長(zhǎng)壽命低成本大型鍛模電弧增材制造與再制造研究進(jìn)展

周杰 彭潔 權(quán)國(guó)政 張建生 王秋韻 盧順 毛天宏 孫朝遠(yuǎn) 李蓬川

(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；3.中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川 德陽(yáng) 618000)

隨著航空、航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)大型整體化、復(fù)雜精密化、高強(qiáng)高韌化關(guān)鍵構(gòu)件的需求日益增加，對(duì)高質(zhì)量大型鍛模的需求也同步增加。然而我國(guó)巨型壓機(jī)(800 MN壓機(jī))于2012年才正式投產(chǎn)使用，航空用關(guān)鍵構(gòu)件(如J20、C919等)也是近年來(lái)才形成大批量生產(chǎn)需求，對(duì)大型鍛模制造與再制造方法的研究起步較晚，國(guó)外又對(duì)相關(guān)技術(shù)嚴(yán)加封鎖，報(bào)道極少。

為此，我國(guó)先期只能采用傳統(tǒng)的鍛模制造方法，模塊材料整體采用昂貴的模具鋼5CrNiMo或H13等，通過(guò)鋼錠→自由鍛→粗加工→熱處理→精加工等多工序長(zhǎng)流程制造，工藝過(guò)程復(fù)雜，制造難度大，制造成本高達(dá)數(shù)百萬(wàn)元/套[1-3]。同時(shí)往往由于模壓時(shí)間長(zhǎng)、高溫重載服役工況惡劣，大型鍛模模鍛幾十件就產(chǎn)生嚴(yán)重磨損及壓塌變形導(dǎo)致鍛模失效，如圖1(a)所示為某盤(pán)類件鍛模出現(xiàn)嚴(yán)重磨損及壓塌變形。圖1(b)所示為某飛機(jī)起落架模具在模鍛2件后橋部嚴(yán)重壓塌變形，變形量高達(dá)15～20 mm，造成模具壽命極低。極低壽命的大型鍛模將嚴(yán)重影響我國(guó)航空用大型模鍛件的開(kāi)發(fā)成本和質(zhì)量穩(wěn)定性，難以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。因此，尋求長(zhǎng)壽命低成本大型鍛模制造及再制造新方法迫在眉睫。

(a)嚴(yán)重磨損及變形的某盤(pán)類件失效鍛模

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在大型鍛模降本延壽方面開(kāi)展了大量研究，取得了重要研究成果。本文將介紹常見(jiàn)的鍛模降本延壽方法及其存在的問(wèn)題，闡述鍛模制造及再制造電弧增材梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，并從梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)、低成本基體材料及增材絲材、焊鍛復(fù)合工藝、增材自動(dòng)化裝備四方面綜述長(zhǎng)壽命低成本大型鍛模電弧增材制造與再制造的研究進(jìn)展。

1 鍛模降本延壽方法及存在的問(wèn)題

一方面，為降低鍛?；w材料及制造成本，國(guó)外提出一種采用鑄造直接制作熱鍛模具的方法，鑄鋼價(jià)廉，并且能夠反復(fù)重熔和重新利用，具備制造成本低的顯著優(yōu)勢(shì)。自上世紀(jì)四十年代末國(guó)外就已有一些企業(yè)開(kāi)始采用鑄造毛坯來(lái)代替鍛造毛坯，并“以鑄代鍛”來(lái)生產(chǎn)模具[4]，目前俄羅斯、美國(guó)等國(guó)家已采用鑄造方法在中小型鍛模設(shè)計(jì)和材料選用等方面開(kāi)展了研究，國(guó)內(nèi)也有關(guān)于采用鑄造方法制備中小型鍛模的相關(guān)研究工作[5-6]，以縮短制造周期，降低制造成本。

