隨著石油開采技術的日臻成熟，深海石油開采所占比例越來越大，越來越多的閥門需要在高溫、高壓、腐蝕環境下服役，同時由于深海鉆采閥門的特殊服役環境，維護更換的操作難度大成本高，這就對閥門關鍵零部件的高溫強度以及在高溫高壓下的疲勞強度、抗應力腐蝕性以及抗Cl-腐蝕等性能提出更高的要求，傳統的F304、F316L等不銹鋼材質已經遠不能滿足該類閥門的使用要求，亟需更高高溫強度、更好抗應力腐蝕性以及抗Cl-腐蝕性能材質的產品進行替代，對閥門提出了向高端方向發展的新要求，閥門零部件性能必須符合耐高溫高壓、耐磨、耐腐蝕、耐沖刷、抗熱循環、零泄漏等要求。鎳基合金是目前最好的耐蝕合金之一，Inconel 625是目前深海鉆采最常用的鎳基合金，是以Mo、Nb為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形耐腐蝕合金，具有優良的耐腐蝕和抗氧化性，從低溫到950℃不同溫度工況均具有優良的拉伸和疲勞性能以及在Cl-鹽霧下的抗應力腐蝕性能，廣泛應用于深海石油鉆采、超超臨界火電以及航空發動機等特種領域。
問題分析
Inconel 625的耐腐蝕性能與晶粒的大小密切相關，細小均勻的晶粒能極大地提高其耐腐蝕性能，而該合金在鍛造成形過程中卻存在著以下幾個問題。⑴Inconel 625在高溫下的變形抗力大，1100℃時的流動應力高達250MPa，極大地增加了鍛造難度。⑵Inconel 625屬于奧氏體鋼，在加熱和冷卻的過程中不發生相變，不能通過熱處理細化晶粒，只能通過鍛造再結晶細化晶粒。⑶Inconel 625鍛造溫度區間窄，加熱溫度過高會導致產品晶粒快速長大，溫度過低鍛件變形抗力急劇增加，容易造成鍛件開裂等問題。⑷Inconel 625材質價格昂貴，是普通鋼材價格的30～40倍。Inconel 625鍛件傳統的生產方式為模鍛或者自由鍛，鍛件毛坯加工余量大，鍛造火次多，同時鍛件毛坯飛邊浪費多，后續機加工工序用時長，而且Inconel 625材質原材料每千克價格高達180～250元，無形中增加很多成本，降本增效，節能降耗成了亟待解決的問題。
解決方案
為解決這些問題，我公司特對此類Inconel 625材質球體的鍛造生產工藝進行了研究和升級，摒棄了傳統的自由鍛和模鍛工藝，采用多向模鍛工藝進行鍛造生產。多向模鍛屬于閉式鍛造和擠壓的復合工藝，同時能夠成形鍛件內部孔腔，生產出來的鍛件具有機械性能好，無飛邊、重量輕，效率高等特點，但是對鍛壓設備、鍛造工藝以及模具設計要求較高。以我公司生產的某6英寸1500磅球閥球體為例，多向模鍛件與傳統模鍛件的對比如表1所示。
可以看出該規格球體多向模鍛件相較于傳統模鍛件重量減輕了20%左右，在產品精度、材料利用率等方面有明顯的優勢，特別是對于鎳基合金、哈氏合金、雙相鋼等高附加值特材鍛件，經濟性和后續加工效率都有明顯的優勢。工藝及模具結構設計
多向模鍛工藝是一個復合鍛造的過程，鍛件成形過程中有鐓粗變形，有正擠壓和反擠壓變形，主鍛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時進行，考慮到球體產品的結構特點并結合多向模鍛工藝的多變性和特點，最終產品采用垂直方向鐓粗合模，水平方向擠壓最終成形的工藝方案。圖1是Inconel 625球閥球體多向模鍛工藝的模具結構示意圖，主要由上模、下模以及兩個水平凸模組成，在鍛造的過程中，首先把計算好的棒料放入下模，然后上模進行鐓粗合模，與下模形成封閉的模腔，最后兩個水平凸模相對往里進行擠壓，成形球體內部流道孔，一火一次完成球體的多向模鍛。同時，在設計Inconel 625球體多向模鍛模具結構的時候要注意其鍛造特點(變形抗力大、變形工藝復雜)，防止出現模具壓塌、過度磨損、開裂等失效現象，提高模具壽命。
多向模鍛鍛造數值仿真模擬
為了縮短產品設計周期和試制周期，降低時間成本和試制成本，前期利用Deform-3D鍛造仿真模擬軟件對該球閥球體的多向模鍛工藝進行數值模擬仿真，以迅速找到產品的最優工藝參數，避免在設計過程中出現產品缺陷。下面是該產品多向模鍛工藝的模擬結果。
鍛造載荷
圖2所示為模擬的載荷曲線，從曲線上可以看出，該產品鍛造垂直方向合模所需的載荷(40MN)和水平方向擠壓所需的載荷(20MN)均在我公司多向模鍛液壓機的額定載荷之內，設備能力滿足此Inconel 625球體多向模鍛的鍛造需求。
鍛造變形
如圖3所示，從模擬的等效應變場結果看，毛坯在成形過程中變形均勻，沒有開裂、折疊等缺陷，基本上沒有變形死區，能很大程度上避免鍛件出現晶粒粗大和混晶等缺陷，這對產品機械性能有積極的意義。
鍛造溫度
從模擬終鍛溫度場(圖4)看，Inconel 625球體多向模鍛的終鍛溫度場分布均勻，終鍛變形部分的溫度基本在950～1000℃左右，不會因為終鍛溫度太高導致晶粒長大，也不會太低導致變形抗力急劇升高和開裂失效。
鍛造生產
Inconel 625球體多向模鍛鍛造生產過程中的主要難點在于溫度的控制和模具的設計，在鍛造過程中需要控制鍛造速度并做好模具預熱和毛坯的保溫，防止毛坯溫降過大而導致抗力增加和開裂失效。如圖5所示，最終生產出來的多向模鍛件成形充實，無未充滿、裂紋、折疊等缺陷，熱處理后鍛件檢驗機械性能、晶粒度滿足標準和客戶要求，無晶間腐蝕裂紋，試制成功，并順利投入生產，效益可觀。
結束語
多向模鍛近年來作為一種新的鍛造工藝在生產中的應用越來越廣泛，由于其鍛造工藝特點，材料是在強烈的三向壓應力作用下變形，材料塑性提高，有利于鍛造溫度范圍窄的難變形合金成形。同時，由于多向模鍛件鍛造精度高，沒有飛邊，能夠大幅減少鍛件的投料重量，提高材料利用率，十分適合鎳基合金、雙相鋼等特材的鍛造，在深海石油石化、超超臨界火電、核電等行業應用前景廣泛。
