肖貴乾 張焱城 周杰 彭世鑫 張建生

(1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)模具智能制造重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶杰品科技股份有限公司，重慶 401329)

由于大型熱鍛模的工作環(huán)境惡劣，其不同區(qū)域的工況和失效模式差異較大[1]。采用單一均質(zhì)材料制造的大型模具，其各區(qū)域很難達(dá)到等壽命，大大降低了模具的整體壽命[2]。此外，大型熱鍛模具具有尺寸大、容易局部失效的特點(diǎn)；因而，失效大型熱鍛模具的再制造修復(fù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。當(dāng)前，提升模具壽命常見(jiàn)的做法是運(yùn)用表面處理技術(shù)來(lái)改善鍛模表面的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性[4-5]。但是表面處理方法適用于中小型鍛模，而應(yīng)用于大型鍛模上效果極差，因?yàn)橥繉踊蛘吒男詫犹?，在模壓時(shí)的高溫重載下易出現(xiàn)脫落[6]。近年來(lái)，由于電弧熔絲增材再制造涂層或者改性層太薄，在模壓時(shí)的高溫重載下易出現(xiàn)脫落[6]。近年來(lái)，由于電弧熔絲增材再制造修復(fù)技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、柔性大、精度高、周期短等特點(diǎn)[7]，被逐漸應(yīng)用于中小型熱鍛模具的再制造修復(fù)，在顯著降低制造成本的同時(shí)，大幅提高鍛模具的壽命[8]。國(guó)外以Cranfield大學(xué)、Wollongong大學(xué)等為代表的一批國(guó)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)電弧增材自動(dòng)化控制、成形件力學(xué)性能、殘余應(yīng)力及變形控制、復(fù)雜形狀構(gòu)件成形路徑規(guī)劃和工業(yè)化應(yīng)用等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究[9-10]。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)[11-14]、華中科技大學(xué)[15-17]、武漢理工大學(xué)[18-19]等科研機(jī)構(gòu)也相繼開(kāi)展了電弧熔絲增材制造技術(shù)的研究工作，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的原型設(shè)備，并逐漸應(yīng)用于大中型熱鍛模的再制造修復(fù)之中。

目前，針對(duì)大型熱鍛模的自動(dòng)電弧熔絲再制造修復(fù)研究還相對(duì)缺乏。由于大型鍛模尺寸大、成本高、制造周期長(zhǎng)、服役工況惡劣等特點(diǎn)，迫切需要發(fā)展高效率、低成本、長(zhǎng)壽命、高性能的基于鍛鋼基體的電弧熔絲梯度增材再制造新方法，解決我國(guó)重大工程裝備模鍛壓機(jī)的使用瓶頸問(wèn)題，為航空、核電、石化等領(lǐng)域高端裝備的自主創(chuàng)新發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐。

1 梯度結(jié)構(gòu)分層設(shè)計(jì)

對(duì)于大型熱鍛模具而言，在服役過(guò)程中，模具各個(gè)區(qū)域的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有顯著的差異。因此，需要根據(jù)模具服役工況的精確仿真結(jié)果在不同區(qū)域使用不同強(qiáng)度的材料，進(jìn)而在實(shí)現(xiàn)降低成本的同時(shí)提升模具的服役壽命。以某大型高強(qiáng)鋼飛機(jī)起落架鍛模為例研究自動(dòng)電弧熔絲增材再制造修復(fù)工藝。

1.1 數(shù)值仿真模型

如圖1所示為某大型高強(qiáng)鋼起落架鍛造有限元模型，所用模具的外形尺寸達(dá)到2700 mm×1200 mm×800 mm。該鍛件的鍛造工序?yàn)椋合铝稀訜帷D(zhuǎn)運(yùn)→擺料→鍛造階段→保壓→鍛件。結(jié)合起落架鍛造實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程確定待鍛階段用時(shí)約為200 s。如表1所示，根據(jù)實(shí)際工藝和大量數(shù)值仿真經(jīng)驗(yàn)，在Forge中設(shè)置相應(yīng)的數(shù)值模擬參數(shù)如下：坯料溫度1050℃、模具溫度350℃、壓機(jī)下壓速度為480 mm/min、坯料單元數(shù)目為150 000、上下模具單元數(shù)目為25 000、選用混合摩擦模型、傳熱系數(shù)為20 kW/(m2K)、熱輻射系數(shù)為0.3、坯料的材料為A100高強(qiáng)鋼、模具材料為5CrNiMo。

表1 有限元模擬參數(shù)

