兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能的研究.doc

二、项目研究的科学依据及意义主要包括：1 科学意义和社会应用前景； 2 国内外研究概况、水平和发展趋势；3 学术特色，立论依据； 4经济及社会效益分析。 1 科学意义和社会应用前景； 我国具有丰富的风能资源，并呈现储量大、分布广的特点，其中辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到6-9米秒，属于风力资源丰富地区，具有很好的开发利用条件1-2。然而，我国风力发电的瓶颈在于风机主要零部件和材料大多依靠进口，以兆瓦级风机为例，其主要、关键零部件的国产化率至多为70%，其中一批关键零部件的质量，还达不到发达国家的技术标准，成为阻碍我国风机走出国内市场的门槛。目前，国外主流机型为23MW3，而我国主流机型也已达到1-1.5MW，随着风机容量大型化的发展趋势，风机零部件材料及制造工艺中存在的问题暴露得更为显著4-5。在风机关键零部件中，轴承座、变桨减速机壳体、轮毂、前机舱底盘等大部分零部件均选用球墨铸铁材料生产6，其原因在于从性能和成本综合考虑，球墨铸铁材料更适于制备上述具有产业化应用背景的风机关键零部件，然而风机实际运行的环境极为恶劣，再加上风机运行时受自然环境风速影响，呈现断续的运行特征，一般除了要求上述球墨铸铁材料零部件满足力学性能外，同时也要求风机零部件在低温条件下具备一定冲击性能7-9，这个新的性能指标在我国国家标准中尚未体现，但在欧美、日本等发达国家，却严格执行包括低温冲击性能的风机零部件铸件标准10-11。基于技术封锁的原因，国外从没有报道风机零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能，但对风机上述关键零部件的铸件，却设置了低温冲击性能标准，提高了企业步入的门槛值，是一种典型的技术垄断13。而我国风机关键零部件球墨铸铁件生产也是最近才刚刚起步，生产过程中往往凭着经验，缺少研发和技术沉淀过程，只能降低标准生产，综合的力学性能、低温冲击性能指标基本上都达不到要求，为了满足力学能的要求，通常降低低温冲击性能的门槛值14，故实际的风机零部件球墨铸铁件存在着不能忽略质量问题和较大的事故风险，因此在我国开展风机零部件球墨铸铁材料低温冲击性能研究具有重要科学意义：通过自主研发获得同时满足力学性能和低温冲击性能的球墨铸铁材料；掌握相关合金元素对具有厚大端面特征的风机球墨铸铁铸件低温冲击性能、力学性能综合影响规律；为我国兆瓦级风机大型球墨铸铁件开发出满足低温冲击性能要求、适合低温环境的球墨铸铁材料，为我国低温地区安装大容量兆瓦级风力发电设备提供基础材料支撑。长期以来，风力发电在世界范围内呈现迅猛发展的势头，而最近几年我国风力发电领域发展则更为迅猛，数据表明：从1986-2005年期间，我国风电装机总容量仅为130余万千瓦；2006，我国的风电装机猛增到260万千瓦，为我国风机产业化以来之前全国装机总量之和；2007年，我国风机新增装机容量为188.7万千瓦，是2006年新增装机总量的145.8%，在世界上新装机总量已上升至第三位。2009年，全国装机总容量达1200万千瓦，约需要球墨铸铁铸件25万吨，由于我国风电市场仍将继续呈现高速发展趋势，可见对满足低温冲击性能要求的球墨铸铁铸件市场需求极为广阔。2 国内外研究概况、水平和发展趋势；球墨铸铁材料最早发现于1934年，当时N.Ahmad借助于相交的尼克尔偏光镜，第一次发现了呈径向辐射状的球状石墨，一年以后，H.A.Nipper用偏振光研究了回火碳的结构，清楚地观察到了少数球状石墨的十字架图像15。之后，球墨铸铁材料的研究成为铸造领域的热点，认识到了镁、铈、稀土等合金元素对获得球墨铸铁的重要作用，从1948年起，全世界开始了球墨铸铁的工业生产。在世界范围内，球墨铸铁呈飞速发展趋势，例如美国，其球墨铸铁铸件生产总量已达到灰铸铁总量，我国的球墨铸铁生产总量在2006年已达灰铸铁的50左右，且每年呈24的速度发展16-17，如此快的发展速度源于球墨铸铁的两个主要优点：(1)可在相当宽的范围内，满足设计对材质的要求；(2)与相同水平的材质相比，球墨铸铁的价格低廉。