大型鍛件的傳統(tǒng)制造方式是采用大型鋼錠開坯、自由鍛造成形。但隨著重大裝備的不斷發(fā)展，對大型鍛件的要求越來越高，不僅規(guī)格和截面越來越大，而且內(nèi)在質(zhì)量也不斷提高，傳統(tǒng)的制造方式已經(jīng)難以滿足要求。為了適應(yīng)高端裝備的需求，實現(xiàn)大型鍛件形質(zhì)兼?zhèn)涞哪繕?biāo)，急需對制造方式進行變革。為此，以傳統(tǒng)鋼錠制造技術(shù)提升和新型增材制坯技術(shù)開發(fā)為代表的均質(zhì)化制坯、一體化制造及模鍛化成形等極端制造方式應(yīng)運而生。
大型鍛件是電力、冶金、石化、造船、礦山、航空航天、軍工等裝備（圖1）的基礎(chǔ)部件，其經(jīng)濟帶動性強，涵蓋面廣，是裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上不可缺少的重要一環(huán)。
大型鍛件傳統(tǒng)的制造方式是自由鍛造成形，“肥頭大耳”和“傻大黑粗”曾經(jīng)是大型鍛件的代名詞。為了扭轉(zhuǎn)大型鍛件材料利用率低、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定的被動局面，需要創(chuàng)新思路，向“不可能”發(fā)起挑戰(zhàn) ，進行大型鍛件的轉(zhuǎn)型升級。通過均質(zhì)化、一體化、模鍛化，實現(xiàn)極端制造的目標(biāo)。
均質(zhì)化制坯
大型鍛件的質(zhì)量主要表現(xiàn)在純凈性、均勻性和致密性三方面，提高大型鍛件的質(zhì)量、降低制造成本、實現(xiàn)極端制造，需要從鍛件的“三性”入手開展研制工作。熱加工不同工序與鍛件“三性”的關(guān)系如表1所示。
在大型鍛件的熱加工工序中，鑄錠/制坯是影響鍛件“三性”的關(guān)鍵重要環(huán)節(jié)。因此，國內(nèi)外鍛件供應(yīng)商越來越重視鍛件坯料的制備。為了獲得均質(zhì)化的坯料，除了對傳統(tǒng)制坯過程（冶煉、鑄錠、開坯）進行集成創(chuàng)新，各種增材制坯方法也躍躍欲試。
大型、超大型鋼錠制備
為了提高大型、超大型鋼錠的均勻性與純凈性，中國一重集成創(chuàng)新發(fā)明了一系列冶煉及鑄錠技術(shù)。
⑴低硅控鋁鋼冶煉技術(shù)。
為了減少夾雜物并獲得本質(zhì)細晶粒鋼，發(fā)明了低硅控鋁鋼制造技術(shù)。既提高了鋼液的純凈度、得到本質(zhì)細晶粒鋼，還有效地控制了超大型鋼錠的成分偏析，降低鋼錠中的夾雜物和氣體含量。采用低硅控鋁鋼冶煉澆注方法生產(chǎn)出了成分均勻、夾雜物少的高質(zhì)量鍛件。
⑵保護澆注。
1）新型中間包。
為了減少鋼錠澆注過程中鋼渣卷入鋼錠模內(nèi)，借鑒了冶金行業(yè)連鑄過程中采用“擋墻”、“擋壩”的經(jīng)驗，發(fā)明了帶有“擋墻”、“擋壩”的新型中間包。數(shù)值模擬和工程實踐證明，相比于傳統(tǒng)的圓形中間包，新型中間包澆注的超大型鋼錠中的夾雜物含量大幅度減少。
2）長水口保護澆注。
澆注過程中注流卷吸空氣是鋼液二次氧化的重要原因。鋼液二次氧化不僅會形成有害的氧化物夾雜導(dǎo)致鍛件報廢，而且還會使鋼錠中的氣體（H 、O 、N）含量增高。而氣體含量高又是導(dǎo)致超大型鍛件缺陷的主要原因之一。為了避免鋼液的二次氧化，在借鑒冶金行業(yè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了長水口保護澆注技術(shù)，有效地避免了鋼液的二次氧化。
3）二次補澆。
偏析是鋼液選分結(jié)晶和鋼錠凝固過程的必然結(jié)果，鋼錠越大，偏析及縮孔等缺陷越嚴(yán)重。中國一重在用平均C含量為0.62%的459t鋼錠研制支承輥時，曾在靠近冒口端的輥身部位發(fā)生斷裂。經(jīng)對斷裂部位宏觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)二次縮孔嚴(yán)重，冒口下部的C含量竟高達1.16%，接近標(biāo)準(zhǔn)值的2倍。為了解決這一難題，發(fā)明了鋼錠二次補澆技術(shù)，使冒口下部的C含量降至0.8%左右，成功制造出5m、5.5m支承輥用超大型鋼錠。