圖1 某大型飛機(jī)起落架鍛造有限元模型

1.2 仿真結(jié)果

由圖2(a)可知，在鍛造結(jié)束時(shí)，模具溫度在700℃以上的高溫區(qū)主要分布于型腔邊緣處。其原因在于壓機(jī)的壓下速度低，高溫坯料與模具的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致模具這些區(qū)域溫升較大。此外，壓力較大的區(qū)域與坯料的傳熱也相對(duì)較快。由于模具的高溫區(qū)域所占面積較大，因此模具材料在鍛造過(guò)程中容易軟化，在高壓下容易發(fā)生壓塌變形失效。如圖2(b)可知，模具在頭部中間型腔區(qū)域受到較大的壓應(yīng)力，在桿部中心區(qū)域受到較大的拉應(yīng)力，受到拉應(yīng)力的區(qū)域處于高溫狀態(tài)，因此需要重點(diǎn)考慮材料在拉應(yīng)力的作用下形成裂紋。

(a)溫度場(chǎng)分布 (b)第一主應(yīng)力場(chǎng)分布

如圖3所示，模具在深度方向的溫度變化較大，高溫區(qū)域主要集中于距離表層5 mm以?xún)?nèi)的區(qū)域，更深區(qū)域的溫度在650℃以下，等效應(yīng)力在5 mm以?xún)?nèi)時(shí)下降較快，隨后下降比較緩慢。這說(shuō)明，在厚度方向上模具的高溫、高壓分布區(qū)域主要集中于表層。因此，表層應(yīng)當(dāng)選用具有高溫紅硬性的材料，如鈷基、鎳基材料。考慮到成本和效率，將失效模具分為三層結(jié)構(gòu)，即5CrNiMo基體、過(guò)度層(失效去除區(qū)域)、表面強(qiáng)化層(模具表面下層厚度約5 mm)。

圖3 A點(diǎn)沿著深度方向的場(chǎng)變量值

2 材料設(shè)計(jì)

2.1 材料設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)，Co、Cr元素可以提高材料的耐高溫性能(紅硬性)，C元素可與V、Cr、Mn等元素形成碳化物進(jìn)而提高材料的硬度和強(qiáng)度，Ni元素可以形成固溶強(qiáng)化。因此經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到了如表2所示的各層材料化學(xué)成分。

表2 各層材料的化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%)

強(qiáng)化層為Co基材料，過(guò)渡層為鐵基材料，基體為普通5CrNiMo材料。過(guò)渡層能夠融合基體和強(qiáng)化層材料形成良好的融合界面，并能提供較大的支撐能力。

2.2 微觀組織

本節(jié)將分析和討論三層的材料設(shè)計(jì)。其中過(guò)渡層和表面強(qiáng)化層材料為自主研發(fā)的鐵基和鈷基材料。如圖4(a)所示，5CrNiMo基體材料的顯微組織為網(wǎng)狀分布的先共析鐵素體和分散于其中的黑色珠光體組織，先析出鐵素體呈網(wǎng)狀分布使基體材料強(qiáng)度偏低。因此如全部采用5CrNiMo作為鍛?；w材料，不能滿(mǎn)足大型超高強(qiáng)度鋼成形用鍛模的使用性能。

如圖4(b)所示，過(guò)渡層材料的組織主要由灰白色殘余奧氏體+黑灰色板條狀馬氏體+彌散分布其中的細(xì)小硬質(zhì)相WC等組成。由于馬氏體本身具有較高的位錯(cuò)密度，可以有效阻止晶?；?，因此板條狀馬氏體的強(qiáng)度較高而且韌性較好。殘余奧氏體在回火后會(huì)分解出下貝式體，對(duì)焊材的綜合力學(xué)性能改善起到有益作用。彌散分布在以上兩相中的硬質(zhì)相得到支撐后，可以加強(qiáng)與基體的結(jié)合能力。

如圖4(c)所示，表面強(qiáng)化層材料是以Co為基本成分，加入Cr、W、Ni、C等元素形成的高溫合金焊材。鈷基高溫合金較鐵基高溫合金具有更為優(yōu)異的高溫性能，依靠彌散的碳化物強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化機(jī)制，鈷基合金熔點(diǎn)顯著提高，斷裂曲線(xiàn)也變得更為平緩，因此鈷基合金在高溫下仍然具有良好的承載能力。

(a)5CrNiMo (b)過(guò)渡層 (c)強(qiáng)化層

2.3 力學(xué)性能

如表3所示，在室溫下三種材料中過(guò)渡層的強(qiáng)度最高、硬度最大、塑性最差，強(qiáng)化層材料在室溫下的塑性和強(qiáng)度都略高于基體材料(5CrNiMo)，在650℃高溫下，強(qiáng)化層材料的強(qiáng)度最高，并且顯著高于過(guò)渡層材料和基體材料。

表3 三種材料的常規(guī)力學(xué)性能

這種分層材料的設(shè)計(jì)，能夠保證模具在服役時(shí)候表面強(qiáng)化層在高溫下能夠抵抗磨損和塑性變形，而過(guò)渡層溫度較低又能提供強(qiáng)有力的強(qiáng)度支撐。

