，提出变形晶粒组织的热处 理容限准则。年 度研究内容预期目标第年研究大型铸锭多包合浇过程中中 间包温度、成分、浇注程序与金 属熔体的多域多相流动行为和 质、能传递的关系和大型铸锭凝 固组织模型的校核。采用校核后 的大型铸锭凝固组织模型参数；研究脉冲电流导入方式及其与作 用效果的关系，研制适用于大钢 锭的脉冲电源和电流导入装置。 多极电渣熔铸过程中夹杂的行 为。研究建立界面传热、辐射传热、 界面摩擦系数

36、等热力模拟边界条 件数学模型；研究多道次成形的 物理仿真方法和应力应变测试原 理，构建大锻件成形过程多尺度 多物理场耦合作用的数值仿真平 台；锻件热处理过程扩展求解域与多 场耦合的数值模拟，基于流体动 力学模型的热处理装备设计以及 流场均匀性研究；研究铸锭中的宏、微观偏析在锻 造成形和后续热处理的变化规律 以及热处理对成分不均匀性的调 整容限；研究宏、微观偏析之间 的耦合变化，成分偏析的遗传对 异质相遗传的影响。实现数值模拟的宏观偏析与实验 铸锭整体上一致，探明大型铸锭 多包合浇减小宏观偏析的机理。 确定浇注程序、熔体温度和成分 调控的基本准则，开发和完善大 型铸锭多包合浇宏观偏析模拟分 析软

37、件；提出形成促进夹杂形核、实现夹 杂无害化利用的新方法。形成脉 冲电流促进生核技术并完成脉冲 电流促进生核工业实验装备；构建基于控形控性的虚拟锻造环 境，形成大锻件高温成形的多尺 度、多物理场、多道次综合仿真 平台；实现2个典型锻件加热过程的扩 展求解域的数值模拟，形成大型 锻件热处理设备的优化设计方 法；揭示铸锭成分偏析在塑性变形、 再结晶和固态扩散流程中的演变 及其耦合效应，确定热处理对前 工序偏析和变形量的容限规则， 建立成分偏析的全流程耦合调控 模型。第四研究多域流动对溶质场、温度场 和异质相传递的影响，质、能传 递-流动行为-宏观物理量间的 相关性，多包成分和浇速的协调 关系；进行大型铸锭凝固组织及 宏观偏析模型改进，探索提高计 算效率的算法；10吨级异质相和脉冲电流强化形实现大型及特大型铸锭宏观偏析 模拟的工程应用，解决计算规模 与计算效率问题，形成大型铸锭多 包合浇工艺夹杂物、凝固组织及 宏观偏析模拟分析技术，探明大型 铸锭宏观偏析形成的规律及大型 铸锭均质化的重要影响因素；铸锭凝固组织细化1倍以上，宏观年 度研究内容预期目标年核促进增殖试验研究，多极电渣 熔铸过程晶粒组织的形成和控 制；研究建立典型大锻件材料的热开 裂条件，提出避免和减少热开裂 可能性的锻造工艺参数范围。以 控形为目标，提出典型大锻件尺 寸精度的评估方法，揭示金属矢 量流动和工