在本文中，我们将讨论锻造和形成 Incoloy 825 镍基合金法兰坯料的工艺。
Incoloy 825 是最常用的 XNUMX 种耐腐蚀合金之一，其耐腐蚀性与晶粒的大小密切相关。 细小均匀的颗粒大大提高了耐腐蚀性。 合金; 然而，合金在锻造和成型过程中存在 980°C 的大变形阻力和 240 MPa 的高流应力问题。 相变期间不会发生加热和冷却，因此无法净化。 热处理方法：再结晶仅细化晶粒。 晶粒只能通过重结晶进行精炼。 变形量的均匀性决定了晶粒尺寸的均匀性，并决定了零件的耐腐蚀性。 不仅要避免出现粗晶体，影响整体耐腐蚀性，还要保证变形量大于临界变形程度。
在本文中，我们提出了 XNUMX 维实体建模和刚塑性有限元模拟软件 DEFORM，用于使用 XNUMX 维建模软件 Pro/E 锻造不同的法兰规格。 法兰成型工艺 程序模拟。 仿真结果表明，只有最终锻造步骤没有填充和弯曲，预锻步骤+最终锻造步骤的过程可以避免折叠现象，但仍存在填充现象结束的现象。 采用局部拉深工艺+预锻工艺+终锻工艺，同时使预锻坯的形状和终锻的形状接近终锻，保证坯料的稳定性。 在从锻造结束到安装成型的过程中，锻造产品的各个部分的变形变得更加均匀，超过 25%。 此外，在原型中，我们确认了预锻工艺 + 主锻造工艺、部分伸长工艺 + 预锻造工艺 + 终锻工艺的工艺模拟的有效性。 最终，我们选择了局部拉伸工艺+预锻工艺+终锻工艺的工艺方案，实现了整个锻件的顺利成型，完成了产品。 锻造生产耐腐蚀法兰。
国外产品含量高2S、CO2 天然油气田的开发和生产技术比较成熟，例如，包括美国德克萨斯州 HXNUMX 在内的油气田。2S 达到 98%，法国 Lac-la-Roche 油气田 H2S 含量为 15.2%，加拿大 Belle 也含有 90.6% 的 HS。 外国人为高 H2S、CO2 对于腐蚀性条件下的浓缩，在钻井、完井、收集和传输的所有过程中进行了全面研究。 材料选择标准化，其技术满足相关油气田开发和生产的需求。 随着高温高氢的探索和发展2S、CO2 分压，高 Cl–，以及选择使用高有机硫天然气、耐腐蚀合金的工具已逐渐形成，作为考虑安全性和经济性的主要发展趋势。
海外研究显示 CO 的特征如下：2 在油气井中，应使用 9Cr、13Cr 马氏体不锈钢，并且 CO 共存2 和 H2应使用 S、Super 13Cr、22Cr-25Cr 双相不锈钢或镍基合金来满足需求。 镍基合金管道生产能力的国际制造商主要有美国的特殊钢公司、日本住友金属、德国V&M、瑞典山特维克等。 这些厂家都有多年的开发和生产经验，产品种类和强度的范围比较齐全，并且已经成功开发出腐蚀。 用于高酸度油气田的耐合金管。 此外，住友金属计划在 40 至 2.6 年内额外投资 2006 亿日元（约合 2010 亿元人民币），对高温、高 H 特征的油气田耐腐蚀合金工具进行全面彻底的研究和开发。2S 分压，高 CO2 分压和高 Cl– 世界各地的含有机硫特性。
在日本，高 H 存在严重的腐蚀问题，2S、CO2 在油气田进行了多年的技术攻关，采取了多项防腐措施，如使用耐硫低合金管、注入缓蚀剂、管内涂层、使用玻璃纤维等。 使用增强塑料管等，但由于 H 含量高，会暴露在恶劣的腐蚀环境中。2S、CO2 由于油气田的腐蚀问题和防腐技术本身的缺陷，至今尚未形成一系列经济上可行的防腐技术，常用的管材和传统的防腐技术手段难以解决这一先进的腐蚀问题。 酸性油气田需要更安全、更可靠的防腐措施。 由于酸度高，大规模生产油气田具有腐蚀性，当过去常用的管道和一些成熟的防腐措施直接应用于此类油气田时，存在很大的安全风险，无需寻找新的油气田。 更可靠的防腐技术措施。 因此，在这种类型的油气田中，在管材的选择上必须要有H电阻。2S、CO2Cl （四）–，合金方向的耐腐蚀性。 耐腐蚀管等研发工具和质量水平直接反映了国家或钢铁企业的技术、研发、生产管理和竞争力水平。 我国耐腐蚀系列油井管道等工具和材料的开发应用仍处于起步阶段。 与 JFE、住友、SMC、泰纳瑞斯和 V&M 等知名外国公司相比，还有很长的路要走。
传统的 9Cr 和 13Cr 马氏体不锈钢自 1970 年代开发以来，已被广泛用作石油和天然气行业的材料，并享有良好的声誉。 这些 XNUMX 钢牌号在含有 CO 的酸性环境中具有出色的耐腐蚀性。2 和 Cl–。 Cr 是预防 CO 的最有效元素2 它耐腐蚀，能迅速在金属表面形成致密且非常薄的 503 钝化膜。 由于 Cr 含量增加，具有抗 CO 作用2 腐蚀加剧。 13Cr的耐腐蚀性优于9Cr，因此13Cr的应用更为广泛。 因为 9Cr 含有 1% 的 Mo，所以它的抗应力腐蚀开裂能力优于 13Cr。 尽管价格差异很大，但 9Cr 不锈钢仍然是一些石油公司的首选。 为了提高材料的强度和耐腐蚀性，我们改进了 13Cr 不锈钢，主要是通过降低 C 含量和增加 Cr、Ni 和 Mo 含量。
