CN114473215A - 一种钛合金模锻模具的仿生强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金模锻模具的仿生强化方法，其包括如下步骤：清洁、激光熔凝。本发明提供的仿生强化方法，有着较低成本的优点下，有着提高强度和使用寿命的效果。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及到一种钛合金模锻模具的仿生强化方法。
背景技术
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。目前，军工和一些民用产品的核心部件也采用钛合金来制造。
目前钛合金零部件的主要成型方式是模锻成型，对于不同的尺寸，采取不同的温度进行锻造，所得到的锻件表面光滑与尺寸精确，而且相比其他几种加工方式而言，加工成本低，步骤简单。不同的锻造方法和锻造条件会使锻件获得不同的组织状态和力学性能，组织状态和温度条件对钛合金的变形行为有直接影响，可以根据所需要的的性能，采取不同的加工方式。
目前钛合金中常见的锻造缺陷主要有组织过热及不均、空洞、裂纹等,这些缺陷一般在钛合金产品显微组织检查或超声波检测中很易发现,主要是在钛合金产品锻造过程中工艺参数控制不当形成的,所以在锻造过程中需依据不同特性的钛合金材料选择合适的变形速率、加热锻造温度、道次变形量及锻后冷却速度。
在钛合金的过程中，模具需要承受巨大的冲击压力。模腔表面形状复杂，深浅不一，使得各模腔表面受力不均匀。当炽热的金属进入型腔后，型腔表面快速升温相当于进行了回火处理，流动的坯料对模腔产生冲刷、挤压和摩擦，使模具软化同时加剧磨损。特别是钛合金具有良好的延展性，在模具中成型，钛合金与模具表面经常会出现类似“口香糖”的粘黏效应。在这个过程中不仅破坏了模具的表面粗糙度，导致锻件产生偏差，还会导致模具表面出现沟痕。此外在反复的锻造过程中模具要承受循环的热应力和磨损，使模具出现热裂纹和压塌等塑性变形。这些缺陷降低模具的质量，减少模具使用寿命导致模具失效而报废，造成极大的资源浪费。
由于钛合金非常昂贵且机加工性能非常差，因此模锻成型的钛合金部件是没有机加工的，一次模锻成型。这就对模具提出了非常高的使用要求，从而也使模具的使用成本极大的提高，生产普通锻件1000模次的模锻模具，生产钛合金部件仅能使用100次左右，表面出现轻微的损伤及判断失效。如果能使用一种方法针对钛合金模锻模具，降低其对模具表面的粘蚀磨损效应，进行预处理则可以大大提高其性能和使用寿命，节约大量资源和生产成本。对此通过对自然界的观察知晓，土壤动物蝼蛄、蜣螂，以及穿山甲、马陆等长期在土壤中穿行，体表却不受损伤。经研究发现，承受挤压和摩擦较严重的体表都存在非光滑形态。所以采用激光熔凝的方法，在模具的工作表面加工出耦合仿生非光滑模型，来应对生产过程中产生的疲劳和磨损。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种钛合金模锻模具的仿生强化方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种钛合金模锻模具的仿生强化方法，其包括：
清洁：对于模具表面机械进行预磨处理和清洁；
激光熔凝：使用激光束在模具表面沿着预定轨迹进行扫描。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：模具为H13热作模具钢。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：轨迹为模锻材料，所述模锻材料为TC4。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：激光熔凝中，激光束扫描的技术手段为激光相变工艺。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：激光熔凝中，激光束扫描后形成正向鳞状和反向鳞状单元体。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：激光熔凝中，激光束扫描的设置为离焦量98～99mm，电流95～160mA，脉宽6～10ms，扫描速度1～2mm/s，频率4～6Hz，能量密度J/mm，表面粗糙度5000～7000nm。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：激光熔凝中，激光熔凝多次加工形成Ⅰ型单元体、Ⅱ型单元体、Ⅲ型单元体。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：Ⅰ型单元体宽度为a1，a1＝1.2-1.5mm；深度为b1，b1＝0.3-0.5mm，相邻最近两单元体间距离为c1，c1＝0.5-1mm；条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：Ⅱ型单元体模型的宽度为a2，a2＝0.8-1.0mm；深度为b2，b2＝1.1-1.4mm；相邻两条纹仿生单元体中心间距离为c2，c2＝0.8-1.4mm；条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°。
作为本发明所述钛合金模锻模具的仿生强化方法的一种优选方案，其中：Ⅲ型单元体模型的宽度为a3，a3＝0.6-0.8mm；深度为b3，b3＝0.5-0.6mm；相邻两条仿生单元体中心间距离为c3，c3＝1.2-1.6mm；条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°。
本发明有益效果：
用激光熔凝的加工方式在工作表面分区域设计并制备具有形状多变的耦合仿生功能表面其特征在于条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-60°，网格状单元体，网格的夹角为β2，β2＝45°-90°。
上述的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型单元体在钛合金模锻模具表面总共有三大作用，第一大作用是减缓模具表面的裂纹萌生和生长速度，由硬相的熔凝区和次硬相的熔凝区以及母材按照设计方式呈梯度式排布，按照模具表面裂纹的开裂方向依次抵抗裂纹的萌生应力，减缓裂纹萌生时间并以堤坝的形式阻碍裂纹的扩展；第二大作用是降低模具表面的粘黏磨损，由于三种单元体是略下凹于母体表面，每次进行模锻前喷洒在模具表面的石墨润滑剂会有一定量残留在单元体的下凹处。这些残留的石墨有助于增加模具表面润滑，作为润滑剂减缓钛合金锻件对模具表面的摩擦磨损。第三大作用是强化模具表面的耐磨性，熔凝后的单元体硬度获得了极大的提高，可以有效抵抗钛合金对模具表面的磨损。