但若要將鑄造基體用于大型鍛模制備，有三個(gè)主要問(wèn)題尚待解決[7-8]：一是鑄件易產(chǎn)生縮松、縮孔、氣孔、砂眼等鑄造缺陷，有時(shí)還可能產(chǎn)生偏析、組織不均勻等現(xiàn)象，使其力學(xué)性能尤其是韌性降低，無(wú)法承受大的沖擊力量；二是高溫耐磨性和耐熱疲勞性較差，高溫工況下易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，加速模具的熱磨損和熱疲勞，促使模具的過(guò)早變形失效或疲勞斷裂；三是鑄造所得鍛模為單一材料，一般材料的高溫強(qiáng)硬性與韌性互相矛盾，同質(zhì)材料難以滿足模具不同部位的性能要求。

另一方面，為提高鍛模壽命，通常將模膛表面與基體作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，綜合利用表面化學(xué)熱處理、表面形變強(qiáng)化等表面強(qiáng)化改性技術(shù)和堆焊等涂層技術(shù)[9-11]，提高鍛模的表面硬度及強(qiáng)度，增加鍛模的耐磨性和耐腐蝕性，并改善鍛模整體的應(yīng)力狀態(tài)，使其在服役過(guò)程中應(yīng)力趨于平緩，從而提高壽命。但是也可能會(huì)由于表面涂覆層或改性層與鍛模本體在組分、結(jié)構(gòu)方面不能有效地連續(xù)變化，而導(dǎo)致強(qiáng)化層與基體的熱膨脹性能差異并引起熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致模具的熱疲勞抗力降低、服役狀況變差，使用壽命縮短[12]。同時(shí)，大型鍛模還需采用大型的表面處理設(shè)備，價(jià)格高昂，且相關(guān)工藝復(fù)雜，不符合經(jīng)濟(jì)性的要求。

近年來(lái)出現(xiàn)的電弧增材制造是以TIG/MIG/MAG等焊接堆焊原理為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建包括成形熱源、送絲機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本裝備系統(tǒng)，如圖2所示，自下而上層層堆積成型，好比數(shù)字化的連續(xù)堆焊形成涂層。相比手工堆焊、激光、電子束等增材技術(shù)，電弧增材制造已被證實(shí)其具有較高的成形效率和材料利用率，且工作自由度高、可靠性高，使用維護(hù)成本低，可實(shí)現(xiàn)多種材料的混合制造，以及大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形，近年來(lái)在材料體系設(shè)計(jì)、組織性能分析、新型工藝、裝備設(shè)置等方面都已取得了有益進(jìn)展[13-16]，有望在大型鍛模的表面增材上發(fā)揮作用。

圖2 電弧增材工藝原理示意圖[17]

2 鍛模制造及再制造梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論

重慶大學(xué)自2005年開(kāi)始進(jìn)行鍛模增材修復(fù)與延壽的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于大型鍛模而言，其90%左右以上的區(qū)域溫度不高、應(yīng)力不大，無(wú)需按傳統(tǒng)方法采用單一、昂貴的模具鋼材料，可以用低成本基體如鑄鋼代替，只需模塊材料在使用工況下能滿足安全強(qiáng)度要求即可，由于模塊尺寸大，故可大幅降低制造成本。同時(shí)，由于鍛模型腔形狀并不是規(guī)則均勻的，因此在使用中其溫度狀況和受力狀況也是不均勻的，所以不能要求材料具有等向性和均勻性，在鍛模低成本基體表面增材梯度材料是適應(yīng)其工作需求條件而又不額外增加經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)的選擇。

基于此，率先提出鍛模制造及再制造梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，在鍛模低成本基體表面上增材梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料來(lái)進(jìn)行鍛模的制造或再制造，采用逆向設(shè)計(jì)方法，根據(jù)鍛模具體的服役條件和用途，對(duì)其組成成分和梯度結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。一方面保證性能較差基體在高溫重載工況下的安全性和與增材結(jié)構(gòu)的良好結(jié)合性，另一方面又使梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)滿足耐磨損、抗變形等服役性能要求，性能和功能呈平緩梯度連續(xù)變化，打破了同質(zhì)材料制造熱鍛模具的局限性，既降低制造成本，又能提升鍛模壽命。