自 1960 年代和 1970 年代以来，高硫石油和天然气井不断被发现和开发。 这类油气井的腐蚀问题非常严重，油气田所用材料的使用条件恶化，因此需要具有优异耐H性能的材料。2S、CO2Cl （四）– 腐蚀性能。 普通碳钢、低合金钢，甚至13Cr、22Cr等不锈钢都不能满足矿山需求，因此大量使用高Cr、Ni和Mo镍基合金材料。 石油和天然气井的开发。
不同的油气井含有不同类型的腐蚀性介质，油气井的浓度、温度、压力、深度也不尽相同，因此应根据石油的实际情况选择最经济合理的材料。 还有气井。 当 CO2 低含量，H2S 腐蚀占主导地位。 根据H的尺寸，选择碳钢、低合金钢和耐腐蚀合金钢。2S-分压; 当 H2它具有低 S 分压，由 9Cr 和 13Cr 马氏体不锈钢制成。 当 CO2 如果分压进一步升高或温度更高，则可以达到 150 °C 或 H2增加 S 含量并使用超级 13Cr 或双相不锈钢。 均为 CO2 浓度和 H2由于S浓度很高，应根据油气井的实际情况选择材料。 H2使用镍基耐腐蚀合金具有非常高的 S 浓度。 由于分为小截面，建议使用钢级 Super 13Cr、双相不锈钢和镍基耐腐蚀合金，因为每个钢种的耐腐蚀性差异很大，因此可以根据油气井的实际情况选择特定的钢种。
镍基合金材料的产品相关技术具有以下几大特点：
1）由于合金含量高，杂质和有害元素含量必须低，这使得冶炼技术更加困难。 它必须在真空感应炉中使用电渣重熔和其他净化工艺进行冶炼。
2） 合金种类多，影响耐腐蚀性和各种元素相互影响的机理复杂。
3）从降低成本和提高耐腐蚀性的角度来看，许多合金需要结合每个油气田的实际工况进行优化，需要进行大量的研究。
4） 与传统不锈钢不同，镍基合金高温塑性差，无法通过传统的热轧或热冲方法实现。 它必须通过热加工技术进行热加工。
5）合金时效沉淀相的成分和结构复杂，对耐腐蚀性的影响机理仍有待充分阐明。 合金的析出相受温度影响很大，热加工和热处理的温度和时间的控制是保证质量的重要因素。
6）该系列单相奥氏体结构的产品室温强度低，因此冷加工后需要进行热挤压和强化。 尽管如此，镍基合金的冷作硬化程度仍然很高。 冷作的过程控制难度大！
美国一家特殊钢公司研究了高硫含量和 Cl 的存在。– 和 CO2 合金 028 （UNS N08028）、825 （UNS N08825）、G-3 （UNS N06985）、050 （UNS N06950） 和 C-276 （UNS N10276） 镍基合金在耐腐蚀性等条件下的腐蚀问题，按以下顺序排列：
C-276>050>G-3>825>028。 排序结果表明，Ni基耐蚀合金的耐蚀性随着合金中Cr和Ni含量的增加而增加。 合金 825 和 028 和 925 这两种钢种多年来已广泛用于世界各地的含硫气井，以及合金 718 和 XNUMX，它们是用于表层和井口装置的时效强化合金。 我们拥有多年的服务经验。
我国系列耐腐蚀油气井与产品和设备的开发应用仍处于起步阶段。 与外资公司相比，有很大的不同。
镍是一种铁磁性材料，属于重有色金属。 镍具有高强度、延展性和优异的成型性。 纯镍的强度极限为 450~520 MPa，伸长率高达 48%。 镍是一种中等活性的金属，对各种介质具有良好的耐腐蚀性。 镍在非氧化性稀酸（如小于 10% 的盐酸、小于 70% 的硫酸）和许多有机酸中，但与氧化剂 （FeCl） 一起，室温条件非常稳定。3、氯化铜2、氯化汞2、硝酸银3、次氯酸盐等）和曝气作用，导致镍的腐蚀速率急剧增加。 同时，镍在硝酸、亚硝酸盐和其他氧化介质中具有很强的耐腐蚀性。 在曝气条件下，镍在乙酸和乙酸中也不稳定。 镍溶解在空气浸泡的氨溶液中。 纯镍具有耐腐蚀材料的基本特性，但不足以应对各种恶劣和复杂的介质。 这可以通过形成纯镍耐腐蚀合金来解决。 这也是耐腐蚀合金镍的一个非常重要的特点。 换句话说，Cu、Cr、W 和 Mo 等镍具有出色的固溶性能力（Ni 可溶于 100% Cu、47.0% Cr、39.3% Mo 和 40% W），这些合金元素赋予镍更好的耐腐蚀性，形成各种不同的成分。 这些合金元素赋予镍更好的耐腐蚀性，并形成广泛的成分、耐腐蚀性的各种系列镍基耐腐蚀材料。
不锈钢只能在正常的自然环境和稀硝酸中使用。 稀硝酸在高温和较刺激的介质下会严重腐蚀（还原或氧化）。 氯离子的存在会导致不锈钢中的点蚀和缝隙腐蚀，但也存在发生应力腐蚀（最有害）的严重趋势。 氯化物应力腐蚀断裂是限制奥氏体不锈钢应用的主要因素，尤其是 300 系列。 铜合金 铜合金主要耐大气腐蚀、淡水腐蚀，而铜合金对海水具有较好的耐腐蚀性。 钛和钛合金易于钝化，但它们在许多介质（包括海水）中容易发生更严重的应力腐蚀。