增材制坯
盡管國內(nèi)外大型鍛件供應(yīng)商不斷提高大型鋼錠的純凈性，但鋼錠固有的缺陷仍然不能根除。此外，傳統(tǒng)的鋼錠制備和開坯方式（圖3）導(dǎo)致了大型鍛件的材料利用率較低，鋼錠去除水、冒口及鐓粗與拔長的火耗后，坯料的鋼錠利用率在70%左右。
當(dāng)前，世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點，力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點。我國增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展階段已從研發(fā)轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，新設(shè)備、新技術(shù)、新材料、新應(yīng)用程序不斷推陳出新，越來越多的企業(yè)將增材制造作為產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)轉(zhuǎn)型的方向。
增材制造技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件，相對于傳統(tǒng)的材料去除——切削加工技術(shù)，是一種“自下而上”的制造方法。關(guān)橋院士提出了“廣義”和“狹義”增材制造的概念，“狹義”的增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系；而“廣義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標(biāo)的大范疇技術(shù)群。如果按照加工材料的類型和方式分類，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等。
由于大型鍛件的純凈性和均勻性仍有提升的空間，所以一些與增材制造相關(guān)的金屬坯料制備技術(shù)進入了開發(fā)應(yīng)用階段。
⑴3D打印。
作為AM的一種應(yīng)用形式，3D打印的特點是成形易而改性難。目前工業(yè)化應(yīng)用的金屬3D打印熔覆制坯技術(shù)有激光熔覆沉積和電熔增材制造，其共同點是成形的金屬都是鑄態(tài)組織，與鍛件相比致密性較差，成形零件內(nèi)部存在氣孔，氣孔形貌呈規(guī)則球形或類球形，分布具有隨機性。因此，受制造成本、致密性等因素限制，3D打印目前僅適用于較薄截面金屬零件的直接成形。
⑵噴射成形。
噴射成形是用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細小熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝，現(xiàn)已成為世界新材料開發(fā)與應(yīng)用的一個熱點。然而，受快速凝固、制造成本等條件的制約，噴射成形技術(shù)目前僅適用于小型且較薄截面坯料或零件的制造，無法應(yīng)用于超大超厚截面的鋼錠/坯料的制造。
⑶“包覆式”鑄錠。
為了解決大型鋼錠偏析的難題，國外某研究所發(fā)明了“包覆式”制造ESR鋼錠技術(shù)。因為是逐層“包覆”，而且每一層又都是電渣重熔，故也稱為增材制造。
⑷“無痕構(gòu)筑”。
“無痕構(gòu)筑”的基礎(chǔ)是擴散連接。同種或異種金屬在高真空、高溫、高壓、大變形等諸多要素作用下，在結(jié)合面形成牢固的金屬鍵，少量顯微孔洞和結(jié)合層在擴散作用下進一步消失，使結(jié)合界面與基體在成分、組織及性能上完全一致。擴散連接技術(shù)已在復(fù)合板軋制等方面發(fā)揮了積極作用。由于同種材料間擴散連接后的接頭組織結(jié)構(gòu)與母材基本相同，所以相同材料的“無痕構(gòu)筑”制坯會更加容易。