球墨铸铁的上述两个优点，正是风力发电机组关键零部件所需要的，能够满足风机在自然环境中运行对性能的苛刻要求，及风机产业化对低成本的要求。国外在风力发电机组的研发、产业化历史远远早于我国，80年代已经开始千瓦级风机的产业化应用，之后，国内一些研究单位认识到风能资源利用的重要意义，开始了风能资源开发的自主创新之路及追赶世界先进水平的历程，其中以沈阳工业大学为代表2, 12, 13，经过30年的发展、近100余名科技工作者的共同努力，先后开发了300W、500W、1kW、5kW、7.5kW、15kW、30kW、75kW、200kW系列风力发电机组，促进了我国风电技术研发大大向前迈进一步，尽管此时我国风电产业化进程要远远落后于研发水平。2005年，我国风力发电机组研发获得重大突破，沈阳工业大学成功设计、研发出我国第一台具有完全自主知识产权的兆瓦级变速恒频风电机组，大幅缩短了与世界先进水平的差距，此时在节能减排和环保的双重压力下，国家开始重视风力资源的利用，推动了风电产业化进程，从2006至今11.5兆瓦级风机已成为国内风电市场的主流机型10，而同一时期荷兰、丹麦、美国等世界先进水平国家的主流机型为2-3MW，我国风电产业化与发达国家的差距也在缩小。可以说2006年是我国风电技术产业化具有重要意义的一年，兆瓦级风机产业化进程的大步前进，使得当年我国装机总量为之前各年全部装机重量之和。但风机产业化进程突然加速也使风机产业化中存在的问题一一暴露，风机关键零部件的瓶颈问题经凸显无遗，由于球墨铸铁材料铸件在风机关键零部件制备中占有相当比重，其存在的问题也更加严重，加之国内外风机容量大型化的发展趋势，国内兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁件材料中存在的问题已不可回避12, 13。风机运行时一般都在风力资源较为丰富的、地处自然条件较好的风场，由于四季交替使得风机所处的环境也经历春、夏、秋、冬四个季节，风机关键零部件的低温冲击性能因而提出，即除了满足韧性、强度、硬度等力学性能要求外，风机也应满足较低温度下冲击性能，使得风机在低温环境中频繁启动、运转过程不至于使零部件受损，并能满足国际上约定的稳定运行20年的寿命要求，对于丹麦、荷兰、美国等发达国家，所谓的低温环境有两个标准数值，40和20，在我国除了东北、内蒙古等地区外，绝大部分地区的最低温度也为20以上，因此，针对风机关键零部件的球墨铸铁材料20条件下的低温冲击性能研究在我国具有更大的适用性和针对性14。关于风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能，国外因技术保密的原因从未见诸报道。我国风机产业化获得快速发展始于2006年，一些铸造厂也是从那时才开始从事风机零部件球墨铸铁件生产，至今不超过2年，一般凭借经验生产，因为缺乏研发经历和技术沉淀过程，生产的风机关键零部件球墨铸铁件的低温冲击性能往往达不到要求，甚至出现过大批整机不能正常运行的事件，可见迄今为止，我国尚未进行风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能的研发报道，因此开展该项研究显得紧迫和重要。目前，欧美等发达国家对风机球墨铸铁材料性能有严格的标准，一般参考欧洲的EN-GJS-400-18U-LT标准，其中涉及的力学性能指标见表1。表5球墨铸铁试棒的力学性能(EN1563-1997) 14牌号相关壁厚t(mm)抗拉强度Rm(MPa)屈服强度RP0.2 (MPa)断后伸长率A()符号代号EN-GJS-400-18U-LTEN-JS1049t3030t6060t200400390370240230220181512欧洲的EN-GJS-400-18U-LT标准中对低温冲击性能的要求可描述为：在-20的夏氏V形切口的冲击韧度试验共做三次，平均为10J，最低低温冲击韧度不能小于7J。