镍基耐腐蚀合金是重要的耐腐蚀材料，与一般不锈钢和其他耐腐蚀金属和非金属材料相比，在各种腐蚀环境（包括电化学腐蚀和化学腐蚀）下以各种形式存在。 它具有良好的耐腐蚀性（包括综合腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀等），其机械性能和加工性能也非常好，其整体耐腐蚀性远优于不锈钢等耐腐蚀性。 - 电阻合金比不锈钢和其他材料好得多。 特别适用于恶劣介质环境中的现代工业技术，测试表明，来自美国的 304 和 316L 奥氏体不锈钢可用于沸腾 42% MgCl。2 1-2 小时断裂和镍基耐腐蚀合金 C276 和 Inconel 625 即使在相同条件下 1000 小时也不会断裂。 自 1980 年以来，镍基耐腐蚀合金一直在研究和扩大应用范围。
高镍耐腐蚀合金不仅具有良好的耐腐蚀性，而且具有高强度、可塑性和良好的韧性，可以熔化、铸造、冷变形、热变形和成型，还具有焊接等性能，因此适用于化工领域。 它被广泛用于工业、石油、湿法冶金、核电、海洋开发和航空工业等，已成为不可或缺的金属耐腐蚀材料。 镍基耐腐蚀合金的主要性能是它们能够腐蚀耐液体介质（室温，在某些情况下高于高温）。 耐腐蚀合金也是免维护的，在石油和天然气行业中被广泛用作湿 CO 中的石油管道产品。2 和 H2S 环境。
Ni 提高了钢的热力学稳定性并阻断了电化学腐蚀的阳极过程。 这有利于钢对 CO 的抵抗力。2 腐蚀。 镍含量一般高达70%，主要添加Co、Cu、Cr、Mo、W等，以适应工作介质的不同化学性质。 Co、Cr、W 和 Mo 主要在固溶强化中发挥作用，但它们也是形成碳化物的元素。 Cr、Mo 和 W 可以添加到镍合金中，同时可以提高在氧化和还原介质中的耐腐蚀性。
Fe 对耐腐蚀性没有显着影响。 但是，即使向多维镍合金中加入适量的铁，在强化基体和提高可加工性的前提下，也不会影响耐腐蚀性。 此外，Fe 便宜又便宜，可以节省稀有元素并降低成本。
Cr 是稳定合金表面的最重要元素。 它具有在氧化条件下生产镍的潜力（例如 HNO）。3、H2所以4耐腐蚀、耐高温氧化、耐硫化。 它在基材表面形成氧化和腐蚀保护层，当加入 Cr 时，可以形成 Cr。2O3 由于层中的阳离子空位很少，因此可以防止金属元素向外部扩散以及 O 和 N 的扩散。2、S 等有害元素可在内部扩散，可防止材料的氧化和热腐蚀。
Mo 具有较大的元素原子半径。 少量添加可有效增强钢材的局部耐腐蚀性和耐氯性。– 腐蚀，H in2S 包括条件也会增加钢对 H 的抵抗力。2S 腐蚀。 钼改善奥氏体合金的 Cl– 诱发点蚀和缝隙腐蚀，Mo 和 Cr 可以提高抗氧化性。 因此，当 Cr 含量大于 18% 时，Mo 在提高钢的抗氧化性和耐点蚀性方面比 Cr 有效 XNUMX 倍以上。 因此，随着钼含量的增加，抗点蚀能力也成比例地增加。
铜提高了镍在还原介质中的耐腐蚀性，并在通风、快速流动的海水中均匀钝化。 为了在硫酸环境中抵抗腐蚀，在奥氏体合金中添加了铜元素。 当铜与铬和镍结合时，它会在表面形成一层坚固的钝化膜，防止硫酸造成的腐蚀破坏。
W可大大提高镍在还原酸中的耐腐蚀性。
此外，N 促进 Cr 被动膜的致密化。 在存在点蚀的情况下，稳定点蚀的 pH 值。 因此，它有利于钢的耐 CO 性。2 它可以防止腐蚀，尤其是点蚀，但添加过多会影响钢的热作性能。 因此，其添加量为宜，一般控制在 0.01-0.1%。
镍基耐腐蚀合金需要特殊的熔炼技术，因为当材料的耐腐蚀性严重受损时，会发生碳化物等第二相析出（此时合金处于敏化状态）。 将碳含量控制在尽可能低的水平（通常为 0.03% 或更低）。
在 XNUMX 世纪下半叶，由于镍与 Cr、Mo、Co、Fe、Cu、Ta 和 W 等合金元素具有出色的冶金相容性，镍基耐腐蚀合金的发展经历了巨大的增长。 镍基耐腐蚀合金的发展一直是化工和石化行业发展镍基合金的重要因素。 这些合金元素使镍基合金在化工、石化、海水、泥浆、造纸、农药、石油和天然气、热处理、能源转换和其他腐蚀性环境中具有独特的耐腐蚀性和高温性能。 冶炼和热加工的改进，以及对这些合金元素的作用及其物理冶金行为的良好理解，对于开发二元、三元和其他复杂的镍基合金系统非常重要。
合金 825 是一种镍-铁-铬固溶体增强合金，添加了钼、铜和钛，是合金 800 的改进版本，美国金属和合金的谐波数为 UNS N08825。 Mo （3%）、Cu （2%） 和 Ti （0.9%） 的添加提高了合金的耐腐蚀性。 由于其约 42% 的高镍含量，它在轧制 MgCl 中测试时表现出优异的抗氯离子引起的应力腐蚀开裂能力。2 分辨率。 高镍与较高 Mo 和 Cu 含量的组合在还原气氛（例如含有硫酸和磷酸的气氛）中提供了良好的抵抗力。 实验室测试结果和服务经验表明，合金 825 在高达 40°C 的温度下，在硫酸含量高达 66%（重量计）的沸腾溶液和不同浓度的沸腾溶液中表现出良好的耐腐蚀性。 这种合金耐氯离子应力腐蚀开裂、点蚀、缝隙腐蚀和许多腐蚀溶液。 高铬含量确保了合金对各种氧化介质（如硝酸、硝酸和氧化盐）的耐腐蚀性。 当添加钛并进行适当的热处理时，合金不易受到晶间腐蚀并且更稳定。 化学成分如表 1.1 所示，室温下的机械性能如表 1.2 所示。
