中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，隨著能源結(jié)構(gòu)向清潔化轉(zhuǎn)型，聚變能因高效無(wú)污染成為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)方向，其核心設(shè)備對(duì)極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)材料提出嚴(yán)苛要求。特種不銹鋼行業(yè)作為聚變裝置關(guān)鍵構(gòu)件的核心材料，需同時(shí)滿足高溫加工穩(wěn)定性與極低溫力學(xué)性能，而大壁厚弧形不銹鋼鍛件的制造長(zhǎng)期面臨晶粒控制難、成形精度低等挑戰(zhàn)。2025年，一項(xiàng)融合 “動(dòng)態(tài)再結(jié)晶調(diào)控” 與 “近凈成形” 的創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，使弧形不銹鋼鍛件在4.2K極低溫下仍保持優(yōu)異性能，為高端不銹鋼制造提供了全新方案。以下是2025年不銹鋼行業(yè)技術(shù)分析。

  一、聚變級(jí)不銹鋼材料特性與制造核心難點(diǎn)

  聚變裝置環(huán)向場(chǎng)線圈盒用弧形鍛件采用控制氮含量的 316LN 不銹鋼制備，其化學(xué)成分嚴(yán)格管控(見(jiàn)表 1)，其中鉻含量 16.00~18.50 wt%、鎳含量 10.00~14.00 wt%、鉬含量 2.00~3.00 wt%，氮含量控制在 0.15~0.22 wt% 以提升低溫強(qiáng)度。這種不銹鋼雖具備耐高溫、耐腐蝕特性，但制造過(guò)程中面臨雙重核心難點(diǎn)。

  《2025-2030年全球及中國(guó)不銹鋼行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，在鍛造及性能控制方面，不銹鋼熱加工溫度與變形不均易引發(fā)應(yīng)力集中，高溫塑性窗口窄，工藝偏差即可能產(chǎn)生裂紋;變截面板坯變形量差異會(huì)導(dǎo)致晶粒大小與析出相分布不均，且不銹鋼晶粒細(xì)化不可逆，無(wú)法通過(guò)熱處理調(diào)控，需依賴鍛造動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制，其 Zener-Hollomon 參數(shù)需滿足Z=ε˙exp(RTQ)>1.2A~?1015s?1才能抑制粗晶。在成形控制方面，鍛件弧長(zhǎng) 2.5 m、弧度近 90°，若采用厚板坯機(jī)加工成形，厚度需近 1 m，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)近凈成形，還存在鍛不透、性能不均與材料浪費(fèi)等問(wèn)題。

  二、不銹鋼鍛件鍛造工藝的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)

  針對(duì)制造難點(diǎn)，創(chuàng)新采用 “直板鍛造 - 精密壓彎” 復(fù)合成形工藝，通過(guò)數(shù)值模擬系統(tǒng)優(yōu)化工藝參數(shù)與輔具設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不銹鋼鍛件的近凈成形與晶粒精準(zhǔn)控制。

  在壓彎成形輔具設(shè)計(jì)上，基于懸臂梁三點(diǎn)彎曲理論開(kāi)發(fā)梯度壓力分布模具系統(tǒng)，包含帶弧度壓下錘頭的上模與底板及斜面支撐臺(tái)構(gòu)成的下模，為不銹鋼板坯均勻變形提供保障。通過(guò)對(duì)比斜面式、臺(tái)階式、寬板式三類預(yù)制坯方案的數(shù)值模擬結(jié)果，選定多臺(tái)階式板坯，在材料利用率與制坯難度間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)平衡;仿真顯示 360 mm 板坯余量過(guò)大、300 mm 板坯無(wú)法完全包覆零件，最終確定 330 mm 為最優(yōu)板坯厚度;對(duì) 20 ℃、850 ℃、920 ℃、1000 ℃四個(gè)溫度梯度的彎制效果測(cè)試表明，920 ℃時(shí)彎制力最低(1770 kN)且過(guò)程流暢，成為最佳彎制溫度。

  在彎制板坯鍛造工藝上，采用 “高溫大變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶調(diào)控 + 梯度降溫應(yīng)變誘導(dǎo)細(xì)化晶粒” 復(fù)合工藝，通過(guò) 1200 ℃鐓粗拔方、1200 ℃微粗拔扁方、1040 ℃拔扁方等多道工序控制保溫溫度、時(shí)間及變形量，有效抑制不銹鋼晶粒異常長(zhǎng)大。整體制造流程涵蓋 12.7 t 電渣重熔鋼錠冶煉、VOD+VD 精煉、自由鍛制坯、粗加工、探傷、920 ℃保溫壓彎(行程 450~470 mm)、固溶熱處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，形成標(biāo)準(zhǔn)化制造體系。

  三、不銹鋼鍛件的制造實(shí)施與全面性能檢測(cè)

  按優(yōu)化工藝制得的不銹鋼鍛件，經(jīng)多維度性能檢測(cè)與探傷檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足聚變裝置技術(shù)要求，驗(yàn)證了工藝的可行性與可靠性。

  在金相組織檢測(cè)中，鍛件呈現(xiàn)全奧氏體組織，晶粒度達(dá) 3 級(jí)，符合結(jié)構(gòu)件對(duì)組織均勻性的要求。力學(xué)性能檢測(cè)顯示，不銹鋼鍛件在常溫與極低溫環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異性能：常溫拉伸屈服強(qiáng)度 326~352 MPa、抗拉強(qiáng)度 627~652 MPa、延伸率 53.5%~55.5%、收縮率 80%~81%;77 K 低溫拉伸屈服強(qiáng)度 768~919 MPa、抗拉強(qiáng)度 1288~1369 MPa、延伸率 59.4%~65.9%、收縮率 68.7%~72.4%;4.2 K 極低溫拉伸屈服強(qiáng)度 987~998 MPa、抗拉強(qiáng)度 1601~1630 MPa、延伸率 51.3%~52.4%、收縮率 49.6%~52.1%。77 K 低溫沖擊功平均達(dá) 234.7~250.0 J，4.2 K 低溫?cái)嗔秧g性達(dá) 369~384 MPa?m1/2，相對(duì)磁導(dǎo)率穩(wěn)定在 1.002 μ(≤1.03 μ)，完全滿足極低溫服役需求。

  經(jīng)半精加工與精加工后，鍛件通過(guò)超聲波探傷與滲透探傷檢驗(yàn)，超聲波探傷靈敏度達(dá)?3，無(wú)缺陷顯示，符合質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

  四、全文總結(jié)

  2025年在聚變級(jí)不銹鋼鍛件制造領(lǐng)域的技術(shù)突破，成功解決了大壁厚弧形不銹鋼的晶?？刂婆c近凈成形難題。通過(guò)明確 316LN 不銹鋼的材料特性與制造難點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì) “直板鍛造 - 精密壓彎” 復(fù)合工藝，配套開(kāi)發(fā)梯度壓力模具與多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化方案，結(jié)合 “高溫大變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 + 梯度降溫應(yīng)變誘導(dǎo)” 的晶粒細(xì)化技術(shù)，最終制得的不銹鋼鍛件在常溫及4.2K極低溫下均表現(xiàn)出優(yōu)異性能，其中極低溫抗拉強(qiáng)度超1600MPa、斷裂韌性達(dá) 384 MPa?m1/2，且探傷指標(biāo)完全合格。該技術(shù)不僅為聚變裝置核心構(gòu)件制造提供了可靠方案，更推動(dòng)了特種不銹鋼鍛件制造工藝的升級(jí)，為2025年不銹鋼行業(yè)高端化發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

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