進(jìn)一步提出采用電弧增材制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍛模低成本基體表面上的梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)增材。將電弧增材制造與鍛模設(shè)計(jì)制造相結(jié)合，已針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)出“雙金屬”、“夾心層”、“拳頭式”、“隨形網(wǎng)構(gòu)化”等梯度功能電弧增材材料結(jié)構(gòu)，發(fā)明一系列“基于低成本基體的梯度電弧增材制備大型鍛模”新方法。并研制選配出適應(yīng)于不同鍛壓設(shè)備類別、成形材料、服役條件的鍛模鑄鋼基體及型腔梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)所需系列材料。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、智能、自動(dòng)化增材，建立基于“焊鍛復(fù)合”的電弧熔絲增材制造控形控性一體化技術(shù)及數(shù)控龍門式電弧熔絲增材制造集成裝備。

3 基于低成本基體的大型鍛模電弧增材梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

3.1 鑄鋼基體電弧增材雙金屬梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)

針對(duì)大型鋁合金鍛模，重慶大學(xué)在2009年提出并發(fā)明了“鑄鋼基體雙金屬梯度堆焊制備鍛?！毙路椒╗18]，如圖3所示。該方法以低成本鑄鋼為基體，在其型腔上依次增材過(guò)渡層與強(qiáng)化層。其中，過(guò)渡層能與鑄鋼基體形成良好的冶金結(jié)合，強(qiáng)化層具有更高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)兼具優(yōu)異的高溫性能和耐磨損性能。

A—過(guò)渡層；B—強(qiáng)化層；C—型腔輪廓線；D—鑄鋼基體。

雙金屬梯度堆焊方法已成功應(yīng)用于300 MN液壓機(jī)上的鋁合金鍛件用大型鍛模制造和再制造，如圖4所示。一方面鑄鋼基體設(shè)計(jì)減重結(jié)構(gòu)并鑄造成型，降低制造成本和材料能源消耗；另一方面雙金屬層采用隨形電弧增材制造，與基體的結(jié)合性好，硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能呈梯度分布，保證鍛模在高溫下的服役性能。采用該方法制備的鋁合金鍛模壽命提高10倍以上，成本降低20%以上。雙金屬梯度堆焊方法也成功運(yùn)用于熱模鍛壓機(jī)用中小型鍛模的再制造，較傳統(tǒng)新制鍛模方法可降低鍛模制造成本50%以上，壽命提高100%以上[19]。

圖4 某大型鋁合金鍛件用雙金屬梯度堆焊鍛模

3.2 鑄鋼基體電弧增材夾心層梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)

就鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等難變形材料而言，模鍛過(guò)程中其成形溫度高，鍛模承壓大、壽命極低?；谇捌阡X合金用鑄鋼基體雙金屬堆焊制造鍛模的研究基礎(chǔ)，提出一種鑄鋼基體鍛?！皧A心層”制造新方法[20]，其原理如圖5所示。

A—鑄鋼基體；B—應(yīng)力擴(kuò)散“夾心層”；C—強(qiáng)度硬度過(guò)渡層；D—表面耐高溫強(qiáng)化層；E—模具型腔輪廓線。

該夾心層鍛模就是在鑄鋼基體與雙金屬堆焊層之間，增焊一層封閉的軟質(zhì)夾心層焊材，相比雙金屬堆焊層，其塑性更好、屈服強(qiáng)度更低。允許夾心層在模壓過(guò)程中產(chǎn)生一定彈性變形甚至微量塑性變形，以快速緩沖鍛模所受高壓峰值應(yīng)力，避免基體受力過(guò)高產(chǎn)生破裂失效。過(guò)渡層強(qiáng)度和硬度較高，能與夾心層和隨后的表面高溫耐磨層結(jié)合良好；表面層高溫強(qiáng)度和硬度比過(guò)渡層和夾心層均高，韌性、高溫耐磨、抗熱疲勞性能良好，在鍛模服役時(shí)發(fā)揮重要作用。

