激光模具表面抗裂仿生單元體模型

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324）

在航空制造過程中，60%的零部件都要依靠模具加工和檢驗(yàn)，因此對航空模具提出的高精度、高可靠性、高復(fù)雜性的要求，從而保障航空零組件的性能。但是此類模具制作成本高昂、維護(hù)困難，使用耐久度亟待提高。單純依靠模具選材和傳統(tǒng)表面工程方法提高模具耐磨性，容易造成成本升高但效果有限的情況。

隨著生產(chǎn)的需要和人類長期的仿生學(xué)習(xí)，從 20世紀(jì)中期開始，工程師和科研人員已經(jīng)認(rèn)識到仿生物是開辟新技術(shù)的主要途徑之一，通過對生物學(xué)與傳統(tǒng)科學(xué)、納米技術(shù)、激光進(jìn)行深度的關(guān)聯(lián)性研究，取得了理論、試驗(yàn)和應(yīng)用方面的眾多成果[1—2]。目前通過激光技術(shù)手段，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在模具表面形成類生物微觀構(gòu)造的單體，從而獲得所需要的耐磨、耐腐蝕性能，并且已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[3—7]。國內(nèi)研究人員已經(jīng)系統(tǒng)研究了利用激光提高 H13鋼機(jī)械性能及熱疲勞性能的方法。有研究人員[8]研究了H13鋼激光熔凝仿生強(qiáng)化的熱疲勞性能。叢大龍等[9—10]研究了激光合金化及激光熔凝兩種處理方式下 H13鋼的熱疲勞抗性變化。孟超等[11]采用激光熔覆技術(shù)，在退火態(tài) H13鋼試樣表面得到非光滑表面，并對比了試樣的疲勞性能。叢大龍等[12]設(shè)計(jì)修復(fù)性的實(shí)驗(yàn)路線，采用激光填絲工藝，研究退火態(tài)下 H13鋼裂紋阻止方式。劉立君等提出利用激光仿生阻斷技術(shù)，降低模具表面龜裂[13—15]，仿生強(qiáng)化后，模具壽命大大提高。

文中從植物葉片抗開裂角度，建立熱作模具表面裂紋局部激光仿生抗開裂模型，并驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用可行性，為提高模具壽命提供一種新的方法。

1 植物葉片抗開裂可行性分析

常見的某灌木屬荊類樹葉見圖1。葉片主要包括葉肉、葉筋、葉脈，葉肉構(gòu)成葉片的主要部分，可以起到承載養(yǎng)分的職責(zé)，葉筋和葉脈形成放射形網(wǎng)絡(luò)，分布在葉肉之中形成整體，賦予葉片展向和縱向的強(qiáng)度，如果葉片開裂時(shí)遇到葉脈和葉筋，開裂方向會(huì)停止或改變方向。由此可知，維持最終使用強(qiáng)度時(shí)，并不需要將所有位置全部做到同樣強(qiáng)度，通過科學(xué)排布加強(qiáng)位置和加強(qiáng)方式，極有可能在實(shí)現(xiàn)最終的使用性能、在增加壽命的同時(shí)，控制成本增加。

圖1 某灌木屬荊類葉片開裂Fig.1 Plant leaves resisting crack

擬參考植物葉片的開裂和止裂原理，通過對特定模具使用過程的受力、受熱分析，選用合理的加強(qiáng)相材料，通過激光熔凝的方法，將加強(qiáng)相材料注入到模具表面的特定區(qū)域，從而達(dá)到延長模具壽命的目的。基本實(shí)現(xiàn)方法為的示意圖見圖2。通過控制激光熔凝注入的類葉脈加強(qiáng)相的厚度和長度，配合以激光參數(shù)、加熱和冷卻方式控制，調(diào)控裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力和裂紋擴(kuò)展的阻力，并結(jié)合基體材料的特性和模具構(gòu)型特點(diǎn)，將可預(yù)測的裂紋擴(kuò)展方向作為葉脈的關(guān)鍵制作區(qū)域，并通過葉脈構(gòu)型，將裂紋在葉脈終止，見圖2。如圖2a所示，當(dāng)葉脈增強(qiáng)體激光熔凝厚度適中、長度合適時(shí)，由于熱量的消耗、應(yīng)力的釋放與分布，裂紋繼續(xù)擴(kuò)大的阻力將大大超出裂紋發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力，且在葉脈處可以實(shí)現(xiàn)終止。但是，當(dāng)葉脈增強(qiáng)體的注入深度和長度較小時(shí)，裂紋的發(fā)展和停止的過程和機(jī)理將大大改變，即雖然葉脈處能夠起到一定的裂紋阻止作用，但是在葉脈增強(qiáng)體的對面方向上會(huì)出現(xiàn)新的裂紋，見圖2b，出現(xiàn)此種狀態(tài)時(shí)，隨著模具使用循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋會(huì)出現(xiàn)不同的變化。當(dāng)裂紋走向正對葉脈中心，裂紋會(huì)沿著增強(qiáng)單元體逐漸擴(kuò)展，見圖2c。當(dāng)裂紋遠(yuǎn)離葉脈線時(shí)，裂紋會(huì)改變擴(kuò)展方向，但最終會(huì)回到循環(huán)方向上，見圖2d，無論如何，當(dāng)裂紋走向發(fā)生可控變化時(shí)，基于裂紋對模具壽命影響的變化，模具在裂紋產(chǎn)生后，使用壽命必然可以大大增加。