我们选择了 Incoloy 825 镍基合金作为 Uramitsu 油气田重大开发中地层开采项目的法兰材料。
表 1.1 Incoloy 825 合金的化学成分
成分 | 含量 （w%） | 成分 | 含量 （w%） |
镍 | 38.0-46.0 | C | 最大 0.05 |
铁 | 22.0-33.0 | S | 最大 0.03 |
铬 | 19.5-23.5 | P | 最大 0.03 |
莫 | 2.5-3.5 | 锰 | 最大 1.0 |
铜 | 1.5-3.0 | 四 | 最大 0.5 |
钛 | 0.6-1.2 | 铝 | 最大 0.2 |
表 1.2 Incoloy 82 的室温机械性能
性能 | 最小 |
拉伸强度，MPa | 586 |
屈服强度（0.2% 残余变形），MPa | 241 |
伸长率，% | 30 |
通过与技术人员的互动，合金 825 法兰的生产过程精炼 - 铸锭 - 开坯 - 剥皮 - 锯切 - 加热 - 锻造成型 - 热处理 - 机加工 - 检验。 本论文主要负责锻造和成型的研究。 阶段。
对于 825 合金材料，锻造阶段面临的主要问题是：
（1） 825合金在高温下的抗变形能力在锻造起始温度为980°C时也很大。 流应力大于 240MPa，难以成型。
（2）为了防止晶间腐蚀，提高抗硫化氢应力腐蚀能力，必须使晶粒尺寸尽可能小。 此外，由于 825 合金在相变时不加热和冷却，因此不能通过热处理方法精炼晶粒，必须通过塑性变形和再结晶来精炼晶粒。
（3）变形量的均匀性决定了晶粒尺寸的均匀性，决定了零件的耐腐蚀性。 为了避免粗晶体，影响整体耐腐蚀性，使变形大于临界变形度的 15%，从而防止形成粗晶粒。
提供零件和锻件图表的技术是示意图。 标签大小正确，采样更严格。 因此，有必要重新绘制零件图和锻造图。 在这里，使用参数驱动的一维建模软件 PRO/E 建立了三个法兰零件和锻件模型，每个模型都有二维图形，并使用 AutoCAD 建立了两个法兰零件和锻件模型，每个模型有 1.2 个零件。 - 维度图形以相等的比例缩放显示大小和所有维度的实际大小。 3.2 型法兰的形状相似，因此 1、2 和 1.5 型法兰的重量会逐渐增加。 法兰的重量仅在相应 1.3 维和 XNUMX 维图形零件和锻件的 XNUMX 个法兰重量的中间表示，如图 XNUMX 至 XNUMX 所示。 XNUMX 个。 XNUMX 个法兰和 XNUMX 个法兰仅显示在图中零件和锻件的 XNUMX 维图形中，如图 XNUMX 至 XNUMX 所示。 XNUMX 个。
图 1.6 No.1 法兰详图 （9D）
图 1.3 3 号法兰锻造图 （2D）
图 1.4 2 号法兰锻造图 （2D）
图 1.5 3 号法兰锻造图 （2D）
图 1.6 1 号翼缘详图
图 1.7 1 号翼缘锻造图
图 1.8 3 号翼缘详图
图 1.9 3 号法兰的锻造图 1.4.2 锻造件体积和重量的测定 为了便于金属材料和锯切，已建立的零件和
锻件 2.5D 建模使用 Pro/E 的分析-模型-质量属性功能来计算每个零件或锻件的体积和重量。 每个零件和锻件的体积和重量是使用 Pro/E 中的分析-模型-质量属性功能计算的。 坯料为最大锻造比为 1.3 的圆棒，相应圆柱坯的最小直径计算如表 XNUMX 所示。
表 1.3 整个零件和锻件的体积和重量 法兰
型 | 组件重量 （kg） | 零件体积 （mm3) | 锻造重量 （kg） | 锻造体积 （mm）3) | 最小坯料直径 （mm） |
1 | 17.7 | 2.168E*106 | 28.9 | 3.548E*106 | 122 |
2 | 39.3 | 4.826E*106 | 61.8 | 7.592E*106 | 157 |
3 | 62.7 | 7.695E*106 | 95.6 | 1.174E*106 | 182 |
本章主要探讨了国内外耐腐蚀合金实现高 H 的研究现状和发展趋势。2S 和 CO2 着眼于油气领域，特别是镍基耐腐蚀合金、合金化原理、Incoloy 825 耐腐蚀合金的发展现状，我们选择使用 Incoloy 825 镍基合金作为主要表面收集项目的法兰。 Phu Quang 油气田开发。