鑄鋼基體與三層梯度層協(xié)同配合，能夠?qū)崿F(xiàn)鍛模的強(qiáng)韌化，支撐高溫和高壓下難變形材料的模鍛成形。該方法已成功應(yīng)用于800 MN壓機(jī)用某鈦合金模鍛用鍛模的設(shè)計(jì)制造[21]，如圖6所示，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，所成形鍛件滿足要求，鍛模服役情況良好，且與傳統(tǒng)新制5CrNiMo鍛模相比，制造成本降低20%以上。

圖6 某鈦合金鍛件用“夾心層”梯度堆焊鍛模

3.3 鑄鋼基體電弧增材拳頭式梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高鍛模壽命，提出一種“拳頭式”仿生結(jié)構(gòu)大型熱鍛模具制造新方法[22]，結(jié)構(gòu)如圖7所示。根據(jù)鍛模在服役條件下的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布[23]，在低成本基體上進(jìn)行豎向梯度分層、橫向功能分區(qū)。豎向依次形成夾心層、過(guò)渡層、強(qiáng)化層和耐高溫皮膚層；橫向分為高強(qiáng)度凸形區(qū)和軟質(zhì)抗裂凹形區(qū)。

圖7 鑄鋼基體“拳頭式”梯度堆焊制備鍛模

過(guò)渡層550℃以下強(qiáng)度硬度高，起著皮膚層的支撐作用；軟質(zhì)凹形A區(qū)耐高溫，韌性好，起著抗裂作用；功能強(qiáng)化B區(qū)作為與鍛件接觸的型腔表層，具備良好的高溫耐磨損、抗變形性能。該結(jié)構(gòu)軟硬結(jié)合，避免鍛模凹形A區(qū)因表面硬度過(guò)高而引起的開(kāi)裂，能夠?qū)崿F(xiàn)難變形材料成形用鍛模抗開(kāi)裂、高承壓、耐磨損及低成本。

利用拳頭式結(jié)構(gòu)進(jìn)行某飛機(jī)超高強(qiáng)度鋼起落架鍛模再制造，如圖8所示為鍛打48件后的起落架鍛模，橋部型腔良好，無(wú)壓塌變形，與傳統(tǒng)新制鍛模相比，節(jié)約成本50%，目前壽命已從2件提高到100余件，提高50倍以上，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命；采用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)葉片錘鍛模再制造，如圖9所示，節(jié)約成本50%，壽命提高2倍以上，實(shí)現(xiàn)葉片鍛模的長(zhǎng)壽命。

圖8 鍛打48件后的起落架鍛模

圖9 “拳頭式”梯度堆焊再制造的葉片鍛模

3.4 鑄鋼基體電弧增材網(wǎng)構(gòu)化梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)

雖然上述結(jié)構(gòu)及方法在一定程度上提高了鍛模型腔的耐高溫抗壓塌變形能力，解決了鍛模壽命極低問(wèn)題，但隨著飛行器產(chǎn)量的增加，難變形材料成形用大型鍛模在模鍛了數(shù)批鍛件后，型腔表層又會(huì)出現(xiàn)如圖10所示的眾多長(zhǎng)條形不規(guī)則裂紋，影響鍛模的持續(xù)使用和生產(chǎn)安全性。長(zhǎng)條形裂紋產(chǎn)生的主要原因就是鍛模型腔面積大，在服役時(shí)的高溫重載下，經(jīng)歷了較高的溫度波動(dòng)和交變熱應(yīng)力，某些部位發(fā)展成為裂紋源并逐漸擴(kuò)展。

圖10 某飛機(jī)起落架鍛模型腔表層出現(xiàn)眾多條長(zhǎng)條形裂紋

針對(duì)該問(wèn)題，提出了“型腔表層隨形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)制備熱鍛模具”新方法[24]，圖11為其原理圖。在“夾心層”結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將強(qiáng)化層和過(guò)渡層隨形構(gòu)建一定寬度的溝槽，所有溝槽互聯(lián)互通而成有序網(wǎng)溝，從而將鍛模大面積表層型腔分塊化為小面積型腔，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖12所示。然后在過(guò)渡層溝槽中填充具有良好塑性、高延伸率的普通軟質(zhì)材料；在強(qiáng)化層溝槽中填充耐高溫軟質(zhì)材料。這樣能夠獲得軟硬結(jié)合、強(qiáng)韌匹配的型腔表層，使鍛模型腔表面在焊接過(guò)程以及在服役條件下可能出現(xiàn)的較大拉應(yīng)力得到充分釋放，有效解決熱裂紋問(wèn)題，延長(zhǎng)大型鍛模的壽命。

