铸钢基体夹心层梯度堆焊制备锻模方法基础及应用研究

摘要

随着航空航天、大型船舶等国家重型装备制造业的快速发展，大型锻模的需求日益增加，世界上最大的模锻液压机(8万吨压机)已投产使用，其所用的锻模单块重20~40吨。对于此类大型锻模，型腔区域在服役过程中由于受到高应力、高温度（局部温度高达550~600℃）的作用，极易产生塑性变形。而非工作区域如燕尾、锻模底部等由于受到的应力、温度较小，工作环境并不恶劣，该区域极难产生失效。若采用传统以均质5CrNiMo或H13锻钢制备锻模，由于型腔部位工况恶劣过早失效，非型腔部位依然完好，从而导致整块锻模报废，极大的浪费了模具钢材料。堆焊修复技术虽在一定程度上延长其服役寿命，但并未能从根本上解决大型锻模成本高、寿命低的缺点。采用一种铸钢基体“夹心层”梯度制备大型锻模的新方法，即锻模基体采用铸钢材料浇注成形，在型腔表面依次堆焊夹心层、过渡层、耐磨层。采用该方法从根本上改变了传统锻模的制备方法，相对于传统锻模，该方法节省了自由锻、粗加工、锻后热处理等工序，提高锻模型腔表面耐高温、耐磨、耐热性能，且铸钢基体材料可重复使用，大幅度降低锻模制造成本，提高模具寿命，具有广泛的应用前景和重大的经济效益。
　　本文通过实验研究分析了铸钢基体、梯度堆焊层的力学性能与微观组织，优选了JXZG3作为铸钢基体材料、JX09焊材作为夹心层材料、JX20作为过渡层焊材、JX22作为耐磨层焊材。在铸钢基体梯度堆焊结构中实现了从基体到耐磨层的含碳量、力学性能的梯度过渡，避免了因成分差异较大而引起较大的焊接质量缺陷，有效的避免焊接梯度层的脱落和开裂。运用有限元分析软件Deform3D对某800MN液压机用钛合金模锻用锻模的锻造成型过程进行数值模拟，研究分析锻模在服役过程中的温度场、应力场分布，根据所选择的铸钢基体和各堆焊层的力学性能，在满足安全性能使用条件下，对锻模进行分区设计，确定满足锻模服役条件下的各层材料的安全理论分界线。得到铸钢基体“夹心层”梯度堆焊方法制造的某钛合金模锻用锻模的梯度堆焊结构模型。利用所设计的方法指导制造了800MN液压机用某型号钛合金模锻铸钢基体双金属梯度锻模的制造过程，并进行了生产试制。在试制完成后，铸钢基体制造锻模状态良好，无塑性变形等缺陷，表面层基本保持原状，模具磨损量较小。生产的锻件尺寸精度和性能优越且稳定，生产试验验证了采用铸钢基体“夹心层”梯度堆焊方法制造铸钢基体梯度堆焊锻模的合理性与适用性。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及研究方法

1.2 锻模行业现状

1.3 本文研究目的及意义

1.4 本文研究内容

2 铸钢基体梯度堆焊制造工艺及试验研究

2.1 引言

2.2 铸钢基体夹心层梯度堆焊制造工艺

2.3 试验研究

2.4 实验结果分析

2.5 本章小结

3 钛合金模锻用铸钢基体锻模设计

3.1 引言

3.2 锻件分析

3.3 锻造工艺过程有限元模型建立

3.4 钛合金框锻件的成形过程模拟

3.5 钛合金模锻用锻模模拟结果分析

3.6 铸钢基体夹心层锻模结构设计

3.7 本章小结

4 铸钢基体梯度堆焊制造锻模应用

4.1 模具制造实施技术路线

4.2 铸钢基体梯度堆焊锻模生产试制

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

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