仅从力学性能角度考虑，我国球墨铸铁材料QT400-18标准与欧洲EN-GJS-400-18U-LT标准相当，国内大多数铸造企业很容易生产出满足该标准要求的力学性能指标的球墨铸铁铸件，但若满足欧洲标准的低温冲击性能要求，一般而言，国内铸造企业尚难以达到，一般平均冲击韧度为7J左右13-14，若考虑风机实际运行环境及稳定运行20年以上寿命的要求，风机零部件球墨铸铁件低温冲击性能的表征可能不止低温冲击韧度，标准中低温冲击性能的要求可能需要进一步扩充。可见风机关键零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能与力学性能一样，是风机零部件必须同时要求的性能，在我国尚未对此开展任何研究的情况下，进行此项研究工作的难度可想而知，对于我国而言，开展风机零部件球墨铸铁材料低温冲击性能研究的艰巨性主要体现为以下几个方面18-20：(1)我国风机用球墨铸铁原材料与国外不同，存在生铁杂质含量高、磷量偏高和杂质、微量元素超标的问题。国外生铁主要控制P,Mn和Ti的含量,一般来说其它微量元素均很低。我国冶炼生铁生产厂虽多，但能生产满足上述要求的生铁不多，即便国内一些优质生铁生产商，也很难将P、Ti微量元素同时控制在P0.04、Ti0.04范围内。(2)风机容量大型化发展趋势，使得国内风机也已经达到1-1.5MW水平，兆瓦级风机关键零部件呈厚大断面、结构复杂的特征，对于没有研发经验的我国，容易造成铸件较多的缺陷。例如轮毂，国内某厂生产1.5MW级风机轮毂最大厚度达到了120mm，重量达15吨，且整个轮毂断面厚度变化剧烈，甚至出现了同一个铸件不同部位厚度比超过2.5倍的情况，在该厂生产的轮毂中发现了一些缺陷，如石墨漂浮恶化了铸件的表面质量力学性能，碎块形石墨使得热节部位经常出现的畸变石墨，造成该部位质地疏松、特别是塑性指标明显下降。 风机关键零部件球墨铸铁件低温冲击性能中存在的上述问题，不仅涉及了铸造工艺问题，也涉及了球墨铸铁材料问题，从文献资料可知，C、Si、Mn等球墨铸铁材料中存在的主要元素对力学性能的影响规律已经研究得很清晰21-22，但这些元素对低温冲击性能得影响则研究得较少，且研究中虽考虑了单个元素性能的影响，各元素之间耦合作用几乎没有考虑23；Cu、Mo、Ni等合金元素对球墨铸铁材料的低温冲击性能研究情况与C、Si、Mn等主要元素类似，这些元素对力学性能的影响研究较多，而对低温冲击性能的影响研究较少24-26 ， 本文作者前期研究成果表明27： （1）当Mn含量在0.2%0.3 % 之间时，由于铁素体其体对Mn的固溶作用，使Mn能均匀分布于铁素体中,而未在晶界处大量富集。从而对风电球铁的低温冲击韧性影响不大。（2）通过孕育方式适当增加铁液硅含量，可使单位面积内铁素体基体中分布着更多的石墨球，减少低温冲击时产生解理断口机率，更多的形成撕裂断口，当 Si在 2.3 % 时，其低温冲击性能最佳，随着 Si 量的继续增加，风电球铁件的低温冲击性能下降。（3)当珠光体含量在5%以下，对风电球铁的低温冲击性能的影响不明显，当珠光体量继续增加时，其低温冲击韧性下降，当珠光体含量大于12.5%时，低温冲击性能急骤下降。综合起来，球墨铸铁材料中各主要元素、合金元素对低温冲击性能的研究存在如下共性的问题：(1)单个元素对球墨铸铁材料力学性能研究的较深入，但对低温冲击性能研究的较少，一般很少研究20及附近一定温度范围内的球墨铸铁材料低温冲击性能的情况；(2)球墨铸铁材料中单个元素对其低温冲击性能的研究大多限于元素含量对脆性转变温度的影响度，较少从最低脆性转变温度及合金含量对温度变化的敏感度考虑；(3)球墨铸铁材料中各主要元素、合金元素之间形成的多因素耦合对其低温冲击性能的影响几乎没有开展；(4)各主要元素、合金元素对综合的力学性能、低温冲击性能的多性能指标的球墨铸铁材料研究尚未开展 。