【摘要】：目前熱鍛模具主要采用鑄錠鍛造+機(jī)加工或直接精密鑄造的方法制造。這兩種方法制造的模具往往為單一材料,當(dāng)其長期在高溫高壓惡劣環(huán)境下服役時(shí),易出現(xiàn)變形、裂紋、剝落等損傷,模具使用壽命低。針對(duì)目前模具采用單一材料制造壽命低的不足,采用電弧增材制造的方法實(shí)現(xiàn)模具梯度結(jié)構(gòu)的制造,提高模具的使用壽命。針對(duì)航空飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金盤模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)出打底層、過渡層及硬面層的三層梯度結(jié)構(gòu)模具;開發(fā)出打底層、過渡層及硬面層三種金屬型藥芯絲材。打底層采用與5CrNiMo模具鋼相同的合金成分設(shè)計(jì),但降低了C含量,提高了Cr、Mo含量,這樣使得打底層有良好的抗裂性和韌性。過渡層合金成分設(shè)計(jì)是在打底層絲材的基礎(chǔ)上,增加了C、Cr、Mo的含量,并加入適量V、W、Nb,使其具有更好的力學(xué)性能。硬面層合金成分設(shè)計(jì)是在過渡層的基礎(chǔ)上,增加了C、Cr、Mo、V、W、Nb的含量,提高了硬面層高溫力學(xué)性能和耐磨性。此外,在三種金屬型藥芯絲材中均加入了1%的NaF,提高電弧的穩(wěn)定性,改善工藝性能。研制的三種金屬型藥芯絲材成形性良好,在不同工藝參數(shù)下飛濺率在2.5%以下,高速攝像觀察電弧增材制造過程中電弧穩(wěn)定,工藝性良好。研制的打底層金屬型藥芯絲材堆積金屬的組織為細(xì)小鐵素體+貝氏體;過渡層金屬型藥芯絲材堆積金屬的組織為細(xì)小鐵素體+珠光體+少量板條狀馬氏體及彌散分布其中的細(xì)小硬質(zhì)相碳化物;硬面層金屬型藥芯絲材堆積金屬的組織為板條狀馬氏體+少量殘余奧氏體,并存在細(xì)小硬質(zhì)相碳化物。硬面層堆積金屬在700℃下抗拉強(qiáng)度為1404MPa,磨損失重率為0.11%,較5CrNiMo降低了35.29%,硬面層金屬有良好的高溫耐磨性能。打底層與5CrNiMo基體的界面結(jié)合強(qiáng)度為1013MPa,過渡層與打底層的界面結(jié)合強(qiáng)度為1162MPa,硬面層與過渡層的界面結(jié)合強(qiáng)度為1317MPa,相鄰梯度層的結(jié)合良好,具有高的結(jié)合強(qiáng)度。研制的三種金屬型藥芯絲材在5CrNiMo上堆積成梯度結(jié)構(gòu)試樣,測量得出5CrNiMo硬度為245HV、抗拉強(qiáng)度為1005MPa,打底層硬度為345HV、抗拉強(qiáng)度為1145MPa,過渡層硬度為455HV、抗拉強(qiáng)度為1311MPa,硬面層硬度為550HV、抗拉強(qiáng)度為1436MPa。在5CrNiMo上堆積三種金屬型藥芯絲材可構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)模具。采用平面切片與偏置填充的路徑規(guī)劃策略,通過java編程得到機(jī)器人程序語言,實(shí)現(xiàn)航空飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金盤模具梯度電弧增材制造。電弧增材制造模具的尺寸偏差在1mm以內(nèi),未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷,實(shí)際應(yīng)用表明梯度結(jié)構(gòu)模具有高的使用壽命。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文鍛造及熱處理后再進(jìn)行機(jī)械加工獲得，這兩種單材料制造的模具使用過程中均有巨大問題。5CrNiMo 熱鍛模具在壓制幾件之后，鍛模型腔表面會(huì)嚴(yán)重失效，具體表現(xiàn)為模具變形、堆塌、粗糙度下降，如圖 1-1 所示。模具必須進(jìn)行修理后才能再次投入生產(chǎn)，因此每個(gè)鍛件分?jǐn)偟腻懩ＹM(fèi)用相當(dāng)高，，且對(duì)批量生產(chǎn)的進(jìn)度要求產(chǎn)生嚴(yán)重的制約；而 H13 基體材質(zhì)的鍛模受大型鑄錠鑄造冶金質(zhì)量低下、鋼錠自由鍛鍛透性差、熱處理淬火硬度低的影響，當(dāng)重量大于 10 噸后，常發(fā)生模具整體斷裂報(bào)廢的情況，如圖 1-2 所示。模具的壽命與模具成本已成為制約大型熱鍛模具生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸，也成為 8 萬噸大型模鍛液壓機(jī)能否發(fā)揮出應(yīng)有作用的關(guān)鍵難題。

因此每個(gè)鍛件分?jǐn)偟腻懩ＹM(fèi)用相當(dāng)高，且對(duì)批量生產(chǎn)的進(jìn)度要求產(chǎn)生嚴(yán)重的制約；而 H13 基體材質(zhì)的鍛模受大型鑄錠鑄造冶金質(zhì)量低下、鋼錠自由鍛鍛透性差、熱處理淬火硬度低的影響，當(dāng)重量大于 10 噸后，常發(fā)生模具整體斷裂報(bào)廢的情況，如圖 1-2 所示。模具的壽命與模具成本已成為制約大型熱鍛模具生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸，也成為 8 萬噸大型模鍛液壓機(jī)能否發(fā)揮出應(yīng)有作用的關(guān)鍵難題。圖 1-1 5CrNiMo 基體鍛模變形失效Fig.1-1 The deformation failure of 5CrNiMo matrix forging die
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V263;TG132.3

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本文編號(hào)：2707029