GH4163錘鍛模梯度增材再制造研究

盧 順，甘玉平，余盈燕，甘貴生

（1.重慶杰品科技股份有限公司，重慶 401329；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；3.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054）

0 前言

錘鍛模服役過程中除了受到普通熱鍛模機(jī)械及熱的雙重負(fù)荷外，還要承受鍛錘的高頻次沖擊載荷，特別在鍛造GH4163這種變形抗力大、變形溫度范圍較窄的高溫合金材料時(shí)，相較于普通熱鍛模更容易出現(xiàn)底角疲勞斷裂、磨損、塑性變形等失效[1]。

目前鍛模失效后主要有幾個(gè)歸宿：（1）鍛模整體落面處理，鍛模在下降一定厚度后將因閉和高度不夠、鍛模型腔質(zhì)量持續(xù)惡化等因素而選擇報(bào)廢；（2）當(dāng)成金屬?gòu)U品回收，然后進(jìn)行熔化、冶煉后加工成模坯，經(jīng)過模具制造的整套工藝流程后生產(chǎn)出新的模具，這種再制造方式成本很高、周期很長(zhǎng)；（3）模具基體回收，對(duì)失效模具進(jìn)行再制造之后循環(huán)再利用，這種再制造方式相對(duì)成本較低、周期較短，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1-2]。

本文采用Deform 3D有限元分析軟件對(duì)GH4163鍛件錘鍛模進(jìn)行模擬仿真，分析鍛件成形情況及溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)計(jì)鍛模梯度增材再制造工藝，最大限度地利用資源和最低限度產(chǎn)出廢物，實(shí)現(xiàn)模具循環(huán)再制造[3]。

1 鍛模失效分析

錘鍛模的工作對(duì)象主要為高溫（一般在1 000℃以上）坯料，由于工況惡劣容易導(dǎo)致失效。錘鍛模的失效形式有磨損、塑性變形、斷裂。有關(guān)學(xué)者對(duì)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)得出，磨損、塑性變形失效約占錘鍛模失效的70%。該GH4163鍛件錘鍛模服役后的損傷情況如圖1所示。由圖可知，其損傷形式主要是塑性變形和磨損，未曾發(fā)現(xiàn)斷裂或者裂紋出現(xiàn)。內(nèi)橋部凸臺(tái)四角壓塌嚴(yán)重，并且內(nèi)、外橋部四周都呈現(xiàn)出了不同程度的塑性變形，并伴有一定程度的磨損。

圖1 錘鍛模服役后損傷情況

圖2為失效前后的尺寸掃描對(duì)比圖。由圖可知，塑性變形十分嚴(yán)重，主要變形區(qū)域分布在橋部邊緣，最大尺寸變形達(dá)5 mm以上。變形最嚴(yán)重區(qū)域在內(nèi)橋部凸臺(tái)四角和模具橋部?jī)蓚?cè)凸圓角處，這與錘鍛模實(shí)際損傷圖結(jié)果表現(xiàn)一致。

圖2 失效前后尺寸對(duì)比

在成形初期，坯料擱置在下模橋部上，直接與鍛模內(nèi)橋部凸臺(tái)四個(gè)圓角以及兩側(cè)橋部圓角處接觸，發(fā)生墩擠變形，而且接觸面積比較小。鍛模在工作時(shí)受到強(qiáng)烈的沖擊載荷，并且隨著鍛造過程的進(jìn)行，鍛造錘數(shù)增加，鍛造載荷也依次遞增。在錘鍛開始時(shí)，巨大的沖擊載荷集中在坯料和模具接觸的小面積區(qū)域，單位應(yīng)力超過模具材料的承受極限，發(fā)生壓塌變形。因此，為了減輕模具的壓塌情況，可以優(yōu)化坯料形狀并提高坯料形狀尺寸的穩(wěn)定性，使坯料從一開始就落入模具型腔內(nèi)，避免其在成形之初與橋部小面積接觸導(dǎo)致模具壓塌變形。

2 有限元模擬分析

2.1 有限元模型建立

采用DEFORM軟件模擬鍛件鍛造過程。

采用有限元數(shù)字模擬技術(shù)模擬鍛造成形時(shí)，正確的邊界條件設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性十分重要[4-5]。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，建立該鍛件鍛造成形工藝模擬初始條件如下[6]：

（1）模具替代材料：H13。

（2）模具預(yù)熱溫度300℃。

（3）熱對(duì)流系數(shù)0.02 N/（s·mm·℃），熱傳導(dǎo)系數(shù)5 N/（s·mm·℃）。

（4）10 t錘，能量為280 kJ。

（5）摩擦邊界條件：本模型采用常摩擦模型（剪切摩擦模型）。

式中，K為金屬的剪切屈服強(qiáng)度，m為剪切面上的摩擦因子，有潤(rùn)滑摩擦，此處m=0.3；τ為接觸面上的摩擦切應(yīng)力。

（6）模擬成形過程中，設(shè)置上模位移為步長(zhǎng)增量，根據(jù)需求設(shè)置保存的步長(zhǎng)增量；以此建立鍛造成形有限元模型如圖3所示。

