淺析先進模具材料INVAR鋼制造相關技術

范喜祥 李玉楊 劉皓

摘要：復合材料成型模具的材料選擇是控制復合材料變形的關鍵，INVAR鋼熱膨脹系數(shù)接近于復合材料，將其作為復合材料構件的模具材料有利于避免復合材料成型期間的變形現(xiàn)象。本文主要探討先進模具材料INVAR鋼制造中焊接工藝、機械加工工藝、熱處理工藝等相關技術，以期為提高INVAR鋼模具質量提供理論參考。

關鍵詞：先進模具材料;INVAR鋼;制造

1.復合材料模具背景

復合材料因其所具有的高強度、低密度以及高模量等特點，成為當前飛機零件制造的重要結構材料，一定程度體現(xiàn)了飛機制造先進水平。伴隨復合材料廣泛應用于飛機承力結構中，先進復合材料的加熱加壓生產條件對模具材料特性提出更高要求。普通鋼模具是現(xiàn)階段使用較多的復合材料成型模具，具有耐用、成本低等優(yōu)勢。然而普通鋼模具與復合材料零件之間存在熱膨脹系數(shù)不一致的問題，造成復合材料零件尺寸偏差，影響工程進度。而復合材料模具熱膨脹系數(shù)較小，能夠彌補熱膨脹系數(shù)不一致的問題，但復合材料模具使用周期較短、使用過程中易損壞，并且由于復合材料成型工藝難度較大，不能實現(xiàn)所有模具結構形式。INVAR鋼優(yōu)勢在于膨脹系數(shù)較低，使用周期更長，便于維護管理，有利于進行批量生產，因此INVAR鋼逐步成為目前復合材料構件成型模具材料的首選。

2.國內外應用研究現(xiàn)狀

復合材料在各種民用飛機制造中得到廣泛應用，已成為當前多數(shù)飛機主要承力結構的重要組成部分，因此復合材料構建尺寸也在逐步增大。目前國外大部分復合材料構件成型模具材料選擇使用INVAR鋼。但現(xiàn)階段國內關于INVAR鋼作為復合材料成型模具材料的研究還相對較少。部分研究人員分析了在天線反射器制造中使用INVAR鋼作為主要材料，但直徑僅為05m，尺寸相對較小，尚未有更多相關深入報道[1]。這可能是因為目前國內航空領域復合材料構件尺寸不大，所以未迫切需要INVAR鋼作為主要材料。同時INVAR鋼材料模具制造成本相對較高，造成國內應用受到局限。未來隨著國內大飛機研發(fā)的逐步加深，對于大尺寸復合材料的需求將會進一步推動INVAR鋼的應用。

3.先進模具材料INVAR鋼制造相關技術

3.1 INVAR鋼焊接工藝

氣體保護焊工藝是INVAR鋼焊接中選擇較多的工藝形式，這是因為INVAR合金作為鎳基合金的一種，若使用液態(tài)焊縫會影響金屬流動性[2]。鋼焊縫金屬可以通過提高焊接電流起到改善焊縫金屬流動性的效果，但鎳基合金單純提高電流會起到相反作用。由于鎳基合金的特殊性質，所以焊接期間盡量選擇小電流。同時，需要盡量縮短焊接過程中的電弧，并且結合焊件厚度挑選符合的坡口形式及坡口角度。在焊接過程中需要準確把握層間溫度，避免金屬長時間受到溫度過熱的影響而出現(xiàn)晶粒粗大。對于焊接速度的確定，應根據(jù)板材厚度進行控制，焊接速度需要滿足良好的熔深、焊縫寬度，確保足夠的焊縫致密性。一旦焊接速度過快或者過慢都易導致焊縫發(fā)生氣孔。焊接電流的選擇也會對打底焊、蓋面焊的焊縫質量產生直接影響，所以在打底焊接過程中，需要結合焊接填充材料大小和焊接縫隙合理控制焊接速度，確保良好焊接質量。為了避免焊接過程中出現(xiàn)焊接裂紋，焊接前需要徹底清除焊件和焊絲上面附著的鉛、硫等物質，科學選擇裝焊順序，合理控制焊接熱輸入。預熱和后熱處理不能有效預防焊接裂紋，通常情況下不使用。鎳及鎳基合金相較于低碳鋼、低合金更容易出現(xiàn)氫氣孔、水蒸氣孔以及一氧化氮氣孔等。鎳基合金出現(xiàn)氫氣孔的原因主要在于，溫度較高狀態(tài)下，焊接熔池會產生大量氫，若焊接過程中焊件表面存在水、鐵銹、油漬等物質，會導致氫被溶解。一旦溫度降低氫溶解速度減慢，大量氫將被析出。另外由于熔池流速度較慢，鎳基合金固溶相溫度間距不大，熔池冷卻凝固結晶期間氫氣無法快速從熔池逸出，繼而產生氫氣孔。為避免這一情況，焊接前需要仔細清除焊件表面各種污物，減少氣孔的形成。

