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.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044；3.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054）

0 前言

錘鍛模服役過程中除了受到普通熱鍛模機械及熱的雙重負荷外，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，相較于普通熱鍛模更容易出現底角疲勞斷裂、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、鍛模型腔質量持續惡化等因素而選擇報廢；（2）當成金屬廢品回收，然后進行熔化、冶煉后加工成模坯，經過模具制造的整套工藝流程后生產出新的模具，這種再制造方式成本很高、周期很長；（3）模具基體回收，對失效模具進行再制造之后循環再利用，這種再制造方式相對成本較低、周期較短，是當前研究的熱點[1-2]。

本文采用Deform 3D有限元分析軟件對GH4163鍛件錘鍛模進行模擬仿真，分析鍛件成形情況及溫度場、應力場分布狀態，優化設計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出廢物，實現模具循環再制造[3]。

1 鍛模失效分析

錘鍛模的工作對象主要為高溫（一般在1 000℃以上）坯料，由于工況惡劣容易導致失效。錘鍛模的失效形式有磨損、塑性變形、斷裂。有關學者對長期的生產實踐進行總結得出，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，未曾發現斷裂或者裂紋出現。內橋部凸臺四角壓塌嚴重，并且內、外橋部四周都呈現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比圖。由圖可知，塑性變形十分嚴重，主要變形區域分布在橋部邊緣，最大尺寸變形達5 mm以上。變形最嚴重區域在內橋部凸臺四角和模具橋部兩側凸圓角處，這與錘鍛模實際損傷圖結果表現一致。

圖2 失效前后尺寸對比

在成形初期，坯料擱置在下模橋部上，直接與鍛模內橋部凸臺四個圓角以及兩側橋部圓角處接觸，發生墩擠變形，而且接觸面積比較小。鍛模在工作時受到強烈的沖擊載荷，并且隨著鍛造過程的進行，鍛造錘數增加，鍛造載荷也依次遞增。在錘鍛開始時，巨大的沖擊載荷集中在坯料和模具接觸的小面積區域，單位應力超過模具材料的承受極限，發生壓塌變形。因此，為了減輕模具的壓塌情況，可以優化坯料形狀并提高坯料形狀尺寸的穩定性，使坯料從一開始就落入模具型腔內，避免其在成形之初與橋部小面積接觸導致模具壓塌變形。

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。

采用有限元數字模擬技術模擬鍛造成形時，正確的邊界條件設置對模擬結果的準確性十分重要[4-5]。結合實際生產條件，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）模具預熱溫度300℃。

（3）熱對流系數0.02 N/（s·mm·℃），熱傳導系數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度，m為剪切面上的摩擦因子，有潤滑摩擦，此處m=0.3；τ為接觸面上的摩擦切應力。

（6）模擬成形過程中，設置上模位移為步長增量，根據需求設置保存的步長增量；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 錘鍛模溫度場模擬結果分析

熱鍛模的失效結果表明：模具型腔表面的溫度波動區易出現疲勞裂紋，溫度波動區即為循環熱應力作用的區域，此區域受到的溫度和應力非常復雜。因此，模具的溫度場分析主要集中研究溫度波動區的溫度變化。

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分布。從圖中可以看出上模最高溫度出現在最早接觸坯料的橋部凸臺四角以及邊緣圓角處。鍛壓時鍛件在高壓狀態下與模具貼合，模溫上升。下模溫度最高區域為淺型腔區域以及橋部位置。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；隨著捶打過程的進行，上模上下運動，并非一直與坯料接觸，熱量會散發在空氣中，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，這是由于錘鍛過程非?？?，高溫坯料與模具接觸時間很短，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不斷往內部溫度稍低區域傳遞，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分布

圖5示出的是二火錘鍛后鍛模的溫度場分布。從二火錘鍛后鍛模的溫度場分布可以看出，最高溫度出現在鍛模橋部區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分布

模具溫度較高會發生軟化，容易產生壓塌變形以及磨損。盡管從模擬結果來看，模具型腔表面溫度上升幅度較小，但是由于其在服役時與高溫坯料直接接觸，模具壽命終究會受到溫度的影響，在后續模具堆焊設計時需要進行重點關注。模具其他位置基本維持預熱溫度300℃，在進行后續設計時可忽略溫度波動對模具壽命的影響。

此外，模具除了經歷鍛打過程，還會經歷冷卻過程。在鍛打階段，型腔表層區域受到高溫坯料的熱作用，溫度逐漸上升；鍛打結束后，在隨后的冷卻潤滑階段，受到低溫潤滑劑的冷卻作用，型腔表層溫度急劇下降，導致表層溫度變化較大，這在后續模具堆焊設計時也需要考慮。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域溫度基本維持300℃（模具預熱溫度）不變，鍛打或冷卻階段對該區域的溫度沒有明顯影響。這是因為由于鍛打階段坯料傳熱能力有限以及冷卻潤滑時間較短，對該區域的溫度影響較小。因此，根據模具模鍛循環過程中的溫度變化，需要重點關注型腔表面堆焊材料的選擇。

2.3 錘鍛模應力場模擬結果分析

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

圖6 錘鍛結束下模等效應力場分布

圖7 錘鍛結束下模最大主應力場分布

2.4 錘鍛模磨損模擬結果分析

錘鍛結束時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、局部型腔側壁以及下模淺型腔底部（圖中高亮區域），材料在這些區域流動劇烈，容易產生磨損劃傷。磨損最嚴重區域為模具內橋部凸臺四個角位置（圖中圓圈標識區域），這與模具實際磨損情況分布較為一致。從錘鍛結束磨損深度分布圖可知，下模磨損情況比上模更為嚴重。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間比上模長，在熱傳導作用下下模型腔表層材料升溫更高，軟化情況相對上模來說更嚴重，硬度降低導致磨損嚴重。為了獲得長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 錘鍛結束下模磨損深度分布

3 錘鍛模再制造

根據鍛模實際損傷情況、數值模擬結果，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，其硬度和屈服強度均高于5CrNiMo，常溫硬度能達到60 HRC，而5CrNiMo經回火后硬度較低約為35 HRC。JX10能更好地滿足錘鍛模對材料表面強度和硬度的要求，為提高再制造鍛模壽命提供條件。JX32抗沖擊能力強，高溫熱強性好。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，預留堆焊余量。

（2）預熱模具至300℃，在待焊模具基體上沿預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進行去應力回火后緩冷處理，其回火溫度500℃，緩冷至180℃后出爐，空冷至室溫。

（4）對空冷后的模具進行機械加工，使模具各部分尺寸達到技術使用要求。

4 錘鍛模生產驗證

再制造鍛模生產驗證如圖10所示，與再制造前該鍛模失效情況對比，從外觀上看再制造鍛模鍛打后模具基本無變形，表現很好：表面看不到明顯的刮擦等現象，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 再制造鍛模生產驗證

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

圖11 再制造鍛模服役后下模硬度檢測

5 結論

根據鍛模實際損傷情況、數值模擬結果，優化設計了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。通過這種優化，可以最大限度地利用資源和最低限度產出廢物，最終實現模具循環再制造，達到節能減耗、循環健康發展的目標。