大型航空熱鍛模增材復(fù)合制造修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用

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)院先進模具智能制造重慶市重點實驗室，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；因而，失效大型熱鍛模具的再制造修復(fù)具有顯著的經(jīng)濟價值[3]。當前，提升模具壽命常見的做法是運用表面處理技術(shù)來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，因為涂層或者改性層太薄，在模壓時的高溫重載下易出現(xiàn)脫落[6]。近年來，由于電弧熔絲增材再制造涂層或者改性層太薄，在模壓時的高溫重載下易出現(xiàn)脫落[6]。近年來，由于電弧熔絲增材再制造修復(fù)技術(shù)具有自動化程度高、柔性大、精度高、周期短等特點[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，大幅提高鍛模具的壽命[8]。國外以Cranfield大學(xué)、Wollongong大學(xué)等為代表的一批國外研究機構(gòu)針對電弧增材自動化控制、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)用等方面開展了系統(tǒng)研究[9-10]。國內(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]等科研機構(gòu)也相繼開展了電弧熔絲增材制造技術(shù)的研究工作，開發(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，針對大型熱鍛模的自動電弧熔絲再制造修復(fù)研究還相對缺乏。由于大型鍛模尺寸大、成本高、制造周期長、服役工況惡劣等特點，迫切需要發(fā)展高效率、低成本、長壽命、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，解決我國重大工程裝備模鍛壓機的使用瓶頸問題，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

對于大型熱鍛模具而言，在服役過程中，模具各個區(qū)域的溫度場和應(yīng)力場有顯著的差異。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)域使用不同強度的材料，進而在實現(xiàn)降低成本的同時提升模具的服役壽命。以某大型高強鋼飛機起落架鍛模為例研究自動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所示為某大型高強鋼起落架鍛造有限元模型，所用模具的外形尺寸達到2700 mm×1200 mm×800 mm。該鍛件的鍛造工序為：下料→加熱→轉(zhuǎn)運→擺料→鍛造階段→保壓→鍛件。結(jié)合起落架鍛造實際生產(chǎn)過程確定待鍛階段用時約為200 s。如表1所示，根據(jù)實際工藝和大量數(shù)值仿真經(jīng)驗，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高強鋼、模具材料為5CrNiMo。

表1 有限元模擬參數(shù)

圖1 某大型飛機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，模具溫度在700℃以上的高溫區(qū)主要分布于型腔邊緣處。其原因在于壓機的壓下速度低，高溫坯料與模具的接觸時間較長，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)，因此需要重點考慮材料在拉應(yīng)力的作用下形成裂紋。

(a)溫度場分布 (b)第一主應(yīng)力場分布

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以內(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以內(nèi)時下降較快，隨后下降比較緩慢。這說明，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、過度層(失效去除區(qū)域)、表面強化層(模具表面下層厚度約5 mm)。

圖3 A點沿著深度方向的場變量值

2 材料設(shè)計

2.1 材料設(shè)計

根據(jù)相關(guān)文獻及經(jīng)驗，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而提高材料的硬度和強度，Ni元素可以形成固溶強化。因此經(jīng)過反復(fù)實驗得到了如表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)量百分數(shù)，%)

強化層為Co基材料，過渡層為鐵基材料，基體為普通5CrNiMo材料。過渡層能夠融合基體和強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。其中過渡層和表面強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度偏低。因此如全部采用5CrNiMo作為鍛模基體材料，不能滿足大型超高強度鋼成形用鍛模的使用性能。

如圖4(b)所示，過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+彌散分布其中的細小硬質(zhì)相WC等組成。由于馬氏體本身具有較高的位錯密度，可以有效阻止晶粒滑移，因此板條狀馬氏體的強度較高而且韌性較好。殘余奧氏體在回火后會分解出下貝式體，對焊材的綜合力學(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，可以加強與基體的結(jié)合能力。

如圖4(c)所示，表面強化層材料是以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化和固溶強化機制，鈷基合金熔點顯著提高，斷裂曲線也變得更為平緩，因此鈷基合金在高溫下仍然具有良好的承載能力。

(a)5CrNiMo (b)過渡層 (c)強化層

2.3 力學(xué)性能

如表3所示，在室溫下三種材料中過渡層的強度最高、硬度最大、塑性最差，強化層材料在室溫下的塑性和強度都略高于基體材料(5CrNiMo)，在650℃高溫下，強化層材料的強度最高，并且顯著高于過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，能夠保證模具在服役時候表面強化層在高溫下能夠抵抗磨損和塑性變形，而過渡層溫度較低又能提供強有力的強度支撐。

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向橫梁及傳動部件等部分構(gòu)成。其中立柱采用45號結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計，其上下兩端面焊接有連接板及加強筋，為運動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，X、Z向動力傳動采取滾珠絲桿配合直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，Y向動力傳動采用齒輪齒條結(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)備的上位機通過解析G代碼，控制各個軸的運動軌跡。此外，G代碼由自主研發(fā)的工藝即路徑規(guī)劃軟件自動生成。除了硬件裝備外，還開發(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→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→自動增材(如圖6所示)→焊后熱處理→機械加工→打磨→模具檢驗。使用大型焊鍛復(fù)合增材制造裝備及設(shè)計的材料進行修復(fù)試制，兩個典型的大型航空熱鍛模自動電弧熔絲增材制造修復(fù)產(chǎn)品如圖7所示。

圖6 大型熱鍛模自動電弧熔絲增材制造修復(fù)現(xiàn)場

(a)某鈦合金一梁超大鍛模 (b)某超高強度鋼起落架超大鍛模

如圖7所示，修復(fù)過程中失效模具被放置于一個加熱保溫平臺上，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低增材材料與模具基體溫差過大而產(chǎn)生收縮裂紋。

對某鈦合金一梁大型鍛模、超高強度鋼起落架大型鍛模進行了再制造修復(fù)驗證，二套驗證模具經(jīng)多批次生產(chǎn)的考核驗證，模具的型腔尺寸及硬度均滿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)某大飛機一粱模具 (b)某大飛機起落架模具

4 結(jié)論

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

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

(3)對某鈦合金一梁大型鍛模、超高強度鋼起落架大型鍛模進行了再制造修復(fù)驗證，二套驗證模具經(jīng)多批次生產(chǎn)的考核驗證，模具的型腔尺寸及硬度均滿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。