圖3 鍛造有限元模型

2.2 錘鍛模溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

熱鍛模的失效結(jié)果表明：模具型腔表面的溫度波動(dòng)區(qū)易出現(xiàn)疲勞裂紋，溫度波動(dòng)區(qū)即為循環(huán)熱應(yīng)力作用的區(qū)域，此區(qū)域受到的溫度和應(yīng)力非常復(fù)雜。因此，模具的溫度場(chǎng)分析主要集中研究溫度波動(dòng)區(qū)的溫度變化。

鍛造過程主要包括擺料、加載、卸載等過程，熱量由高溫鍛件傳遞給低溫模具。圖4顯示的是一火錘鍛后鍛模的溫度場(chǎng)分布。從圖中可以看出上模最高溫度出現(xiàn)在最早接觸坯料的橋部凸臺(tái)四角以及邊緣圓角處。鍛壓時(shí)鍛件在高壓狀態(tài)下與模具貼合，模溫上升。下模溫度最高區(qū)域?yàn)闇\型腔區(qū)域以及橋部位置。上模最大溫度約為342℃，下模最大溫度約為355℃，下模升溫區(qū)域比上模面積大，且溫度稍高。坯料一直擱置在下模上，并且時(shí)刻與其表面接觸，熱量由高溫鍛件傳遞給低溫模具；隨著捶打過程的進(jìn)行，上模上下運(yùn)動(dòng)，并非一直與坯料接觸，熱量會(huì)散發(fā)在空氣中，故而下模溫度比上模高?？傮w而言，一火錘鍛模溫上升較小，在60℃以內(nèi)，這是由于錘鍛過程非常快，高溫坯料與模具接觸時(shí)間很短，只有很少一部分熱量傳遞給模具；另一方面，鍛模型腔表面熱量會(huì)不斷往內(nèi)部溫度稍低區(qū)域傳遞，致使模具型腔表面溫度上升不大。

圖4 一火錘鍛后鍛模溫度場(chǎng)分布

圖5示出的是二火錘鍛后鍛模的溫度場(chǎng)分布。從二火錘鍛后鍛模的溫度場(chǎng)分布可以看出，最高溫度出現(xiàn)在鍛模橋部區(qū)域以及下模淺型腔處，上模最大溫度約為347℃，下模最大溫度約為358℃。這些位置一方面與坯料接觸傳熱，另一方面與坯料摩擦生熱，在坯料熱量傳遞和摩擦生熱的雙重作用下溫度上升。

圖5 二火錘鍛后鍛模溫度場(chǎng)分布

模具溫度較高會(huì)發(fā)生軟化，容易產(chǎn)生壓塌變形以及磨損。盡管從模擬結(jié)果來看，模具型腔表面溫度上升幅度較小，但是由于其在服役時(shí)與高溫坯料直接接觸，模具壽命終究會(huì)受到溫度的影響，在后續(xù)模具堆焊設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。模具其他位置基本維持預(yù)熱溫度300℃，在進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可忽略溫度波動(dòng)對(duì)模具壽命的影響。

此外，模具除了經(jīng)歷鍛打過程，還會(huì)經(jīng)歷冷卻過程。在鍛打階段，型腔表層區(qū)域受到高溫坯料的熱作用，溫度逐漸上升；鍛打結(jié)束后，在隨后的冷卻潤(rùn)滑階段，受到低溫潤(rùn)滑劑的冷卻作用，型腔表層溫度急劇下降，導(dǎo)致表層溫度變化較大，這在后續(xù)模具堆焊設(shè)計(jì)時(shí)也需要考慮。無論是鍛打階段還是冷卻階段，距離表面型腔一定厚度下的模具基體區(qū)域溫度基本維持300℃（模具預(yù)熱溫度）不變，鍛打或冷卻階段對(duì)該區(qū)域的溫度沒有明顯影響。這是因?yàn)橛捎阱懘螂A段坯料傳熱能力有限以及冷卻潤(rùn)滑時(shí)間較短，對(duì)該區(qū)域的溫度影響較小。因此，根據(jù)模具模鍛循環(huán)過程中的溫度變化，需要重點(diǎn)關(guān)注型腔表面堆焊材料的選擇。

2.3 錘鍛模應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖6為在鍛造最后一步的下模等效應(yīng)力場(chǎng)分布，圖7為錘鍛結(jié)束下模最大主應(yīng)力場(chǎng)分布。從圖中可知鍛模型腔等效應(yīng)力值較高，最大等效應(yīng)力主要分布在型腔底部凹槽區(qū)域，超過2 000 MPa，這主要是因?yàn)殡S著金屬逐漸充填型腔，金屬流動(dòng)阻力增大，在模具型腔底部處金屬難以充滿，較容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；同時(shí)在金屬充填模具型腔過程中類似于擠壓成形，型腔壁會(huì)受力向兩側(cè)擴(kuò)張，導(dǎo)致型腔底部受到拉應(yīng)力。上下模型腔底部凹槽圓角部位受到拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力超過1 500 MPa，在該區(qū)域容易因受拉產(chǎn)生裂紋，在堆焊設(shè)計(jì)時(shí)該區(qū)域需要選擇抗裂性能較好的材料。模具兩側(cè)橋部附近區(qū)域主要受到壓應(yīng)力，高于1 000 MPa，再加上沖擊載荷的影響，在工作情況下容易產(chǎn)生磨損以及壓塌變形。在堆焊設(shè)計(jì)時(shí)該區(qū)域需要選擇高硬的耐磨材料。