同时，我们与工厂人员一起制定了耐腐蚀法兰的生产工艺，并提出了锻造和成型阶段面临的主要痛点。
（1） 高温下具有高抗变形性。
（2）由于加热和冷却过程中不发生相变，因此不能用热处理方法细化晶粒，只能通过塑性变形和再结晶来细化晶粒。
（3） 为了防止粗晶粒的发生，必须保证每个部分的变形量为临界变形的 15% 或更多。
最后，使用 Pro/E 软件创建了零件和锻件的 XNUMX 维建模。 AutoCAD 用于创建零件和锻件的 XNUMX 维图纸，并计算零件和锻件的体积、重量和钢坯最小直径尺寸。
这批产品的生产是基于小型耐腐蚀法兰。 但由于 Incoloy 825 合金材料价格高，材料利用率有待提高。 轮胎薄膜锻造可以满足这一需求。 从节省模具和减少工时的角度来看，我们将首先尝试一次边缘锻造。
两种类型的翼缘形状相似。 首先，选择中间之间的尺寸 2 号法兰成型要考虑。 计算时，第 XNUMX 号的交易量将为： 法兰锻造为 2.7x60 毫米3; 根据最大长径比 2.5，坯料的最小直径为 157 毫米。 我们决定使用直径为 170 毫米的圆棒，但由于体积不变性原理，相应坯料的高度将为 335 毫米。 在模拟过程中，工件几何形状不断更新，网格被多次重新划分等，导致工件的体积损失。 工件的体积损失。 工件的体积损失发生在仿真中，而不是零件的制造中。 为了使模拟结果更接近实际成型情况，必须尽可能减少或消除模拟过程中发生的体积损失。 体积损失的大小主要由工件的变形量、增量步长、网格重新划分的次数、网格分裂的密度等因素决定。 一般体积损失为工件体积的 1~6%。 为保证模拟过程中的体积损失不影响成型分析，对毛坯进行 5% 的体积修正，使毛坯尺寸为 Φ170*350。
模具成型件的形状和尺寸由相应锻造件的形状和尺寸决定，如图 2.1 所示。
图 2.1 2 号法兰的最终锻造模具图
3D 有限元模型的描述包括几何和物理方面。
对于几何模型，由于成型仿真软件 Deform3D 自带的实体建模的限制，本文使用广泛使用的 3D 建模软件 PRO/E 作为建模工具。 首先，使用 PRO/E 创建毛坯和模制 3D 模型，将其保存为 STL 格式，然后将 STL 文件导入 Deform3D 以创建几何模型。
物理模型中的物理变量包括模具或毛坯的材料、塑性加工温度、模具和毛坯之间的摩擦系数和传热系数以及动力学关系。 为了简化仿真过程并提高计算效率，模具模型被定义为刚体。 坯料定义为塑料体，锻造开始温度为 980 °C，坯料材料 Incoloy 825 自带软件，因此没有材料库。 您需要建立自己的流应力方程。 Incoloy 825 包括：
，如图 2.2 所示，根据提供给工厂的数据独立建立，显示材料的机械性能曲线。 模具与工件之间的剪切摩擦模型，即 f = mτ（公式中：m 是摩擦系数，τ 是剪切屈服强度），摩擦系数用于热锻。 润滑条件的存在小于推荐值的 0.3。 每个零件的变形，应力、应变和温度的分布，以及根据模具形状划分的模型网格的稀疏度。 随着数值仿真的进行，网格会自适应地细分，形状也会相应地发生变化。 设置预处理后，保存并提交任务以执行计算。
图 2.2 Incoloy 825 的机械性能曲线
图 2.3 整体锻造中的翼缘变形过程
图 2.4 单锻中的载荷-阶跃曲线
根据法兰的成型过程（如图 2.3 所示），法兰的变形大致可分为 XNUMX 个阶段。
阶段 1：坯料主要沿纵向移动。 坯料主要沿垂直方向移动，因为沿坯料的摩擦力和此时装置因装置的压力而施加的压力大于摩擦力。 如图 2.3 （a） 和 （b） 所示，空腔不断充满运动。 目前，变形区坯料下边缘和坯料上边缘的变形非常轻微。
阶段 2：坯料沿垂直方向移动，同时沿径向流动。 随着毛坯与模腔的接触面积越来越大，模腔直径也逐渐减小，毛坯下端的垂直阻力越来越大。 逐渐抑制坯料的纵向运动。 此时，坯料的上边缘由于设备的外力而塌陷并开始变形。 如图 2.3 （c）、（d） 和 （e） 所示。
阶段 3：坯料主要沿径向流动。 随着坯料下端与模腔的接触面越来越大，垂直摩擦力逐渐接近装置施加的外力。 此时，坯料的下边缘很难沿垂直方向移动。 此时，受到外力作用的坯料上边缘继续沿径向流动，如图 2.3 （f） 和 （g） 所示，并填充模腔的上边缘。 然而，这个过程使坯料似乎弯曲了，这一次外力急剧增加。
第 4 阶段：坯料再次垂直移动。 这次型腔的上边缘被填充，毛坯不再与径向运动保持一致，这次模具的下边缘没有被填充。 在外力的作用下，坯料垂直移动以填充型腔，如图 2.3 （h） 所示。 但此时，所需的力也急剧增加，达到 1.12 * 10。 8N，如图 2.4 所示。 理论上，毛坯的初始响应可以分为 10,000 个阶段，如上所述，但考虑到实际情况，首先，现有设备的容量是有限的，不可能供应高达 XNUMX 千吨。 打击力; 同样，在之前的模拟中，模具是刚性和简化的，因此在实际生产中模具变形是不可避免的。 鉴于如此大的打击力，也可能出现裂纹。 因此，XNUMX 阶段几乎是不可能的。 这样，实际的坯料成型过程只有 XNUMX 个阶段。