针对上述风机零部件球墨铸铁材料低温冲击性能中存在的问题，本项目选择兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁铸件作为研究对象，将风机关键零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能指标评价与分析，球墨铸铁材料成分设计与优化，合金元素对硬度、强度、韧性及低温冲击性能综合影响作为本项目的重点研究内容，为解决目前国内生产风机关键零部件球墨铸铁铸件存在的问题提供技术支撑，通过自主创新掌握核心技术，以打破国产风机关键零部件的制约、推动我国风机产业化进程。参 考 文 献1 Kosuke Kurokawa.Energy from Desert Feasibility of Very Large Scale Photovoltaic Power Generation Systems, pp xv. 20022施鹏飞.21 世纪风力发电前景，中国电力 2000，33（9）：78-813AWEA.Wind Power Outlook 2003EB/OL4雷亚洲,GORDONL.风力发电与电力市场.电力系统自动化,2005,29(10):1-5.5易跃春.风力发电现状发展前景及市场分析.国际电力,2005,8(5):18-22.6 EWEAGreenpeace.Wind Force12 R.Brussels,20037 Low Wind SpeedTechnologies Annual TurbineTechnology Update (ATTU)Process for Land-Based, Utility-Class .TechnologiesTechnical ReportNREL/TP-500-37505 June 20058 J. 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Beijing. 199622陆文华,李隆盛,黄良余.铸造合金及其熔炼.北京:机械工业出版社,199723张志和,高翔.稀土镁球墨铸铁的生产和控制.铸造技术,2000(2):262824黄汉云,宋锐华,王克谦等.现场球化处理工艺及参数.铸造技术,2003(1):565725李德臣,朱文杰,李志江等.球墨铸铁生产技术要点.铸造技术,1999(5):333426王智平,徐建林.造成球铁件缩孔缩松缺陷因素的研究.铸造技术,2002(5):29830027李荣德，王磊，曲迎东兆瓦级风电球铁件低温冲击韧性影响因素沈阳工业大学学报（已录用）3 学术特色，立论依据； 本项目的学术特色有：(1) 针对风机零部件中多个关键零部件共用的球墨铸铁材料冲击性能的研究是本项目的特色之一，对我国而言这是一个较为新颖的研究方向，也是目前国内风机关键零部件球墨铸铁材料铸件中低温性能不能满足要求客观存在的事实，这一问题的深入研究对于促进风电行业研发水平提高、推动产业化进程具有重要意义，对球墨铸铁材料而言，同时满足力学性能、低温冲击性能的综合性能属于材料中研究的基础问题，为其它具有低温性能要求的铸件生产也提供了技术支撑，这是本项目的学术特色之一；(2)风机零部件的低温冲击性能满足要求是风机平稳运行工作20年的重要保证之一，迄今国内尚未有风机实际运行20年的实例，因此风机零部件球墨铸铁件低温冲击性能就愈发重要，从欧洲标准EN-GJS-400-18U-LT看，低温冲击性能仅对冲击韧度作了要求，这个指标要求虽很必要，但并不足够，低温冲击韧度至多只能算低温冲击性能指标之一，本项目提出的针对风机关键零部件球墨铸铁件低温冲击性能指标评价和分析，将更加全面概括风机低温冲击性能的评价指标体系，从而较欧洲标准中单一的性能指标更加完善，成为本项目的学术特色之二。对于兆瓦级风机，其关键零部件中轮毂、机舱底座、变桨减速机壳体、轴承座、前机舱底盘、齿轮箱壳体、偏航摩擦盘、偏航减速机壳体、发电机箱体等都为球墨铸铁材料铸件，这些铸件在1MW风机中总重量就达到了近40吨，占整个风机总重量的40左右，故球墨铸铁材料的低温冲击性能不能被忽略，这是本项目的立论依据之一。低温冲击韧度是目前评价低温冲击性能的唯一指标，其不完善之处在于近限定在20测试该值是否符合要求，至少忽略了低温冲击韧度随温度变化的敏感性，例如温度稍微变化时，可能造成低温冲击韧度大幅度下降，而风机实际运行环境也不可能将温度绝对限定在20，因此在低温冲击韧度的基础上再考虑低温冲击性能的温度敏感度可能更为合理，可见风机关键零部件球墨铸铁低温冲击性能的评价需要进一步完善，这是本项目的立论依据之二。