上述表面制备有条纹状仿生单元体的模具表面，其仿生单元体的硬度可以达到502HV-620HV，高于模具母材硬度30.4％-61.0％。使得在磨损程度较小的区域内，该模型可以有效的阻碍疲劳裂纹的发展，以及减缓磨损。
上述表面制备有条纹状仿生单元体的模具表面，其仿生单元体的硬度可以达到502HV-620HV，高于模具母材硬度30.4％-61.0％。使得在磨损程度较小的区域内，该模型可以有效的阻碍疲劳裂纹的发展，以及减缓磨损。
本发明采用了激光熔凝这种表面处理的方法，结合机械手臂可以灵活的加工形状复杂的模具表面，提高模具表面强度及模具抗磨损的能力，使模具的使用寿命得到延长。利用机械手臂与激光器的结合，易于实现自动化生产，节约人力资源。
本发明只包括模具钢和模锻材料的使用，不需要任何其他金属材料或者非金属材料的加入，结合当前市场上的价格，我方发明中有着显著的成本上较为低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例中Ⅰ型单元体、Ⅱ型单元体和Ⅲ型单元体的结构示意图；
图2为本发明实施例中Ⅰ型单元体、Ⅱ型单元体和Ⅲ型单元体的结构示意图；
图3为本发明实施例Ⅰ型单元体、Ⅱ型单元体和Ⅲ型单元体混合的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明中使用的激光器可以为两种，第一种是Nd-YAG脉冲激光器，生产厂家是大族激光，功率500瓦，型号为HS500，另外一种是光纤连续激光器，生产厂家是武汉锐科激光，功率是2000瓦，型号是RAL2000。
硬度的测量使用美国生产的维式显微硬度计(Model 5104,Manufactured byBuehler Co.Ltd.,USA)进行测量，使用寿命的测量为制得材料作为压力机的材料，测量使用寿命。
实施例1
对模具表面进行预磨处理及清洁；
采用激光熔凝的方法，将激光束在模具表面沿着预定轨迹进行扫描，使其表面熔化并快速凝固。在模具表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。
使用H13热模具钢作为模具，将TC4按照需要加工后形成成的形状或者轨迹进行排列，进行激光加工的区域在加工后工件的受力区域加工。
激光垂直表面进行加工，在实际生产可能无法达到垂直表面加工的情况下，与垂直表面呈现15度之内均可以接受。
激光加工过程中的参数如表2所示，制得的单元体性能如表1所示。根据得到的防渗体性能根据性能分为Ⅰ型单元体、Ⅱ型单元体和Ⅲ型单元体，具体区分的种类如表1所示，制得的微观结构和结构分别如图1、图2、图3所示。
本发明得到的成品由图1可得，我方发明中制得的成品有着良好的性能，上述表面制备有条纹状仿生单元体的模具表面，经过处理的仿生单元体的硬度可以达到502HV，最高可以达到620HV，高于模具母材硬度31％-57％。使得在磨损程度较小的区域内，该模型可以有效的阻碍疲劳裂纹的发展，以及减缓磨损。
用激光熔凝的加工方式在工作表面分区域设计并制备具有形状多变的耦合仿生功能表面其特征在于条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-60°，网格状单元体，网格的夹角为β2，β2＝45°-90°。具体形状如图2所示。
本发明采用了激光熔凝这种表面处理的方法，结合机械手臂可以灵活的加工形状复杂的模具表面，提高模具表面强度及模具抗磨损的能力，使模具的使用寿命得到延长。利用机械手臂与激光器的结合，易于实现自动化生产，节约人力资源。
表1 5CrNiMo模具表面制备仿生单元体性能测定
表2 表面粗糙度数据
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：
清洁：对于模具表面机械进行预磨处理和清洁；
激光熔凝：使用激光束在模具表面沿着预定轨迹进行扫描。
2.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述模具为H13热作模具钢。
3.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述轨迹为模锻材料，所述模锻材料为TC4。
4.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述激光熔凝中，激光束扫描的技术手段为激光相变工艺。
5.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述激光熔凝中，激光束扫描后形成正向鳞状和反向鳞状单元体。
6.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述激光熔凝中，激光束扫描的设置为离焦量98～99mm，电流95～160mA，脉宽6～10ms，扫描速度1～2mm/s，频率4～6Hz，能量密度J/mm，表面粗糙度5000～7000nm。
7.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述激光熔凝中，激光熔凝多次加工形成Ⅰ型单元体、Ⅱ型单元体、Ⅲ型单元体。
8.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述Ⅰ型单元体宽度为a1，a1＝1.2-1.5mm；深度为b1，b1＝0.3-0.5mm，相邻最近两单元体间距离为c1，c1＝0.5-1mm；条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°。
9.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述Ⅱ型单元体模型的宽度为a2，a2＝0.8-1.0mm；深度为b2，b2＝1.1-1.4mm；相邻两条纹仿生单元体中心间距离为c2，c2＝0.8-1.4mm；条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°。
10.根据权利要求1中所述的钛合金模锻模具的仿生强化方法，其特征在于：所述Ⅲ型单元体模型的宽度为a3，a3＝0.6-0.8mm；深度为b3，b3＝0.5-0.6mm；相邻两条仿生单元体中心间距离为c3，c3＝1.2-1.6mm；条纹状仿生单元体的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°。
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2022
- 2022-01-29 CN CN202210112440.0A patent/CN114473215A/zh active Pending
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