3 應(yīng)用案例

3.1 應(yīng)用裝備

如圖5所示，大型熱鍛模自動(dòng)電弧熔絲增材制造修復(fù)裝備包含焊接裝置、錘擊裝置等部件，主要由立柱、X/Y/Z向橫梁及傳動(dòng)部件等部分構(gòu)成。其中立柱采用45號(hào)結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)，其上下兩端面焊接有連接板及加強(qiáng)筋，為運(yùn)動(dòng)的主體部件提供支撐。X向、Y向橫梁同樣采用結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)，X、Z向動(dòng)力傳動(dòng)采取滾珠絲桿配合直線(xiàn)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，Y向動(dòng)力傳動(dòng)采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，焊接系統(tǒng)與錘擊系統(tǒng)共Y向。其中焊接系統(tǒng)三軸代號(hào)為X、Y、Z軸，錘擊系統(tǒng)則為U、V、W軸。

圖5 大型焊鍛復(fù)合增材制造修復(fù)裝備

設(shè)備的上位機(jī)通過(guò)解析G代碼，控制各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，G代碼由自主研發(fā)的工藝即路徑規(guī)劃軟件自動(dòng)生成。除了硬件裝備外，還開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的工藝及路徑規(guī)劃軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)給定目標(biāo)三維模型的分層切片、填充路徑生成、工藝參數(shù)規(guī)劃等功能。

3.2 應(yīng)用案例

大型熱鍛模的電弧熔絲增材再制造的流程為：數(shù)值仿真→模具梯度分層及材料設(shè)計(jì)→失效模具碳刨處理→3D掃描→模型重構(gòu)→焊接軌跡規(guī)劃→焊前預(yù)熱→自動(dòng)增材(如圖6所示)→焊后熱處理→機(jī)械加工→打磨→模具檢驗(yàn)。使用大型焊鍛復(fù)合增材制造裝備及設(shè)計(jì)的材料進(jìn)行修復(fù)試制，兩個(gè)典型的大型航空熱鍛模自動(dòng)電弧熔絲增材制造修復(fù)產(chǎn)品如圖7所示。

圖6 大型熱鍛模自動(dòng)電弧熔絲增材制造修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

(a)某鈦合金一梁超大鍛模 (b)某超高強(qiáng)度鋼起落架超大鍛模

如圖7所示，修復(fù)過(guò)程中失效模具被放置于一個(gè)加熱保溫平臺(tái)上，保持模具的溫度在450～550℃之間。將模具基體保持在該溫度區(qū)間，可以防止因模具溫度過(guò)低增材材料與模具基體溫差過(guò)大而產(chǎn)生收縮裂紋。

對(duì)某鈦合金一梁大型鍛模、超高強(qiáng)度鋼起落架大型鍛模進(jìn)行了再制造修復(fù)驗(yàn)證，二套驗(yàn)證模具經(jīng)多批次生產(chǎn)的考核驗(yàn)證，模具的型腔尺寸及硬度均滿(mǎn)足圖紙及模具使用要求，比傳統(tǒng)方法制造的模具壽命提高了數(shù)倍，再制造鍛模未出現(xiàn)裂紋，塑性變形等缺陷，表面層保持良好，變形量較原5CrNiMo模具小得多。，如圖8所示。

(a)某大飛機(jī)一粱模具 (b)某大飛機(jī)起落架模具

4 結(jié)論

(1)對(duì)某大型航空熱鍛模進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析發(fā)現(xiàn)熱鍛模在服役過(guò)程中，高溫區(qū)域主要位于模具表層的5 mm以?xún)?nèi)。此外，對(duì)航空熱鍛模進(jìn)行了分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括5CrNiMo基體、過(guò)渡層和強(qiáng)化層，其中過(guò)渡層提供強(qiáng)度支撐，強(qiáng)化層能夠保證模具在服役時(shí)表層在高溫狀態(tài)下具有較大的強(qiáng)度和較高的耐磨性。

(2)為過(guò)渡層和強(qiáng)化層分別設(shè)計(jì)了鐵基和鈷基材料。在室溫下過(guò)渡層材料的強(qiáng)度最高、硬度最大、塑性最差，強(qiáng)化層材料在室溫下的塑性和強(qiáng)度都略高于基體材料(5CrNiMo)。在650℃高溫下，強(qiáng)化層材料的強(qiáng)度最高，并且顯著高于過(guò)渡層材料和基體材料。

(3)對(duì)某鈦合金一梁大型鍛模、超高強(qiáng)度鋼起落架大型鍛模進(jìn)行了再制造修復(fù)驗(yàn)證，二套驗(yàn)證模具經(jīng)多批次生產(chǎn)的考核驗(yàn)證，模具的型腔尺寸及硬度均滿(mǎn)足圖紙及模具使用要求，比傳統(tǒng)方法制造的模具壽命提高了數(shù)倍，再制造鍛模未出現(xiàn)裂紋、塑性變形等缺陷，表面層保持良好，變形量較原5CrNiMo模具小得多。