球墨铸铁材料中主要元素、合金元素对其力学性能的影响已经研究很深入，但对其低温性能的研究得较少，一般地上述元素对这两个性能指标的影响存在矛盾之处，如元素Mn虽然对强度、硬度力学性能指标影响是正面的，但对低温冲击性能指标影响是负面的，故上述各种元素对综合的力学性能、低温冲击性能材料影响规律需要研究，这是本研究的理论依据之三。4经济及社会效益分析统计数据表明，未来我国每年生产的风机关键零部件球墨铸铁铸件至少25万吨，市场前景极为广阔，球墨铸铁铸件按1.3万元/吨计算，全国每年风机球墨铸铁铸件产值将达到32.5亿元，经济效益极为显著。风力发电机组一般应有较长的运行寿命，从球墨铸铁材料角度满足风机零部件的低温冲击性能，是风机平稳运行20年的重要保证条件之一，因此本研究成果将促进现有的风机运行寿命延长，除了节省因零部件故障增加的维修、吊装费用，还将节省下的时间用于风机的实际运行，提高风能资源的利用率，为我国提供更多的绿色能源，减少可再生能源在我国能源结构中的比例，也因此减少了废气、废渣的排放，因此本研究成果应用后的社会、环境效益也十分显著。 综上所述，本项目的经济效益最为明显，同时其社会、环境效益也十分显著。 三、研究内容 主要包括：1 具体研究内容和重点解决的关键技术问题；2 技术创新点；3 预期达到的各项技术指标 1 具体研究内容和重点解决的关键技术问题具体研究内容：(1) 风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能评价指标体系的分析与综合评价：在现有的低温冲击韧度指标基础上，拟新增球墨铸铁塑性脆性转变温度、冲击功温度行为两个新的评价指标，并通过实验数据，将3个性能指标综合处理，建立三个评价指标的共同表征的低温冲击性能；(2) 研究C、Si、Mn等球墨铸铁材料中存在的主要元素耦合作用对其低温冲击性能的影响规律；研究Cu、Mo、Ni等合金元素单独作用及耦合作用对其低温冲击性能的影响规律；(3) 综合研究球墨铸铁中存在的主要元素、合金元素耦合作用对球墨铸铁强度、韧性、硬度等力学性能和低温冲击性能的综合影响，获得满足欧洲的EN-GJS-400-18U-LT标准的球墨铸铁材料成分。拟解决的关键问题：风机关键零部件球墨铸铁材料成分设计中，获得合适范围、包括主要元素和合金元素的的球墨铸铁材料是本项目拟解决的关键问题，其中涉及了多个元素的耦合作用，同时也涉及了这些元素的组合需同时满足力学性能和低温冲击性能。2 技术创新点本研究的技术创新点之一是针对风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能评价指标展开研究，改变现有的对低温冲击性能仅理解为低温冲击韧度单一性能指标的认识，从而使得球墨铸铁材料低温冲击性能评价更为完善，通过建立综合的低温性能评价指标体系，将低温性能从多个角度综合评价指标，最终有效表征球墨铸铁材料的低温冲击性能。 本项目的创新点之二是开展球墨铸铁中存在的多个主要元素、合金元素耦合作用对其力学性能、低温冲击性能的综合作用影响规律，从而获得同时满足力学性能和低温冲击性能指标要求的球墨铸铁材料，为风机自然环境中运行提供满足其综合性能要求的球墨铸铁材料合适的成分。3 预期达到的各项技术指标 在150x150x150mm试样测试分析，拟达到的各项性能满足下述要求：(1)力学性能标：抗拉强度370MPa，屈服强度220MPa，延伸率12%；(2)建立综合表征低温冲击性能的数学表模型，该模型中体现的单个低温冲击性能指标分项满足：(a)V型缺口-20下3次冲击平均值10J，其中最低值7J；(b)脆性塑性转变温度低于-25；(c)冲击功温度变化曲线在-20（5）范围内的斜率小于0.5。 