Inconel 625材质球阀球体的多向模锻锻造工艺研究和应用

随着石油开采技术的日臻成熟，深海石油开采所占比例越来越大，越来越多的阀门需要在高温、高压、腐蚀环境下服役，同时由于深海钻采阀门的特殊服役环境，维护更换的操作难度大成本高，这就对阀门关键零部件的高温强度以及在高温高压下的疲劳强度、抗应力腐蚀性以及抗Cl-腐蚀等性能提出更高的要求，传统的F304、F316L等不锈钢材质已经远不能满足该类阀门的使用要求，亟需更高高温强度、更好抗应力腐蚀性以及抗Cl-腐蚀性能材质的产品进行替代，对阀门提出了向高端方向发展的新要求，阀门零部件性能必须符合耐高温高压、耐磨、耐腐蚀、耐冲刷、抗热循环、零泄漏等要求。

镍基合金是目前最好的耐蚀合金之一，Inconel 625是目前深海钻采最常用的镍基合金，是以Mo、Nb为主要强化元素的固溶强化型镍基变形耐腐蚀合金，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性，从低温到950℃不同温度工况均具有优良的拉伸和疲劳性能以及在Cl-盐雾下的抗应力腐蚀性能，广泛应用于深海石油钻采、超超临界火电以及航空发动机等特种领域。

问题分析

Inconel 625的耐腐蚀性能与晶粒的大小密切相关，细小均匀的晶粒能极大地提高其耐腐蚀性能，而该合金在锻造成形过程中却存在着以下几个问题。

⑴Inconel 625在高温下的变形抗力大，1100℃时的流动应力高达250MPa，极大地增加了锻造难度。

⑵Inconel 625属于奥氏体钢，在加热和冷却的过程中不发生相变，不能通过热处理细化晶粒，只能通过锻造再结晶细化晶粒。

⑶Inconel 625锻造温度区间窄，加热温度过高会导致产品晶粒快速长大，温度过低锻件变形抗力急剧增加，容易造成锻件开裂等问题。

⑷Inconel 625材质价格昂贵，是普通钢材价格的30～40倍。

Inconel 625锻件传统的生产方式为模锻或者自由锻，锻件毛坯加工余量大，锻造火次多，同时锻件毛坯飞边浪费多，后续机加工工序用时长，而且Inconel 625材质原材料每千克价格高达180～250元，无形中增加很多成本，降本增效，节能降耗成了亟待解决的问题。

解决方案

为解决这些问题，我公司特对此类Inconel 625材质球体的锻造生产工艺进行了研究和升级，摒弃了传统的自由锻和模锻工艺，采用多向模锻工艺进行锻造生产。多向模锻属于闭式锻造和挤压的复合工艺，同时能够成形锻件内部孔腔，生产出来的锻件具有机械性能好，无飞边、重量轻，效率高等特点，但是对锻压设备、锻造工艺以及模具设计要求较高。

以我公司生产的某6英寸1500磅球阀球体为例，多向模锻件与传统模锻件的对比如表1所示。

可以看出该规格球体多向模锻件相较于传统模锻件重量减轻了20%左右，在产品精度、材料利用率等方面有明显的优势，特别是对于镍基合金、哈氏合金、双相钢等高附加值特材锻件，经济性和后续加工效率都有明显的优势。

工艺及模具结构设计

多向模锻工艺是一个复合锻造的过程，锻件成形过程中有镦粗变形，有正挤压和反挤压变形，主锻造方向可以在垂直方向，也可以在水平方向，甚至可以垂直方向和水平方向同时进行，考虑到球体产品的结构特点并结合多向模锻工艺的多变性和特点，最终产品采用垂直方向镦粗合模，水平方向挤压最终成形的工艺方案。

图1是Inconel 625球阀球体多向模锻工艺的模具结构示意图，主要由上模、下模以及两个水平凸模组成，在锻造的过程中，首先把计算好的棒料放入下模，然后上模进行镦粗合模，与下模形成封闭的模腔，最后两个水平凸模相对往里进行挤压，成形球体内部流道孔，一火一次完成球体的多向模锻。同时，在设计Inconel 625球体多向模锻模具结构的时候要注意其锻造特点(变形抗力大、变形工艺复杂)，防止出现模具压塌、过度磨损、开裂等失效现象，提高模具寿命。

多向模锻锻造数值仿真模拟

为了缩短产品设计周期和试制周期，降低时间成本和试制成本，前期利用Deform-3D锻造仿真模拟软件对该球阀球体的多向模锻工艺进行数值模拟仿真，以迅速找到产品的最优工艺参数，避免在设计过程中出现产品缺陷。下面是该产品多向模锻工艺的模拟结果。

锻造载荷

图2所示为模拟的载荷曲线，从曲线上可以看出，该产品锻造垂直方向合模所需的载荷(40MN)和水平方向挤压所需的载荷(20MN)均在我公司多向模锻液压机的额定载荷之内，设备能力满足此Inconel 625球体多向模锻的锻造需求。

图1 球体多向模锻模具结构示意图

表1 传统模锻件与多向模锻件对比

图2 Inconel 625球体多向模锻模拟载荷曲线

锻造变形

如图3所示，从模拟的等效应变场结果看，毛坯在成形过程中变形均匀，没有开裂、折叠等缺陷，基本上没有变形死区，能很大程度上避免锻件出现晶粒粗大和混晶等缺陷，这对产品机械性能有积极的意义。

锻造温度

从模拟终锻温度场(图4)看，Inconel 625球体多向模锻的终锻温度场分布均匀，终锻变形部分的温度基本在950～1000℃左右，不会因为终锻温度太高导致晶粒长大，也不会太低导致变形抗力急剧升高和开裂失效。

锻造生产

图3 多向模锻球体锻造等效应变图

Inconel 625球体多向模锻锻造生产过程中的主要难点在于温度的控制和模具的设计，在锻造过程中需要控制锻造速度并做好模具预热和毛坯的保温，防止毛坯温降过大而导致抗力增加和开裂失效。

如图5所示，最终生产出来的多向模锻件成形充实，无未充满、裂纹、折叠等缺陷，热处理后锻件检验机械性能、晶粒度满足标准和客户要求，无晶间腐蚀裂纹，试制成功，并顺利投入生产，效益可观。

图4 多向模锻球体锻造终锻温度场图

图5 Inconel 625球体多向模锻件

结束语

多向模锻近年来作为一种新的锻造工艺在生产中的应用越来越广泛，由于其锻造工艺特点，材料是在强烈的三向压应力作用下变形，材料塑性提高，有利于锻造温度范围窄的难变形合金成形。同时，由于多向模锻件锻造精度高，没有飞边，能够大幅减少锻件的投料重量，提高材料利用率，十分适合镍基合金、双相钢等特材的锻造，在深海石油石化、超超临界火电、核电等行业应用前景广泛。

代勇，工艺研发经理，工程师，主要从事多向模锻、模锻锻造工艺研发和模具设计工作，曾主持完成公司多项镍基合金、双相钢等特材锻件产品的多向模锻产品工艺升级和开发工作，产生巨大经济效益，并拥有多项相关专利和专有技术。