中國報告大廳網訊，隨著能源結構向清潔化轉型，聚變能因高效無污染成為重點開發方向，其核心設備對極端環境下的結構材料提出嚴苛要求。特種不鏽鋼行業作為聚變裝置關鍵構件的核心材料，需同時滿足高溫加工穩定性與極低溫力學性能，而大壁厚弧形不鏽鋼鍛件的製造長期面臨晶粒控制難、成形精度低等挑戰。2025年，一項融合 「動態再結晶調控」 與 「近淨成形」 的創新技術實現突破，使弧形不鏽鋼鍛件在4.2K極低溫下仍保持優異性能，為高端不鏽鋼製造提供了全新方案。以下是2025年不鏽鋼行業技術分析。

  一、聚變級不鏽鋼材料特性與製造核心難點

  聚變裝置環向場線圈盒用弧形鍛件採用控制氮含量的 316LN 不鏽鋼製備，其化學成分嚴格管控(見表 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% 以提升低溫強度。這種不鏽鋼雖具備耐高溫、耐腐蝕特性，但製造過程中面臨雙重核心難點。

  《2025-2030年全球及中國不鏽鋼行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，在鍛造及性能控制方面，不鏽鋼熱加工溫度與變形不均易引發應力集中，高溫塑性窗口窄，工藝偏差即可能產生裂紋;變截面板坯變形量差異會導致晶粒大小與析出相分布不均，且不鏽鋼晶粒細化不可逆，無法通過熱處理調控，需依賴鍛造動態再結晶機制，其 Zener-Hollomon 參數需滿足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 2.5 m、弧度近 90°，若採用厚板坯機加工成形，厚度需近 1 m，不僅無法實現近淨成形，還存在鍛不透、性能不均與材料浪費等問題。

  二、不鏽鋼鍛件鍛造工藝的創新優化設計

  針對製造難點，創新採用 「直板鍛造 - 精密壓彎」 複合成形工藝，通過數值模擬系統優化工藝參數與輔具設計，實現不鏽鋼鍛件的近淨成形與晶粒精準控制。

  在壓彎成形輔具設計上，基於懸臂樑三點彎曲理論開發梯度壓力分布模具系統，包含帶弧度壓下錘頭的上模與底板及斜面支撐台構成的下模，為不鏽鋼板坯均勻變形提供保障。通過對比斜面式、台階式、寬板式三類預製坯方案的數值模擬結果，選定多台階式板坯，在材料利用率與制坯難度間實現最優平衡;仿真顯示 360 mm 板坯餘量過大、300 mm 板坯無法完全包覆零件，最終確定 330 mm 為最優板坯厚度;對 20 ℃、850 ℃、920 ℃、1000 ℃四個溫度梯度的彎制效果測試表明，920 ℃時彎制力最低(1770 kN)且過程流暢，成為最佳彎制溫度。

  在彎制板坯鍛造工藝上，採用 「高溫大變形動態再結晶調控 + 梯度降溫應變誘導細化晶粒」 複合工藝，通過 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、時間及變形量，有效抑制不鏽鋼晶粒異常長大。整體製造流程涵蓋 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)、固溶熱處理等關鍵環節，形成標準化製造體系。

  三、不鏽鋼鍛件的製造實施與全面性能檢測

  按優化工藝製得的不鏽鋼鍛件，經多維度性能檢測與探傷檢驗，各項指標均滿足聚變裝置技術要求，驗證了工藝的可行性與可靠性。

  在金相組織檢測中，鍛件呈現全奧氏體組織，晶粒度達 3 級，符合結構件對組織均勻性的要求。力學性能檢測顯示，不鏽鋼鍛件在常溫與極低溫環境下均表現出優異性能：常溫拉伸屈服強度 326~352 MPa、抗拉強度 627~652 MPa、延伸率 53.5%~55.5%、收縮率 80%~81%;77 K 低溫拉伸屈服強度 768~919 MPa、抗拉強度 1288~1369 MPa、延伸率 59.4%~65.9%、收縮率 68.7%~72.4%;4.2 K 極低溫拉伸屈服強度 987~998 MPa、抗拉強度 1601~1630 MPa、延伸率 51.3%~52.4%、收縮率 49.6%~52.1%。77 K 低溫衝擊功平均達 234.7~250.0 J，4.2 K 低溫斷裂韌性達 369~384 MPa・m¹/²，相對磁導率穩定在 1.002 μ(≤1.03 μ)，完全滿足極低溫服役需求。

  經半精加工與精加工後，鍛件通過超聲波探傷與滲透探傷檢驗，超聲波探傷靈敏度達Ø3，無缺陷顯示，符合質量控制標準。

  四、全文總結

  2025年在聚變級不鏽鋼鍛件製造領域的技術突破，成功解決了大壁厚弧形不鏽鋼的晶粒控制與近淨成形難題。通過明確 316LN 不鏽鋼的材料特性與製造難點，創新設計 「直板鍛造 - 精密壓彎」 複合工藝，配套開發梯度壓力模具與多參數協同優化方案，結合 「高溫大變形動態再結晶 + 梯度降溫應變誘導」 的晶粒細化技術，最終製得的不鏽鋼鍛件在常溫及4.2K極低溫下均表現出優異性能，其中極低溫抗拉強度超1600MPa、斷裂韌性達 384 MPa・m¹/²，且探傷指標完全合格。該技術不僅為聚變裝置核心構件製造提供了可靠方案，更推動了特種不鏽鋼鍛件製造工藝的升級，為2025年不鏽鋼行業高端化發展注入強勁動力。