四、研究方案主要包括：1 方案的可行性论证；2 研究方法和技术路线；3 总体安排进度；4 可能遇到的问题和解决方法； 1 方案的可行性论证本项目的主要研究内容有3个，现从技术角度论述其可行性：针对风机关键零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能指标评价与分析，在低温韧度性能指标基础上，拟新增本球墨铸铁塑性脆性转变温度、冲击功温度行为两个新的评价指标，这两个指标的测试手段具备，能够获得低温冲击性能的相关数据，通过对这些数据进行深入分析、研究，能够掌握不同阶段、不同范围内三个性能指标对球墨铸铁低温冲击性能的综合影响，从而决定不同环境、不同条件下球墨铸铁材料低温冲击性能应由哪些单项低温性能指标表征，可见完成风机关键零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能指标评价与分析是可行的。针对主要元素、合金元素对球墨铸铁低温冲击性能的研究，由于其中的一些元素对球墨铸铁材料低温冲击性能影响已经掌握，所以主要了解这些元素耦合作用对低温冲击性能的影响。由于对于球墨铸铁材料低温冲击性能有影响的元素范围可通过文献资料确定，余下的工作只是在确定这些元素的添加量，在一定范围内采用正交试验设计方法，能够在较少试验量的情况下掌握各元素对球墨铸铁低温冲击性能的影响程度，从而确定多个元素耦合作用对球墨铸铁材料的低温冲击性能的影响规律，可见完成本项研究内容也是可行的。针对各元素对综合的低温冲击性能、力学性能研究，有了第二项内容的研究成果，完成该部分研究内容不存在任何问题，因为各主要元素、合金元素对球墨铸铁力学性能的影响规律目前已经掌握的较为成熟，而各元素耦合作用对球墨铸铁低温冲击性能研究也可从第二项研究内容获得，只要在上述研究成果中寻找交集，即可获得各元素耦合作用对综合的力学性能、低温冲击性能的影响规律，从而获得与欧洲标准相符的、同时满足力学性能和低温冲击性能的球墨铸铁材料成分，可见完成本项研究内容也是可行的。此外，本课题组一直从事球墨铸铁合金材料的研究，在该方向具有深厚的研究基础和开发经验，目前已经发表相关论文50余篇，获得辽宁省科技奖3项、受资助的课题2项。课题组主要成员有全国铸造学会理事长李荣德教授，整个研究队伍主要成员均属于辽宁省创新团队“铸造合金净终成形理论与技术”的骨干成员，而本团队依托辽宁省高校“轻金属材料与工程重点实验室”，能够为本项目研究提供所需的试验条件和研究手段。总之，从技术角度本项目拟攻关的内容既有相关的理论研究基础、也有实际的成功案例借鉴；本课题组具有开展本项目的经验、能力、队伍、试验条件，因此实现本项目的研究目标是可行的。2 研究方法和技术路线研究方法：(1) 采用专家咨询法和试验总结法，从风机零部件应用角度确定风机零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能的多个单项指标，然后借助模糊理论分析不同温度范围、各个单项低温性能指标对低温冲击性能的整体贡献度，从而建立球墨铸铁材料的低温冲击性能综合评价指标体系；(2) 粗略确定球墨铸铁材料的主要元素、合金元素种类和范围，利用正交设计方法，设计包括各主要元素、合金元素的不同球墨铸铁成分，然后利用试验法考察各元素对低温冲击性能的影响程度，找出影响球墨铸铁材料低温冲击性能较重要的元素，并确定其成分含量范围；(3) 利用比照法，从满足低温冲击性能的主要元素、合金元素中，找出与力学性能影响程度较大的重叠元素，然后采用试验法确定这些元素对力学性能、低温冲击性能的影响，最终确定满足综合性能的主要元素、合金元素质量和范围；技术路线：球墨铸铁材料模糊理论球墨铸铁材料低温冲击性能指标主要元素、合金元素种类、范围初选咨询专家 经验总结正交设计确定满足低温冲击性能的主要元素、合金元素范围低温冲击性能试验从满足低温冲击性能的各元素中找出对力学性能较为重要的元素低温性能试验获得同时满足力学性能、低温性能的的主要、合金元素种类和含量范围获得满足风机关键零部件低温冲击性能的球墨铸铁材料力学性能试验3 总体安排进度2010.1 2010.3 进行调研，确定兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁材料中可能添加的主要元素、合金元素的种类和粗略的范围；2010.3 