A—鑄鋼基體；B—夾心層；C—過(guò)渡層；D—表面耐高溫強(qiáng)化層；E—普通軟質(zhì)材料；F—耐高溫軟質(zhì)材料；G—模具型腔輪廓線。

A—耐高溫軟質(zhì)材料；B—耐高溫強(qiáng)化層材料；C—硬質(zhì)材料；D—軟質(zhì)材料；E—模具基體。

制備物理模型后取樣，在室溫相同條件下進(jìn)行網(wǎng)構(gòu)化與未采用網(wǎng)構(gòu)化試樣的拉伸試驗(yàn)，得應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖13?？梢钥闯?，在常溫條件下，試樣經(jīng)過(guò)網(wǎng)構(gòu)化后其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率相比未網(wǎng)構(gòu)化試樣均得到了一定程度的增加。

圖13 室溫下網(wǎng)構(gòu)化與非網(wǎng)構(gòu)化試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

4 大型鍛模電弧增材基體材料及合金絲材研究進(jìn)展

鍛模電弧增材材料的選擇對(duì)于鍛模制造及再制造后的性能至關(guān)重要，鍛模工作型腔不僅需要較高耐磨性，對(duì)耐沖擊、耐腐蝕、耐熱疲勞性能也均有要求，還要能夠適應(yīng)不同的工況條件。在大型鍛模低成本基體電弧增材梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研制選配適應(yīng)于不同鍛壓設(shè)備類別、成形材料、服役溫度-力載等條件的鍛模鑄鋼基體及型腔梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)所需系列材料，實(shí)現(xiàn)鍛?；w具有足夠的承壓性能、型腔梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料精準(zhǔn)匹配服役條件、梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合具有良好的工藝性。

4.1 大型鍛模用鑄鋼基體材料

基于低成本鑄鋼基體的梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及方法，要求鑄造基體材料具有足夠高的強(qiáng)度、韌性以承受壓機(jī)工作壓力，又要具有良好的焊接性能，使其與表面增材層結(jié)合牢固。研制出滿足不同應(yīng)用工況要求的鑄鋼基體材料，具體材料成分見(jiàn)表1，屈服強(qiáng)度、斷面收縮率等力學(xué)性能見(jiàn)圖14。JXZG1為中碳低合金高強(qiáng)度鑄鋼，硬度高，耐熱性能好；JXZG2為低碳合金鋼，韌性好，耐熱性能好；JXZG3為中碳低合金高強(qiáng)度鑄鋼，高強(qiáng)高硬。此外，還有用于制備高溫重載條件下大型熱鍛模具基體的特種鑄鋼[25]。

圖14 鑄鋼基體材料力學(xué)性能

表1 鑄鋼基體材料化學(xué)成分

4.2 梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)用合金絲材

目前已研制出滿足不同梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)的夾心層、過(guò)渡層、強(qiáng)化層、網(wǎng)構(gòu)化等增材所需的軟質(zhì)、硬質(zhì)鐵基絲材，以及在550～750℃區(qū)間具有優(yōu)異高溫抗變形能力，并具有沖擊強(qiáng)化效應(yīng)的鈷基和鎳基絲材[26-28]：(1)超高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金鍛造成形用鍛模的表面強(qiáng)化鈷基絲材JX302，常溫時(shí)硬度相對(duì)較低(32HRC左右)、高溫耐磨性強(qiáng)、高溫組織穩(wěn)定，可作為前述“拳頭式”結(jié)構(gòu)大型鍛模的“皮膚層”；(2)用于高溫合金、鈦合金鍛造成形用鍛模的表面強(qiáng)化鎳基絲材JX201，常溫硬度相對(duì)較低(28HRC左右)、高溫耐磨性強(qiáng)、高溫組織穩(wěn)定，可作為前述“拳頭式”結(jié)構(gòu)“夾心層”、“雙金屬”結(jié)構(gòu)大型鍛模的表面強(qiáng)化層；(3)用于鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼鍛造成形用鍛模的表面強(qiáng)化鐵基絲材JX102-109，材料硬度相對(duì)較高(50HRC左右)、高溫耐磨性強(qiáng)，可作為“拳頭式”結(jié)構(gòu)“夾心層”、“雙金屬”結(jié)構(gòu)鍛模的表面層。