此时，观察图 2.3 （f）、（g），发现此时获得的锻件存在 XNUMX 个主要问题。 XNUMX 是锻件中心因弯曲和折叠而不稳定。 其次，下缘没有完成阵型。 折叠是氧化表面上的金属一起形成的收敛。 这将减少零件的承载面积。 在这里，应力集中通常是疲劳的原因，尤其是弯曲，并且垂直于损伤方向的力更为严重。 考虑到法兰的恶劣使用环境，有必要消除成型过程中的折叠现象。 为了达到这个目的，准备通过增加模具圆角的半径来改善弯曲现象。 底部填充主要关注毛坯与模腔之间的摩擦。 通过提高摩擦系数来调整它。
图 2.5 显示模具圆角半径已更改为 R = 20mm、30mm、40mm。 不要改变其他模具尺寸，但要观察成型状态。 图 2. .6 通过改变模具拐角处的 R 半径，显示了毛坯在弯曲前的成型状态。
图 2.5 瞬态锻造中使用的模具
图 2.6 不同轮次模具的变形过程
您可以看到，即使更改了模具圆的半径 R，弯曲仍然发生，并且在弯曲发生之前无法填充坯料。 这种改善并不明显。
图 2.7 不同摩擦系数的坯底填充过程 如表 2.1 所示，即使行程相同，进入模腔小端的坯料长度也会随着摩擦系数的降低而逐渐增加。
这表明坯料和模具之间的摩擦对锻件末端的形成有重要影响。 因此，为了在成型过程中顺利进行填充，必须采取措施尽可能减少毛坯与模具之间的摩擦。
表 2.1 相同行程条件下坯料端部填充长度和摩擦系数的变化
摩擦系数 f | 锻件端部填充长度 （mm） |
0.5 | 45 |
0.4 | 50 |
0.3 | 55 |
0.25 | 58 |
0.08 | 80 |
0.01 | 83 |
然而，研究还发现，随着摩擦系数的降低，即使在相同的行程下，坯料断裂的趋势也会增加。 当比较图 2.7 中的 （a） 和 （f） 时，这种现象更为明显。 这表明一定的摩擦系数有助于减少钢坯成型过程中断裂的趋势。 因此，从做好填充物和防止破损的角度来看，有必要将摩擦系数控制在一定范围内。 热锻润滑条件的推荐系数 0.3 可用于实现更好的填充平衡并防止破损。 这里的问题是，较大的摩擦系数有助于控制弯曲，但所需的力超过了现有设备的容量，使其难以填充，并且无法形成。 如果摩擦系数小，则易于填充，并且可以成型，但难以避免断裂，不能满足使用要求。 原型已停产，因为缺陷更明显，设备的要求超出了现有设备的能力。 经过综合考虑，我们决定放弃初锻和终锻工艺，采用预锻工艺+终锻工艺的二次成型。
图 2.8 所示的模具被加载到初级成型创建的有限元模型的几何模型中，并替换了原始模具，坯料几何模型和整个物理模型的各种参数保持不变。
初始坯料是处于打开状态的圆柱棒，如图 2.9（a） 所示。 在预锻过程中，坯料的下端总是受到预锻模的作用，其中开口收缩，并且总是发生挤压变形。 此时，毛坯与模腔壁面的相对运动中发生摩擦，但毛坯由于向下的力而产生的垂直方向大于摩擦力。 因此，如图 2.9（b） 所示，坯料最初主要沿轴向运动移动，填充了大部分型腔。 然而，随着模具开口变窄，坯料与型腔壁之间的接触面积增加，坯料沿轴向移动变得越来越困难。 当轴向运动受到抑制时，坯料的顶部开始沿径向变形，如图 2.9（c） 所示。 预锻结束时的形状如图 2.9（d） 所示。 为了验证模拟结果的有效性，在有限元法模拟中根据坯料和预锻模的尺寸进行实际检查，实际成型过程如图 2.10（a）-（如图 2.10 所示）。 d)。 结果锻件的最终形状 [图 2.10（d）] 与模拟结果一致。
图 2.8 预锻模具图
图 2.9 预锻模拟的变形过程
图 2.10 预锻的实际过程
预锻后，所得坯料被装入最终的锻造模具中，如图 2.11（a） 所示。 从图 2.12 中可以看出，锻造过程中的最终载荷变化可以分为 2.11 个阶段：OA、AB 和 BC。 当坯料的下边缘与模腔接触时，坯料与模腔壁之间会有相对的运动和摩擦，但坯料会受到比摩擦更大的垂直力。 因此，坯料首先垂直移动并继续填充模具型腔的下边缘。 随着模具下端毛坯与型腔接触面积的增加，对向下运动的阻力也增加，毛坯的垂直运动逐渐受到抑制，毛坯与模具之间的台阶面更大。 如图 2.12（b） 所示，当空腔开始接触时，下一个坯料发生安装变形，主要沿径向运动，并且随着坯料变形量的增加，施加的力也相应逐渐增加。 转到图 2.12AB 部分。 2.11AB。 如图 2.12（c） 所示，当毛坯填充大部分型腔并开始接触模具型腔的上边缘时，如果毛坯继续变形，此时所需的力会急剧增加。 如图 2.11BC 所示，该阶段施加的力主要使坯料的上部变形，并填充模具型腔的上边缘。 毛坯的下边缘在垂直方向上几乎没有变形，因此毛坯的下边缘将无法填充模具型腔。 如图 2.13（d） 所示，坯料的下边缘没有填充模具型腔。 成型过程如图 2.13 （a） ~ （d） 所示。 如图 825（d） 所示，在实际生产中，由于设备施加的力有限，坯料下端的缺陷更加明显。 预锻和终锻的生产与模拟分析几乎一致，这证实了内部 Incoloy XNUMX 材料的可靠性。
