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熔覆-挤压工艺在高端装备制造的应用前景

2016-01-11 10:24
孤身万里游
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  当前,国内、外重型装备的重型和大型高端结构件,无一例外地采用重型精炼和重型真空铸锭获得的重型或超重型钢锭,通过“开坯”、“预锻”和“终锻”完成,这就是近两个世纪以来的重型自由锻工艺。

  而采用与重型自由锻工艺完全不同的成形技术——3D打印金属激光熔覆(LC——Laser Cladding/电子束熔覆(EC——Electron beam Cladding) 技术,完成无偏析的高端优质坯件,再与现代热挤压工艺相结合,通过高温高压闭式挤压,获得高端重型和大型结构件。这种金属激光熔覆制坯-热挤压最终成形的创新工艺称为熔覆-挤压(C-E ——Cladding-Extrusion)工艺。

  C-E先进成形工艺是用于高端装备制造的工艺,在航空、电力、高铁、海洋、核电和军工领域具有广阔的应用前景。

  一、背景简介

  进入21世纪,高端装备制造对重型、大型和具有壳台、管台的复杂腔体等核电、海工和军工高端结构件的质量要求越来越高,数量要求越来越多。一般锻件卖不动,高端锻件供不应求,核电锻件尤为严重。现在是“谁有核锻件,谁就有核电站”的年代。传统的重型自由锻设备在我国十分过剩,但又不能很好解决高端锻件的问题。重型自由锻采用重型钢锭为原材料,为提高材料内部质量通过“开坯”来消除偏析,材料和能源浪费很大,锻造精度很差,制造周期很长。在高端、重型成形制造领域,平均1.5~2吨锻件才能加工出1吨零件,而1吨零锻件需要4吨钢锭,故平均6~8吨钢锭才能加工出1吨零件。美国西屋公司AP1000标准的核反应器过渡段,17吨,需钢锭96吨,材料利用率仅17%。核锅炉锻件(508-Ⅲ钢)之钢锭平均利用率仅为20%-25%。钛合金空-空导弹弹头和弹体的材料利用率仅15%。表1和表2说明了核电高端锻件材料利用率是十分低的。重型高端锻件的成形制造周期太长是另一个问题,一根重量8-10吨的核电一回路主管道,需一年的制造周期。AP1000 100万kw,建设时间长达4年,200万kw建设周期需6年。重型高端装备的制造周期长、材料利用率低等因素的综合影响,导致投资巨大AP1000 100万kw 核电站需100~120亿人民币的建设投资。
 

表1 核电高端锻件材料利用率表
  
表2 核电高端锻件材料和钢锭利用率表
  

  我国的高端重型装备制造的传统技术路线。这是基于重型自由锻技术的《7654》路线,即倾国之力建设具有700吨钢水-600吨铸锭-500吨铸件-400吨锻件能力的技术路线。不可否认,长期以来,《7654》路线为我国的重型装备和国防建设做出了巨大的贡献,大大推动了我国重型装备制造的发展。但进入21世纪以来,其弱点,随着核电、航空、海工向高参数、大容量、高效率、节材、节能、低排放方向发展,逐渐暴露出来,并为工程界所重视。大量的事实证明,《7654》技术路线是高能耗、高材耗、高排放,低效率的技术路线。

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