5 “焊鍛復(fù)合”形性控制工藝研究進(jìn)展

電弧增材也存在一定缺點(diǎn)，一是工藝參數(shù)眾多，協(xié)調(diào)匹配困難，不能保證堆出連續(xù)且一致的熔覆層，成形形貌難以控制且表面質(zhì)量較差；二是易產(chǎn)生氣孔及組織致密性不佳；三是電弧增材成形件增材區(qū)域反復(fù)經(jīng)歷復(fù)雜的升降溫過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[29]。

因此，如何智能調(diào)控工藝參數(shù)及形貌、增強(qiáng)組織致密性、消減殘余應(yīng)力、實(shí)現(xiàn)電弧增材形性控制對(duì)于大型鍛模電弧增材制造及再制造非常重要。為此，重慶大學(xué)于2014年提出先堆焊后采用低頻錘擊的方法進(jìn)行電弧增材制造，并獲重慶市科委項(xiàng)目資助，開(kāi)展了“焊鍛復(fù)合”形性控制一體化技術(shù)及裝置研究。“焊鍛復(fù)合”電弧增材制造原理如圖15所示，采用智能電弧增材隨后數(shù)控低頻錘擊方法，實(shí)現(xiàn)了以增材過(guò)程殘余應(yīng)力消減和表面錘擊整形形貌為控制目標(biāo)的增材與錘擊工藝參數(shù)全局優(yōu)化與協(xié)調(diào)，有效解決了連續(xù)增材過(guò)程的熱應(yīng)力開(kāi)裂問(wèn)題和形貌不可控問(wèn)題，確保了增材過(guò)程的連續(xù)、可靠、低殘余應(yīng)力、高形狀精度的形性控制目標(biāo)。

圖15 “焊鍛復(fù)合”電弧增材方法

5.1 增材工藝參數(shù)與增材形貌

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果及機(jī)器學(xué)習(xí)算法[30-32]，研究了電弧增材過(guò)程中增材電流、送絲速度、增材速度、焊道間距等工藝變量對(duì)增材區(qū)高度、寬度、平整度的影響規(guī)律。進(jìn)一步建立了工藝變量與增材形貌之間的數(shù)字化映射關(guān)系和定量關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合爬山尋優(yōu)搜索算法建立了工藝參數(shù)反算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同增材參數(shù)下的增材形貌智能預(yù)測(cè)。并且融入人工智能推理反算算法，結(jié)合響應(yīng)面法對(duì)增材參數(shù)與增材形貌進(jìn)行全局優(yōu)化求解，建立了預(yù)設(shè)熔道寬高和表面平整度目標(biāo)下的工藝參數(shù)智能反求尋優(yōu)策略，編寫(xiě)了增材焊縫形狀與工藝參數(shù)優(yōu)化軟件，如圖16所示。對(duì)比軟件計(jì)算所得優(yōu)化焊接工藝參數(shù)與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)，增材電壓、送絲速度等相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，吻合良好，能夠借助該軟件結(jié)合實(shí)際工況指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化。

圖16 增材焊縫形貌與工藝參數(shù)優(yōu)化專家系統(tǒng)[30]

5.2 錘擊數(shù)字化、殘余應(yīng)力消減與形貌精整

錘擊法是一種常用的殘余應(yīng)力消減方法，錘擊處理能夠使焊縫產(chǎn)生較大的塑性延展變形，以抵消焊縫及其附近區(qū)域的收縮變形，降低殘余拉應(yīng)力，同時(shí)可以在錘擊表面及深度方向上形成壓應(yīng)力區(qū)，提高抗裂性能，但錘擊變形量難以直接控制，一般只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)人工設(shè)置錘擊參數(shù)[33]。