图 2.11 终锻变形过程
图 2.12 XNUMX 锻中终锻的载荷-阶跃曲线
图 2.13 最终锻造的实际过程
基于上述模拟和实验，发现第一次成型中出现的弯曲缺陷可以通过两种成型来避免，一种用于预锻，另一种用于主锻。 然而，锻造必须填补这种情况，尤其是当难以形成坯料底部时。 坯料成型的下边缘发生在变形的最后阶段，此时大部分坯料被成型。 模具型腔壁的接触面积非常大，这使得坯料挤压的下边缘很难变形。 同时，所需的力也显着增加。 考虑到毛坯下端位于变形后期时难以变形的缺点，我们决定改变思路，先对毛坯的下边缘进行成型。 因此，最终锻造前的坯料形状如图 2.14（a） 所示。
在改进的终锻过程中，坯料的变形可分为 2.15 个阶段。 首先，坯料的底边是固定成型的，颈部（包括坯料的底边）是完全成型的。 这个过程对应于 loadstep 曲线图 2.15 中的 OA 段。 当坯料的台阶表面与模腔接触时，图 2.15 中从 A 点到 B 点的负载负载增加，因为一开始接触面积很大。 随后，坯料的上部发生安装变形，并在模腔的台阶面上径向流动（对应于图 2.14 中的 BC 截面）。 当坯料的径向流动到达模腔的上边缘时，径向流动受到模腔内壁的限制，导致图 2.15（c） 中填充区 III 上的负载迅速增加。 对应于图 25 中的段落 CD。 当上模的下表面和下模的上表面与变形端接触时，坯料被填充到全型腔中。 同时，为了观察最终锻造的等效应变，其零件的变形程度达到 86% 以上，符合要求。 同时，成型的最大负载也降低到原始程序的 XNUMX%。
图 2.14 新最终锻件的有效应变图
2.15 新最终锻件的载荷阶段曲线
通过设计最终锻造坯料的形状，可以平滑地塑造难以成型的坯料下端。 同时，锻件各部分的变形均大于规定的临界变形，符合要求。 下一个任务是考虑如何获得图 2.14（a） 所示的最终锻造坯料。
对原始预锻方案的分析表明，通过图2.8所示的预锻模具不可能获得直径小于最终锻造件下径的最终锻造坯料，因为预锻坯的形状是所有地方截面相同的圆棒（见图2.14（a））。 钢坯底部变形困难，每次变形量是有限的，因此建议将底部变形分为几个步骤，使钢坯下部在初步锻造前变形到一定程度。 为此，请尝试将预锻坯料从圆柱形棒更改为具有圆柱形末端和圆桌的棒，如图 2.16 所示。 设计预锻造模具以适应最终锻造坯料的尺寸和形状，如图 2.17 所示。 成型过程如图 2.18 所示。
图 2.16 预锻坯
图 2.17 新型预锻模具
图 2.18 新预锻模拟的变形过程
图 2.19 新预锻的载荷-阶跃曲线
对改进的预锻造工艺的网格图（图 2.18）和载荷步长曲线（图 2.19）的分析表明，预锻造工艺与原来的预锻造工艺非常相似。 在压制过程中，坯料的下边缘继续受到来自模腔内壁的摩擦。 尽管如此，设备在初始阶段提供的垂直力仍大于垂直摩擦力。 此摩擦力大于垂直摩擦力。 由于垂直作用的摩擦力，毛坯在此阶段垂直移动，毛坯的变形主要发生在与模腔接触的零件处，如图 2.18（b） 所示。 对应于图 4.19 中的 OA 阶段。 随着变形的进行，对坯料向下运动的阻力也随之增加。 除了与模腔内壁接触的零件发生变形外，该区域中间的模腔接触部分下边缘附近的毛坯也开始变形，如图所示。 在这个阶段，毛坯不仅继续沿轴向移动，而且还在模腔台阶中同时移动，如图 2.18（d） II 区域所示。 流向。 对应于图 2.18 中的 AB 期。 随着毛坯与型腔之间接触面积的增加，型腔下边缘的尺寸逐渐减小，毛坯的垂直运动逐渐受到抑制。 如图 2.19（d） 所示，毛坯与型腔内壁之间的垂直摩擦力变为接近器件提供的外力的摩擦力，毛坯消失。 它沿垂直方向运动，但主要沿径向腔台阶流动，毛坯主要发生变形。 坯料的主要变形区也从坯料的下边缘移动到上边缘。 如图 2.18（e） 所示，坯料经过加工。 此时，如图 2.18（f） 所示，坯料的上边缘在外力的作用下继续固定和变形，上模的下表面与下模的上表面接触。 图 2.18BC. 当测量获得的锻件时，下端直径在 70 毫米左右，已经小于最终锻造模具的下端直径 100 毫米。
然后，如图 2.1（a） 所示，将第一次锻造后的锻造放入最终锻造模具（图 2.20）中，作为主锻造和成型的毛坯继续进行。