2010.6 进行风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能的评价指标组成及各个单项性能指标的分析及评价，并确定综合的低温冲击性能评价规则；2010.12- 2011.12 进行各元素球墨铸铁低温冲击性能影响的研究，确定影响球墨铸铁低温性能的主要、合金元素的种类和含量范围；2011.12 2012.6 在上述主要、合金元素的含量范围基础上，考察各主要元素、合金元素对力学性能的影响，获得同时满足低温冲击性能、力学性能的合适的球墨铸铁材料；2012.6 2012.12 研究工作的总结分析，撰写论文，准备结题；4 可能遇到的问题和解决方法球墨铸铁中的主要元素、合金元素对低温冲击性能、力学性能影响可能存在相反的影响方向，如元素Mn含量的增加虽然对提高力学性能是有利的，但却降低了其低温冲击性能，因此本研究在初选主要元素、合金元素种类时范围尽可能大些，同时通过试验中各元素耦合作用分析，解决这一问题。五、预期研究成果及预期应用前景预期研究成果及成果提供形式1 获得满足兆瓦级风机关键零部件综合性能（力学性能、低温冲击性能）要求的球墨铸铁材料；2 掌握球墨铸铁材料低温冲击性能更为全面的评价体系和评价标准；3 提交研究工作技术报告1份；4 发表高水平的学术论文5-8篇，其中被SCI、EI检索的论文3篇以上；5 培养硕士生3名；预期应用前景国家发改委于2008年3月发布可再生能源发展“十一五”规划，预计到2010年，全国可再生能源中风电总装机容量达到1000万千瓦，这一指标已于2009年提前、超额完成；到2015年之前，风力发电装机容量将达到3000万千瓦，可见我国风电市场发展前景极为广阔。按照国家发改委的数据预测，到2015年我国风力发电装机总量仍有近2600万千瓦的潜力。据欧洲风力协会等单位估算，每增加6000MW风力发电机组，约需球墨铸铁件铸件10万吨/年，可见我国未来6年内风机零部件总计需要铸件100万吨左右，平均每年约16万吨；此外，作为世界加工制造中心，由于Vestas、GE等世界风机制造商也将部分风机零部件铸件的生产任务交付我国，其球墨铸铁铸件总重据估算每年约9万吨，这一数据是按目前的实际情况估算的，随着世界风能市场的扩大，世界上其他国家交由我国生产的铸件吨数应呈逐年增大的趋势。可见，由我国每年生产的风机领关键零部件球墨铸铁铸件至少25万吨，市场前景极为广阔。六、研究工作基础和条件主要包括：1、负责人的科研概况；2、 与本项目有关的前期研究工作基础、阶段性成果（附证明材料）；3、 实验室仪器、设备条件。1、负责人的科研概况张国宏，男，1971年生，副教授，硕士，目前在沈阳工业大学材料加工工程专业攻读博士学位。现为沈阳工业大学轻金属重点实验室成员。连续5年院聘关键岗位，曾从事先进制造技术、虚拟制造技术等方面的研究工作。目前从事的研究方向有：铝铁合金新材料的凝固理论研究，铸铁材料凝固理论和微观组织性能研究，挤压铸造金属凝固过程数值模拟的研究。虚拟制造技术应用在教学方面、在机械制图教学中使用数字化模型教具，完全取代传统的实物模型教具，改变了传统教学模式，降低教学成本，提高了教学质量。虚拟制造技术应用于沈阳工业大学辽阳校区体育场(500万)的设计中，使得设计方案的确定更加直观。节约了项目建设时间与成本。公开出版过教材2本，校内教材9本，其中两本获校优秀教材三等奖；在国家级学术刊物上发表过10多篇学术论文。获校一等奖1次、二等奖1次、三等奖3次，所指导挑战杯“数字教学模型的研究与实现”课题组获得校一等奖。2、 与本项目有关的前期研究工作基础、阶段性成果（附证明材料）；针对风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能进行了前期研究工作，获得了初步研究成果。（1）当Mn含量在0.2%0.3%之间时，由于铁素体其体对Mn的固溶作用，使Mn能均匀分布于铁素体中,而未在晶界处大量富集。从而对风电球铁的低温冲击韧性影响不大。