為了達(dá)到想要的殘余應(yīng)力消除效果，提出電弧增材隨動(dòng)錘擊精整消應(yīng)力方法，構(gòu)建錘擊參數(shù)與消除殘余應(yīng)力、提升組織性能及形貌平整度之間的定量關(guān)系，建立了電弧增材殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)及隨動(dòng)錘擊消應(yīng)力控制專家系統(tǒng)，如圖17所示，實(shí)現(xiàn)了增材-錘擊殘余應(yīng)力智能預(yù)測(cè)及預(yù)設(shè)應(yīng)力控制目標(biāo)下的錘擊工藝參數(shù)智能反求優(yōu)化，形成了工藝變量的協(xié)調(diào)控制策略，有效解決了連續(xù)增材過(guò)程熱應(yīng)力控制問(wèn)題[34-36]。

圖17 錘擊去應(yīng)力專家系統(tǒng)

6 “焊鍛復(fù)合”增材制造裝備研究進(jìn)展

近幾年，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了電弧增材制造集成系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)，逐步完成了硬件平臺(tái)搭建、控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、焊接工藝優(yōu)化、生產(chǎn)線建設(shè)等工作。2016年華中科技大學(xué)張海歐團(tuán)隊(duì)提出并研制了微鑄鍛同步復(fù)合設(shè)備，即采用電弧增材后同步輥壓焊縫的方法，解決了構(gòu)件的高性能增材制造。重慶大學(xué)提出并成功研制“鑄鋼基體表層梯度強(qiáng)化制備(超)大型鍛模自動(dòng)隨型堆焊樣機(jī)”，為大型鍛模“焊鍛復(fù)合”電弧增材制造及再制造提供了支撐條件。

6.1 大型“焊鍛復(fù)合”增材制造裝備單元

如圖18所示，重慶大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于大型數(shù)控龍門結(jié)構(gòu)，提出并發(fā)明了焊鍛復(fù)合3D增材機(jī)器人[37]，構(gòu)建包含大行程直角坐標(biāo)智能機(jī)器人電弧增材系統(tǒng)、3D測(cè)量及重構(gòu)系統(tǒng)、智能低頻隨動(dòng)錘擊整形消應(yīng)力系統(tǒng)、智能在線保溫系統(tǒng)、吸塵排煙系統(tǒng)等的大型電弧增材集成單元。最大工作尺寸達(dá)4650 mm×1650 mm×650 mm，增材速度可達(dá)780 cm3/h、X/Y/Z運(yùn)動(dòng)軸重復(fù)定位精度≤0.02 mm。

圖18 “焊鍛復(fù)合”電弧增材裝備單元

6.2 大型“焊鍛復(fù)合”增材制造控制系統(tǒng)

基于集成單元，建立了大型電弧“焊鍛復(fù)合”增材集成裝備的集成管理與控制系統(tǒng)，分為增材工藝規(guī)劃、輔助保障、輔助測(cè)試三大部分，開(kāi)發(fā)出直角坐標(biāo)智能電弧增材路徑規(guī)劃子系統(tǒng)、智能在線保溫控制子系統(tǒng)、3D測(cè)量及模型重構(gòu)子系統(tǒng)、吸塵排煙子系統(tǒng)，集成關(guān)聯(lián)增材形貌智能預(yù)測(cè)及反求優(yōu)化專家系統(tǒng)、增材殘余應(yīng)力智能預(yù)測(cè)及隨動(dòng)錘擊消應(yīng)力控制專家系統(tǒng)，如圖19所示。并且建立了各子系統(tǒng)的參數(shù)協(xié)同、接口匹配、數(shù)據(jù)推理方法，實(shí)現(xiàn)了不同工作子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與數(shù)模共享、切換與驅(qū)動(dòng)控制，及信息數(shù)據(jù)資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功能相對(duì)完善的集成裝備硬件的高效管理。