雖然“無痕構(gòu)筑”所制坯料的“面擴散”和“體擴散”可以通過鍛造（類似“揉面”）和鍛造過程中坯料的高溫保持（類似“醒面”）來解決，但大型坯料鐓粗過程中端部的難變形區(qū)及中部的拉應(yīng)力區(qū)兩大難題需要認真對待。鐓粗時的難變形區(qū)可以通過上下增加隔熱墊加以改善，而拉應(yīng)力區(qū)則可以通過提高應(yīng)變速率或優(yōu)化鐓粗前的坯料形狀加以避免。
模鍛化成形
大型鍛件極端制造的最高目標(biāo)除了均質(zhì)化制坯和一體化制造以外，少無切削的模鍛化成形也是一個非常重要的內(nèi)容。
待模鍛化成形的鍛件
中國一重發(fā)明的整體水室封頭仿形鍛造與國內(nèi)外其他鍛件供應(yīng)商的自由鍛造相比，材料利用率提高30%以上，但與成品鍛件相比仍有優(yōu)化空間。為了實現(xiàn)超大異形鍛件模鍛化，對CAP1400反應(yīng)堆壓力容器一體化接管段及蒸汽發(fā)生器水室封頭的模鍛成形方案進行了研究。
中國一重擬對支承輥和轉(zhuǎn)子等大型、超大型軸類鍛件的輥、軸身進行擠壓，對輥、軸頸進行模鍛。表2給出了材料為45Cr4NiMoV的2250mm連軋機支承輥不同成形方式所需費用對比，從表2中可以看出，采用連鑄坯疊鍛制坯并經(jīng)過模鍛成形與傳統(tǒng)的鋼錠開坯并經(jīng)過自由鍛成形相比，具有節(jié)材、節(jié)能和大幅度降低制造成本等優(yōu)勢。
設(shè)備保障
超大型鍛件追求的目標(biāo)是“形神兼?zhèn)洹保纫玫借T件的形狀，又要保持鍛件的組織與性能。為了實現(xiàn)“形神兼?zhèn)洹钡哪繕?biāo)，大型鍛件需要同時滿足“形”、“粒”、“力”三個方面的要求。“形”即近凈成形；“粒”即晶粒均勻且細小；“力”即三向壓應(yīng)力狀態(tài)下成形。
為了實現(xiàn)增材制坯和模鍛化成形，以及確保超大型鍛件獲得“形”“粒”“力”全面發(fā)展，均需要研制在壓力、空間以及速度等方面能夠融匯模鍛壓機、自由鍛壓機與擠壓機優(yōu)勢的特種超級壓機,確定為1500MN；10m×10m×12m。建造1500MN壓機可以實現(xiàn)下述轉(zhuǎn)型升級。
⑴改變成形方法。
如果說上一輪鍛件制造的創(chuàng)新注重的是單體規(guī)模的大型化以及一體化，那么未來“中國制造2025”的創(chuàng)新將會是鍛件形狀上的個性化與精細化、材料上的高合金化、質(zhì)地上的強韌化與高密化，要實現(xiàn)上述創(chuàng)新，非超級壓機莫屬。
⑵改變制坯方式。
增材制坯代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄錠是一種革命性工藝創(chuàng)新，可以逐步取消超大型鍛件制造業(yè)的冶煉及鑄錠環(huán)節(jié)。既解決了鍛件制造業(yè)的冶煉及鑄錠操作者后繼無人的突出問題，又解決了超大型鋼錠均勻性、致密性差的世界性難題，還可以降低超大型鍛件制造成本50%以上（取消水、冒口，減少鍛造火次等）。
⑶鑄件改鍛件。
實踐證明，隨著重大裝備要求的不斷提高，產(chǎn)品零件以鍛代鑄已成為一種發(fā)展趨勢。核電主管道、泵殼等鑄件因無法滿足要求而改為鍛件。水輪機葉片也由鑄造成形發(fā)展為鍛擠成形。水輪機上冠、汽輪機缸體、軋制設(shè)備中的軸承座等零件的以鍛代鑄也將為期不遠。
結(jié)論
⑴低Si控Al鋼冶煉和長水口保護澆注等技術(shù)是保證超大型鋼錠的純凈性與均勻性的首選。
⑵增材制坯是大幅度提高大型鍛件的均質(zhì)性和材料利用率的發(fā)展方向。
⑶一體化制造和模鍛化成形是大型鍛件極端制造的必由之路。
⑷超大型壓機是大型鍛件均質(zhì)化制坯、一體化制造和模鍛化成形的保障，亦是大型鍛件實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的充分必要條件。