2 激光仿生單元體抗裂數(shù)學(xué)模型

高性能模具作業(yè)過程中，經(jīng)常面臨熱應(yīng)力、劇烈循環(huán)應(yīng)力的作用，即使使用抗回火性能好的基體材料，在熱應(yīng)力、鍛拉力、冷熱循環(huán)、摩擦的綜合作用下，疲勞裂紋的產(chǎn)生仍然是模具報(bào)廢的關(guān)鍵原因，因此通過激光技術(shù)在截面上制造仿生強(qiáng)化單元，影響（提高）其表面機(jī)械性能，是關(guān)鍵因素。

2.1 仿生單元體截面模型

基礎(chǔ)仿生單體的截面見圖3a。呈現(xiàn)出碗狀的形態(tài)。在建立激光熔凝數(shù)學(xué)模型時(shí)，首先從理想的單元體開始，即假設(shè)單元體外形尺寸的變化可以忽略，其增強(qiáng)單元體的外形模型可用式(1)表示。

假設(shè)有一疲勞裂紋因綜合作用應(yīng)力，沿模具受力方向發(fā)展，裂紋延伸至增強(qiáng)單元體時(shí)，熱裂紋的延伸方向?qū)l(fā)生偏離，一般情況下，因?yàn)樵鰪?qiáng)相的組織性能原因，裂紋將沿著單元體縱向擴(kuò)展，數(shù)學(xué)模型見式(2)。

最終建立基于激光熔凝增強(qiáng)體的裂紋阻斷數(shù)學(xué)模型可以簡化為圖3b的外形，其中h為單元增強(qiáng)體的深度，d為增強(qiáng)單元體的直徑?；谝延械慕Y(jié)論，可用偏折角[16]表示裂紋偏折的強(qiáng)度因子范圍：

圖3 激光熔凝體示意圖與模型Fig.3 Diagram and model of laser melting unit

式中：KIΔ為遠(yuǎn)場應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；為偏折長度比；Δkeff是偏折裂紋的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子；ac為偏折部分裂紋的長度；a0為原始裂紋長度；α為偏折角度。

經(jīng)激光處理的材料，將會(huì)存在激光沖擊強(qiáng)化區(qū)，不發(fā)生裂紋的情況下，在塑性變形區(qū)域?qū)⑿纬蓺堄鄩簯?yīng)力，此壓應(yīng)力可有效降低KΔ，從而提高材料在承受應(yīng)力時(shí)候的實(shí)際應(yīng)力值，從而減少裂紋發(fā)生的可能性，降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速度，提高材料的疲勞性能。當(dāng)Δkeff≤ΔΚth時(shí)，疲勞裂紋將停止。由此可以通過式(4)得到臨界偏折部分的最大裂紋長度amax：

由此計(jì)算方式，可以得出如下模擬推論：當(dāng)單元體的深度增加，如果單元體直徑不變，增強(qiáng)體橫截面的面積A會(huì)增大，從而使模具對熱裂紋產(chǎn)生抵抗作用，進(jìn)而加強(qiáng)模具的熱循環(huán)壽命。

2.2 增強(qiáng)單元體存在時(shí)疲勞壽命影響模擬

受力恒定時(shí)，通過建立疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋尺寸的關(guān)系式，然后通過積分方式，按照式(6)，估算試件的壽命。

當(dāng)m≠2：

當(dāng)m=2：

式中：Y為試樣尺度的特定系數(shù)；A,m分別為材料計(jì)算常數(shù)；σ為循環(huán)屈服強(qiáng)度，將式(4)代入式(9)和式(10)，即可求出循環(huán)疲勞壽命Nc，即試件壽命。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化

基于以上分析，采用激光熔凝的方法予以驗(yàn)證，激光加工參數(shù)對增強(qiáng)單元體強(qiáng)化模具表面影響十分關(guān)鍵，文中關(guān)鍵參數(shù)約定為激光工作電流參數(shù)、離焦量參數(shù)、激光頻率參數(shù)、激光掃描速度參數(shù)等。