圖19 大型數(shù)控龍門式電弧增材制造集成系統(tǒng)

6.3 大型“焊鍛復(fù)合”增材制造生產(chǎn)線

基于上述集成單元與控制系統(tǒng)，成功研制國(guó)際上最大規(guī)格的大型數(shù)控龍門式“焊鍛復(fù)合”電弧增材生產(chǎn)線，如圖20所示。在考慮錘擊功能的前提下，基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲模擬分析優(yōu)化，確立雙橫梁排布的結(jié)構(gòu)方案；在考慮超大型構(gòu)件經(jīng)歷加熱-增材全過(guò)程連續(xù)、全過(guò)程不失溫的前提下，設(shè)計(jì)出可移動(dòng)保溫平車及組合式加熱爐；分析功能部件的使用及安裝需求，實(shí)現(xiàn)部件可靠搭載及連接；為滿足超大型構(gòu)件的增材制造工藝需求，設(shè)計(jì)了行架式電弧熔絲增材制造系統(tǒng)。

圖20 “焊鍛復(fù)合”電弧增材制造生產(chǎn)線

多單元多系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)功能多樣化、數(shù)字化與全面化，不僅大幅提升了模具的制造效率和制造精度，達(dá)到快速、高效、穩(wěn)定地進(jìn)行電弧熔絲“焊鍛復(fù)合”增材制造與再制造，更是符合當(dāng)今低碳、環(huán)保、節(jié)能的綠色導(dǎo)向。

7 結(jié)語(yǔ)

解決大型鍛模制造成本高、壽命極低的問(wèn)題就是解決我國(guó)航空用關(guān)鍵構(gòu)件制造的卡脖子問(wèn)題，也是解決我國(guó)航空模鍛件制造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)鑄鋼基體梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)，匹配相應(yīng)基體與堆焊材料，采用“焊鍛復(fù)合”電弧增材工藝，在智能高效裝備上進(jìn)行大型鍛模的制造及再制造，能夠?qū)崿F(xiàn)以下效果：

(1)壽命顯著提高。與采用5CrNiMo傳統(tǒng)方法制造鍛模相比，采用新型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大型鍛模壽命普遍提高數(shù)倍，其中超高強(qiáng)鋼起落架用鍛模壽命提高50倍以上，磨損及變形量仍在允許范圍內(nèi)；中小型鋼質(zhì)鍛件用熱鍛模壽命普遍提升100%以上；大型航空用鋁合金鍛件用熱鍛模壽命已達(dá)數(shù)百件，目前尚無(wú)磨損及變形跡象，可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)壽命。

(2)成本顯著降低。與傳統(tǒng)手工堆焊相比，采用焊鍛復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)增材梯度異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱鍛?？s短制造周期50%以上，節(jié)省絲材20%以上，減少加工工時(shí)50%以上，成本降低50%以上。綜合成本中小型鍛件單件攤銷模具成本降低50%以上，大型航空用鍛件攤銷模具成本降低67%以上。

(3)社會(huì)效益顯著。若在全國(guó)鍛造行業(yè)推廣應(yīng)用，每年將為國(guó)家節(jié)省50億元模具材料，減少3萬(wàn)噸模具材料消耗，為實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保、低成本綠色制造具有顯著的社會(huì)效益。

隨著電弧增材技術(shù)向“精準(zhǔn)化”、裝備向“智能化”方向發(fā)展，采用高質(zhì)量增材系統(tǒng)與控形控性一體化技術(shù)，將“低成本鑄鋼基體”與“梯度電弧增材技術(shù)”二者相結(jié)合制造大型鍛模，可充分發(fā)揮鑄鋼基體低成本、電弧增材制造靈活性各自優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)純鑄鋼鍛模性能差、電弧增材制造成本高的不足，是未來(lái)長(zhǎng)壽命大型鍛模制造與再制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。今后的研究工作可圍繞材料優(yōu)化設(shè)計(jì)與匹配、結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌化機(jī)制與抗開(kāi)裂機(jī)制探索、實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證以及形性一體化控制、智能增材機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)化等方面開(kāi)展。