图 2.20 最终锻造的有效
应变图 2.21 利用终极方法计算的最终锻造的载荷-阶跃曲线
观察形成改进的最终锻造的过程。 整个法兰部分可以全部成型，锻件各处变形比较均匀，不小于25%，符合要求。 这表明，预锻坯和预锻模的改进方案是可行的。 随后的制造实验（如图 2.22 所示）证实了这一点，并最终产生了满足法兰锻造要求的完整填充，如图 2.22（h） 所示。
图 2.22 法兰制造工艺
改进方案设计的预锻坯、预锻模具和主锻模具的形状分别如图 2.23、图 2.24 和图 2.25 所示。 表 2.2、表 2.3 和表 2.4 显示了由设计确定的法兰的坯料尺寸、法兰成型件基本尺寸的预锻模和主锻模。
图 2.23 预锻坯
表 2.2 预锻前所有坯料的尺寸
大小 | D1 （毫米） | D2 （毫米） | H （mm） 和 | H （mm） 和 |
型 | ||||
1 | 150 | 70 | 110 | 275 |
2 | 200 | 91 | 110 | 350 |
3 | 200 | 132 | 270 | 428 |
图 2.24 预锻模具图表
表 2.3 预锻模具成型件的基本尺寸
大小 | D1（毫米） | D2（毫米） | D3（毫米） | h（毫米） | 高（MM） | R（毫米） |
型 | ||||||
1 | 216 | 105 | 50 | 96.7 | 205 | 5 |
2 | 303.6 | 125.6 | 67.4 | 109 | 242.2 | 5 |
3 | 322 | 180 | 84 | 171 | 392 | 15 |
图 2.25 最终锻造模具图表
表 2.4 最终锻造模具成型部分的基本尺寸
大小 | D1（毫米） | D2（毫米） | D3（毫米） | h1（毫米） | h2(毫米) | 高（mm) | R（毫米) |
型 | |||||||
1 | 245 | 105 | 70.3 | 68.7 | 17 | 144.9 | 10 |
2 | 315 | 141 | 100 | 86 | 20 | 188 | 10 |
3 | 365.6 | 172 | 124.3 | 108 | 24 | 211.6 | 15 |
如果这种法兰的最终锻造成型只做 XNUMX 次，就会有 XNUMX 个主要问题。 XNUMX 是底部填充，另外 XNUMX 是折叠。 未填充的法兰会受到摩擦。 改善润滑条件可以显著改善填充。 但是，如果摩擦力太小，它就会断裂，并且可以提高多少润滑性是有限的。 因此，仅通过一个最终锻造是不可能形成的。 法兰类型。
这种类型的法兰改为预缎+终锻的二次成型，第二阶段的毛坯主要沿径向流动，减少轴向运动，避免了断裂的发生，但法兰端部的挤压在变形的最后阶段难以填补，因此为了方便成型法兰，局部伸长+预锻+最终的锻造和成型程序仍然没有得到充分的填充。 采用部分伸长+预锻+主锻成型法后，将难以成型的法兰端分为几个成型步骤，首先在最终锻造中对法兰端进行安装成型，以完成填充。 实际生产造就了高质量的锻件。 最后，根据提出的部分伸长率+预锻+终锻方案，给出了所有XNUMX个毛坯、预锻模具和终锻模具的尺寸。 法兰的类型。
在本文中，我们研究了 Incoloy 825 镍基合金法兰。 首先，我们确定了耐腐蚀合金的材料，分析了锻造和成型过程中存在的主要问题，并使用 3D 建模软件 Pro/E 和有限元仿真软件 DEFORM 进行了 3D 实体建模。 它用于执行各种场景的分析。 同时，我们也与真实的东西进行了比较。 最后，我们得到了一个通过的产品。 主要结论如下。 主要结论如下：
1、对于这种类型的法兰，当最终锻造成型只做 XNUMX 次时出现的主要问题是底部填充和弯曲，这受摩擦系数的影响。 当摩擦系数降低时，填充性大大提高，但折叠速度也更快，并且不能在单个最终锻造中形成。
2、通过使用预锻+主锻二次成型，坯料在终锻前可以发生一定程度的变形，从而在终锻中生产坯料，可以避免折叠现象，但由于端部的锻造，成型后会出现夹具上端的成型，金属流的锻造难以精加工，填充光洁度不足。
3、采用锻造，形成部分伸长+预锻+主锻的方案，将难以填充的锻造端部变形分为几个阶段，改善预锻模具的形状。 与此同时，在最终锻造阶段要挤压的锻件末端首先安装并成型，以实现整个锻造的顺利成型。 锻件的变形在所有地方都会更加均匀，超过 25%。 对实际锻件的生产及其匹配结果进行模拟分析。
4. Incoloy 825 镍基耐腐蚀合金法兰锻造成型方案：局部伸长 + 预锻 + 终锻。 根据该程序，我们为每种坯料尺寸设计所有法兰、预锻模具和最终锻造模具。 您可以确定成型件的尺寸，并最终获得符合您要求的产品。
5、有限元数值模拟减少了测试次数，节省了与产品原型制作相关的成本，对实际生产有很好的指导作用。
