发动机高温合金盘梯度热锻模药芯丝材与电弧增材制造研究

发布时间：2020-06-10 23:32

【摘要】：目前热锻模具主要采用铸锭锻造+机加工或直接精密铸造的方法制造。这两种方法制造的模具往往为单一材料,当其长期在高温高压恶劣环境下服役时,易出现变形、裂纹、剥落等损伤,模具使用寿命低。针对目前模具采用单一材料制造寿命低的不足,采用电弧增材制造的方法实现模具梯度结构的制造,提高模具的使用寿命。针对航空飞机发动机高温合金盘模具的结构特点,设计出打底层、过渡层及硬面层的三层梯度结构模具;开发出打底层、过渡层及硬面层三种金属型药芯丝材。打底层采用与5CrNiMo模具钢相同的合金成分设计,但降低了C含量,提高了Cr、Mo含量,这样使得打底层有良好的抗裂性和韧性。过渡层合金成分设计是在打底层丝材的基础上,增加了C、Cr、Mo的含量,并加入适量V、W、Nb,使其具有更好的力学性能。硬面层合金成分设计是在过渡层的基础上,增加了C、Cr、Mo、V、W、Nb的含量,提高了硬面层高温力学性能和耐磨性。此外,在三种金属型药芯丝材中均加入了1%的NaF,提高电弧的稳定性,改善工艺性能。研制的三种金属型药芯丝材成形性良好,在不同工艺参数下飞溅率在2.5%以下,高速摄像观察电弧增材制造过程中电弧稳定,工艺性良好。研制的打底层金属型药芯丝材堆积金属的组织为细小铁素体+贝氏体;过渡层金属型药芯丝材堆积金属的组织为细小铁素体+珠光体+少量板条状马氏体及弥散分布其中的细小硬质相碳化物;硬面层金属型药芯丝材堆积金属的组织为板条状马氏体+少量残余奥氏体,并存在细小硬质相碳化物。硬面层堆积金属在700℃下抗拉强度为1404MPa,磨损失重率为0.11%,较5CrNiMo降低了35.29%,硬面层金属有良好的高温耐磨性能。打底层与5CrNiMo基体的界面结合强度为1013MPa,过渡层与打底层的界面结合强度为1162MPa,硬面层与过渡层的界面结合强度为1317MPa,相邻梯度层的结合良好,具有高的结合强度。研制的三种金属型药芯丝材在5CrNiMo上堆积成梯度结构试样,测量得出5CrNiMo硬度为245HV、抗拉强度为1005MPa,打底层硬度为345HV、抗拉强度为1145MPa,过渡层硬度为455HV、抗拉强度为1311MPa,硬面层硬度为550HV、抗拉强度为1436MPa。在5CrNiMo上堆积三种金属型药芯丝材可构建梯度结构模具。采用平面切片与偏置填充的路径规划策略,通过java编程得到机器人程序语言,实现航空飞机发动机高温合金盘模具梯度电弧增材制造。电弧增材制造模具的尺寸偏差在1mm以内,未发现裂纹、未熔合等缺陷,实际应用表明梯度结构模具有高的使用寿命。
【图文】：

变形失效,锻模,基体

华中科技大学硕士学位论文锻造及热处理后再进行机械加工获得，这两种单材料制造的模具使用过程中均有巨大问题。5CrNiMo 热锻模具在压制几件之后，锻模型腔表面会严重失效，具体表现为模具变形、堆塌、粗糙度下降，如图 1-1 所示。模具必须进行修理后才能再次投入生产，因此每个锻件分摊的锻模费用相当高，，且对批量生产的进度要求产生严重的制约；而 H13 基体材质的锻模受大型铸锭铸造冶金质量低下、钢锭自由锻锻透性差、热处理淬火硬度低的影响，当重量大于 10 吨后，常发生模具整体断裂报废的情况，如图 1-2 所示。模具的寿命与模具成本已成为制约大型热锻模具生产的关键瓶颈，也成为 8 万吨大型模锻液压机能否发挥出应有作用的关键难题。

锻模,断裂失效,基体

因此每个锻件分摊的锻模费用相当高，且对批量生产的进度要求产生严重的制约；而 H13 基体材质的锻模受大型铸锭铸造冶金质量低下、钢锭自由锻锻透性差、热处理淬火硬度低的影响，当重量大于 10 吨后，常发生模具整体断裂报废的情况，如图 1-2 所示。模具的寿命与模具成本已成为制约大型热锻模具生产的关键瓶颈，也成为 8 万吨大型模锻液压机能否发挥出应有作用的关键难题。图 1-1 5CrNiMo 基体锻模变形失效Fig.1-1 The deformation failure of 5CrNiMo matrix forging die
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V263;TG132.3

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