3.2 INVAR鋼機械加工工藝

INVAR鋼其中的鎳含量較高，極大程度增加了其可淬性和淬透性，提高INVAR鋼耐氣性和耐腐蝕性能。通過分析INVAR鋼成分及物理性能，可以得知和奧氏不銹鋼具有相似的切削加工性能，但其加工難度更大。INVAR鋼加工過程中通常切削溫度高、切削力度大，刀具更容易磨損，所以 INVAR鋼加工過程中易出現(xiàn)塑性現(xiàn)象，切削碎屑不容易折斷，切削碎屑和前刀面過多摩擦，會加速刀具損耗，導致刀具耐用性下降，影響加工準確度。因此INVAR鋼加工過程中，盡量選擇硬質合金刀頭，提高刀具性能。由于INVAR鋼相比其他碳鋼材料具有更高的硬度，因此機械加工過程中轉速需高于碳鋼，降低切削進給量。而對于INVAR鋼機械加工工藝的選擇，盡量采取大前角和大后角，選擇螺旋角較大的刀具?？偠灾?，INVAR鋼機械加工過程中，需合理選擇刀具，科學控制切削參數(shù)，保證INVAR鋼加工質量。

3.3 INVAR鋼熱處理工藝

INVAR鋼在進行機械加工前，需要進行熱處理，有利于改善材料內部結構。同時，由于機械加工會增加材料內部應力，呈不均勻分布狀態(tài)，通過對應力進行退火能夠得確保材料尺寸。因此，在INVAR鋼加工的不同階段需要進行一定熱處理，例如在INVAR鋼基本成型或者焊接后進行全面退火處理，可采取850℃空冷一小時;在粗精加工后進行應力退火，可采取315℃空冷兩小時。對于熱處理的具體溫度，可在實際加工過程中結合構件尺寸具體選擇。

4.結語

綜上所述，INVAR鋼因為與復合材料熱膨脹系數(shù)接近，將其作為復合材料成型模具材料能夠有效解決復合材料成型過程的變形問題，但需要注意的是，由于大型復合材料INVAR鋼模具加工尺寸和性能的局限性，盡量選擇氣體保護焊接工藝，采取小電流焊接方式。另外選擇合理的機械加工工藝和熱處理方法，以保證INVAR鋼模具質量。

參考文獻：

[1]劉紅兵， 宣揚， 楊瑾. Invar合金焊接技術研究現(xiàn)狀及展望[J]. 航空制造技術， 2020， 63（9）：69-74+88.

[2]徐意. 淺析增材制造技術在飛機模具制造中的應用[J]. 中國設備工程， 2019， （18）：125-126.

作者信息：第一作者 范喜祥 1988.07 男 陜西西安 漢 碩士研究生 高級工程師 研究方向：機械加工工程;第二作者 李玉楊 1980.05 男 陜西西安 漢 碩士研究生 高級工程師 研究方向：機械加工工程;第三作者 劉皓 1992.11 男 陜西西安 漢 碩士研究生 助理工程師 研究方向：材料加工工程