試驗(yàn)中關(guān)鍵指向?yàn)榧す鈴?qiáng)化參數(shù)對單元體橫截面積的影響，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行影響因素初選，見表1，（以脈沖寬度P=8 ms恒量為基礎(chǔ)，各個(gè)因素間的相互影響暫不考慮）。在沒有明顯質(zhì)量缺陷的前提下，試驗(yàn)指標(biāo)為單元體橫截面的面積，試驗(yàn)水平的安排見表2。

試驗(yàn)結(jié)果見表2，分析方法如下：yjk為所對應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的綜合結(jié)果，是yjk的數(shù)學(xué)平均值，因此可以用的大小確定j因素的最佳參數(shù)，最優(yōu)激光參數(shù)可以選擇為所有因素最好水平的組合。Rj為第j因素的極差值，計(jì)算方法為：

式(9)是j因素參數(shù)變動(dòng)對試驗(yàn)結(jié)果影響大小的幅度。Rj的值越小，說明該因素的影響越小，也說明這個(gè)因素調(diào)整時(shí)對最終結(jié)果的影響越小，也就是可以用此極差判斷因素作用的主次。

表1 試驗(yàn)水平表Tab.1 Experimental levels

表2 試驗(yàn)參數(shù)表Tab.2 Experimental parameters

表3 分析結(jié)果Tab.3 Analysis result

由以上的分析結(jié)果可以得知，電流的大小、離焦量、激光掃描速度、頻率的變化均會(huì)對最終的試驗(yàn)結(jié)果（單元增強(qiáng)體面積）產(chǎn)生較大的影響，其中離焦量的影響最大，電流大小的影響第二，然后是激光掃描速度的影響、頻率的影響是最小的。其中各因素的變化規(guī)律如下： ①離焦量的影響。通過對圖4和表2進(jìn)行分析，離焦量參數(shù)的變化對激光熔凝單元體強(qiáng)化結(jié)果的影響最大，當(dāng)離焦量數(shù)據(jù)從4 mm增加到7 mm時(shí)，聚焦點(diǎn)到工件的距離隨之增加，工件的激光光斑逐漸增大，能量密度降低，單元體也就越小，可以知道，激光熔凝造成的熔池深度與之基本呈線性關(guān)系；② 電流的大小的影響。激光器輸出能量由電流直接決定，電流增加時(shí)，相當(dāng)于激光的輸出能量在單位時(shí)間內(nèi)提升，則工件在單位時(shí)間獲取的能量更多，增強(qiáng)體熔凝區(qū)的寬度和深度均也隨之增加，增強(qiáng)體隨之變大； ③激光掃描速度的影響。當(dāng)激光掃描速度減小，激光照射在工件表面的作用時(shí)間就增加，材料吸收的能量會(huì)增大，熔化更易，增強(qiáng)單元體的深度越大、面積越大； ④激光工作頻率的影響。激光工作頻率降低時(shí)，相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)傳送的能像降低，熔化更難，增強(qiáng)單元體的橫截面積明顯變小。

綜上可知，隨著離焦量的較小、激光掃描速度的較小、頻率的增加、電流的提升，增強(qiáng)單元體的尺寸均隨之出現(xiàn)明顯的提升規(guī)律。綜合來看，離焦量是單元體橫截面積的最顯著因素，但是離焦量、電流、掃描速度、頻率的影響主次并不是十分明顯。激光參數(shù)的最優(yōu)組合初定為激光掃描速度0.6 mm/s，離焦量+4 mm，電流179 A，頻率11 Hz。

4 模具表面仿生抗開裂單元體驗(yàn)證

激光熔凝抗開裂單元體試樣的剖面組織中熔凝區(qū)的掃描電子顯微組織(SEM)見圖5，激光熔凝處理后，熔池可以分為3個(gè)區(qū)域，表面是等軸晶區(qū)，中間是柱狀樹枝晶區(qū)，底部是胞狀晶區(qū)。激光熔凝過程中，熔凝區(qū)域內(nèi)熔池的凝固顯示為一個(gè)經(jīng)典的金屬凝固過程。即熔池中激光照射引起金屬熔化和基材散熱冷卻引發(fā)的凝固同時(shí)發(fā)生，冷卻凝固的熔池底部與激光加熱產(chǎn)生熔融的母材晶粒產(chǎn)生接觸，基于激光能量和基材材質(zhì)分布的隨機(jī)性，非均勻晶核在這個(gè)接觸面發(fā)生快速的成核作用，由此形成了結(jié)晶細(xì)致的組織現(xiàn)象。