（2）通过孕育方式适当增加铁液硅含量，可使单位面积内铁素体基体中分布着更多的石墨球，减少低温冲击时产生解理断口机率，更多的形成撕裂断口，当Si在2.3%时，其低温冲击性能最佳，随着Si量的继续增加，风电球铁件的低温冲击性能下降。（3)当珠光体含量在5%以下，对风电球铁的低温冲击性能的影响不明显，当珠光体量继续增加时，其低温冲击韧性下降，当珠光体含量大于12.5%时，低温冲击性能急骤下降。对于球墨铸铁材料应全面、严格控制化学成分，为此，硅和磷要调整到很低，合金元素含量要低，而球化率要高，铁液温度不宜过高，高温保温时间不宜过长，以防止一些金属氧化物的还原。出铁前3-5分钟进行预调节(pre-conditioning)处理。进行合理的孕育过程，采用霎时孕育。表1中列出了风机零部件球墨铸铁材料前期研究成果，从数据上看，试验1、3成分对应的力学性能较好，屈服强度、抗拉强度数值较大，但实验1对应的延伸率稍低，另外，实验1、3对应的低温冲击功（3组结果）指标并不理想，没有达到欧洲标准规定的冲击功值。实验2、4对应的力学性能整体稍差，屈服强度、抗拉强度数值较小，但延伸率令人满意，另外，实验2、4成分对应的低温冲击功值很高，达到欧洲标准的要求。表1中数据表明，为使风机零部件球墨铸铁材料具有综合的、力学性能及低温冲击性能，应进一步进行球墨铸铁材料的设计与优化。表1 兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁材料性能与成分关系（前期工作研究成果）序号成分力学性能低温冲击功/JSiMnPSReMg屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率%12312.230.240.0320.0090.010.03224639919.455.9722.260.220.0230.0090.010.03323137622.311.812.1932.050.200.0240.0070.010.03224038723.68.98842.120.230.040.0080.010.03223037722.513109附件证明材料：(1)李荣德，王磊，曲迎东兆瓦级风电球铁件低温冲击韧性影响因素沈阳工业大学学报（已录用）(2)张国宏，李晓利数字教学模型在机械制图教学中的应用中国高新技术企业2007，（09）67，74(3)刘长军，张国宏球罐的焊接工艺研究中国高新技术企业中国高新技术企业 2008，（03）93，104(4)李荣德，周振平，于宝义，等. 铝铁合金新材料的凝固学基本问题研究，辽宁省自然科学二等奖，2004.12(5)周振平， 李荣德. Al-5%Fe合金的悬浮铸造，中国铸造装备与技术，2007，（4）：1112(6)周振平， 李荣德，马建超，袁晓光. Cr对Al-5%Fe合金中初生Al_3Fe相形貌的影响, 材料工程，2006(S1):1132(EI) (7)周振平，李荣德，马建超.熔体混合对Al-5%Fe合金组织的影响,航空材料学报，2005,25(4):69(EI)(8)周振平，李荣德,Mn和Mg对Al-5Fe合金初生Al3Fe相形貌的影响,金属学报，2003，39（6）：608612 (EI、SCI)(9)李荣德，周振平，白彦华，于海朋.Mg对铸造Al-10Fe合金初生富铁相形貌的影响,机械工程学报，2003，39（5）：3235 (EI)(10)Li Rongde, Zhou Zhenping. Numerical modelling of microstructure forming process for Al-Al3Fe eutectic alloy, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2003, 13(4): 849854 (EI、SCI)3、 实验室仪器、设备条件本项目研究将依托两个重点实验室：“轻金属材料与工程重点实验室”为本项目提供充足的试验条件，该实验室拥有进行球墨铸铁材料研究实验设备，包括真空熔炼、保温、浇铸设备，及用于球墨铸铁铸件组织、性能测试的相