圖6 錘鍛結(jié)束下模等效應(yīng)力場(chǎng)分布

圖7 錘鍛結(jié)束下模最大主應(yīng)力場(chǎng)分布

2.4 錘鍛模磨損模擬結(jié)果分析

錘鍛結(jié)束時(shí)下模磨損深度分布如圖8所示。鍛模磨損主要位于模具橋部、局部型腔側(cè)壁以及下模淺型腔底部（圖中高亮區(qū)域），材料在這些區(qū)域流動(dòng)劇烈，容易產(chǎn)生磨損劃傷。磨損最嚴(yán)重區(qū)域?yàn)槟＞邇?nèi)橋部凸臺(tái)四個(gè)角位置（圖中圓圈標(biāo)識(shí)區(qū)域），這與模具實(shí)際磨損情況分布較為一致。從錘鍛結(jié)束磨損深度分布圖可知，下模磨損情況比上模更為嚴(yán)重。錘鍛過程中坯料一直擱置在下模上，下模與高溫坯料接觸時(shí)間比上模長(zhǎng)，在熱傳導(dǎo)作用下下模型腔表層材料升溫更高，軟化情況相對(duì)上模來說更嚴(yán)重，硬度降低導(dǎo)致磨損嚴(yán)重。為了獲得長(zhǎng)壽命的增材制造鍛模，需要在型腔表層堆焊高硬度的耐磨材料，提升鍛模的抗磨損能力。

圖8 錘鍛結(jié)束下模磨損深度分布

3 錘鍛模再制造

根據(jù)鍛模實(shí)際損傷情況、數(shù)值模擬結(jié)果，選定堆焊材料為JX106、JX10和JX32材料。JX106是一種塑形較好的材料，可作為鍛模易開裂處止裂防裂材料使用。JX10作為鍛模過渡層材料，其硬度和屈服強(qiáng)度均高于5CrNiMo，常溫硬度能達(dá)到60 HRC，而5CrNiMo經(jīng)回火后硬度較低約為35 HRC。JX10能更好地滿足錘鍛模對(duì)材料表面強(qiáng)度和硬度的要求，為提高再制造鍛模壽命提供條件。JX32抗沖擊能力強(qiáng)，高溫?zé)釓?qiáng)性好。作為鍛模易壓塌變形及磨損部位的堆焊材料，JX32能更好滿足錘鍛模型腔表層高溫工況以及大沖擊載荷下對(duì)表面高溫硬度和抗沖擊能力的要求，為提高再制造鍛模壽命提供條件。

具體堆焊實(shí)施方案如下[7]，堆焊后鍛模如圖9所示。

圖9 堆焊后的鍛模

（1）通過氣刨型腔及橋部，去除模具變形及表面疲勞層，預(yù)留堆焊余量。

（2）預(yù)熱模具至300℃，在待焊模具基體上沿預(yù)留堆焊余量處形狀堆焊各材料。

（3）將堆焊完畢后的模具重復(fù)進(jìn)行去應(yīng)力回火后緩冷處理，其回火溫度500℃，緩冷至180℃后出爐，空冷至室溫。

（4）對(duì)空冷后的模具進(jìn)行機(jī)械加工，使模具各部分尺寸達(dá)到技術(shù)使用要求。

4 錘鍛模生產(chǎn)驗(yàn)證

再制造鍛模生產(chǎn)驗(yàn)證如圖10所示，與再制造前該鍛模失效情況對(duì)比，從外觀上看再制造鍛模鍛打后模具基本無變形，表現(xiàn)很好：表面看不到明顯的刮擦等現(xiàn)象，采用JX32焊材的模具局部表面基本無磨損；原鍛模壓塌、墩擠變形以及磨損嚴(yán)重部位，均得到極大改善，極大提高了該鍛模的服役壽命。

圖10 再制造鍛模生產(chǎn)驗(yàn)證

對(duì)該再制造鍛模服役后的硬度（如圖11所示）及表面進(jìn)行探傷檢測(cè)，結(jié)果表明，其型腔表面硬度未有明顯變化，表面無缺陷，可以繼續(xù)服役使用。

圖11 再制造鍛模服役后下模硬度檢測(cè)

5 結(jié)論

根據(jù)鍛模實(shí)際損傷情況、數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)了GH4163錘鍛模再制造工藝，與原鍛模相比，模具表面硬度提高，鍛模耐磨性極大提升，鍛模服役壽命顯著提高。通過這種優(yōu)化，可以最大限度地利用資源和最低限度產(chǎn)出廢物，最終實(shí)現(xiàn)模具循環(huán)再制造，達(dá)到節(jié)能減耗、循環(huán)健康發(fā)展的目標(biāo)。