圖4 激光參數(shù)對增強(qiáng)單元體影響Fig.4 Effects of laser parameters on units

圖5 熔凝區(qū)微觀組織Fig.5 Microstructure of laser melted zone

采用典型模具鋼試板進(jìn)行激光仿生強(qiáng)化單元體試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后通過剖面進(jìn)行金相組織檢測，結(jié)果見圖6，增強(qiáng)體由細(xì)小的馬氏體和少量殘余奧氏體組成。這是由于激光加熱的高效性，基材的熔融速度極快，急速熔化，隨后又因?yàn)榛膬?yōu)良的導(dǎo)熱性，熔融態(tài)又以極高速度進(jìn)行冷卻，這種過程使得基材中的奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)化過程，于是出現(xiàn)了表面的馬氏體化。此外，基體中還存在較多的碳化組織，未發(fā)生細(xì)化現(xiàn)象。當(dāng)激光能量增強(qiáng)時(shí)，熱作用深度增加，熱影響區(qū)也增加，于是出現(xiàn)了珠光體和馬氏體混合物組織模式，在熱影響區(qū)的熱影響作用下，熱影響區(qū)碳化物顆粒增加，經(jīng)過光學(xué)顯微鏡測試分析，母體晶粒大小約為 15～25 μm，單元體區(qū)晶粒大小約為 1～2 μm，單元體組織細(xì)化明顯。

根據(jù)模具工作狀況，在同樣材質(zhì)的模具易出現(xiàn)疲勞裂紋的位置進(jìn)行激光局部熔凝仿生抗開裂單元體，離焦量為+6.5 mm，脈寬為10 ms，掃描速度為0.6 mm/s，頻率為5 Hz，電流為179 A，保護(hù)氣體流量為15 L/min的氬氣，強(qiáng)化模具見圖7，局部放大見圖8。

圖6 激光仿生強(qiáng)化模具鋼優(yōu)化單元體微觀組織Fig.6 Optimization unit body microstructure mould steel by laser bionic strengthening

圖7 激光熔凝模具抗開裂單元體Fig.7 Manufacturing of laser melting bionic body

圖8 激光熔凝模具抗開裂單元體局部Fig.8 Localized detail of laser melting bionic body

激光熔凝仿生抗開裂單元體熱擠壓模具經(jīng)過原型試驗(yàn)驗(yàn)證可知，未經(jīng)過處理模具壽命在12 000模次左右，經(jīng)過激光熔凝抗開裂單元體處理的模具可達(dá)到19 000模次，提高模具使用壽命50%以上，熔凝抗開裂單元體起到良好阻斷作用，印證前面提出的激光熔凝葉脈裂紋阻滯機(jī)制模型，由此可以得知，通過分析模具特性，在模具易開裂區(qū)域提前進(jìn)行激光熔凝處理，對裂紋進(jìn)行導(dǎo)向處理和組織發(fā)展處理，可以大大提高模具的使用壽命。如推廣應(yīng)用，可以大大降低模具的報(bào)廢速度，帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

通過研究生物葉片中葉肉、葉筋在開裂中的不同作用，通過數(shù)學(xué)分析建模，形成仿生單元體抗裂模型，然后通過激光熔凝及相關(guān)參數(shù)的控制，獲取了多個(gè)系列單元體尺寸，并通過對比研究，得出了單元體深度增加、單元體截面面積增加、模具對熱裂紋的抵抗能力也會(huì)增強(qiáng)的結(jié)論，同時(shí)給出了激光仿生單元體抗裂壽命的估算方法。

同時(shí)，通過試驗(yàn)得出影響激光仿生單元體內(nèi)制備效果的因素主要通過激光能量產(chǎn)生作用，在最佳試驗(yàn)條件下，經(jīng)過激光熔凝仿生抗開裂單元體處理的熱作用模具使用壽命提高了50%以上，證明熔凝抗開裂單元體對熱疲勞裂紋的發(fā)展延伸起到了良好阻斷作用，印證了基于生物葉片的激光熔凝葉脈裂紋阻滯機(jī)制模型，由此說明模具局部表面裂紋激光仿生單元體抗開裂是可行的。

模具是航空制造中的關(guān)鍵組成元素，在整個(gè)產(chǎn)品制造中占據(jù)重大的生產(chǎn)成本，而因?yàn)楹娇债a(chǎn)品本身采用的高強(qiáng)材料，模具的消耗速度十分迅速，雖然驗(yàn)證了激光加工仿生強(qiáng)化單元體延長模具壽命的可行性，但是由于航空產(chǎn)品的特殊性和嚴(yán)格的制造管控，后續(xù)仍然需要針對產(chǎn)品、模具、生物原型進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)律摸索，并形成面向產(chǎn)品特征的制造工藝，才能夠大量的指導(dǎo)此類技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用。